2.2: Субатомные частицы

Дальтон был лишь отчасти прав в отношении частиц, которые составляют вещество. Все вещества состоят из атомов, а атомы состоят из трех видов меньших субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Эти три частицы составляют массу и заряд атома.

Открытие электрона

Первая подсказка о субатомной структуре появилась в конце 19-го века, когда Дж. Дж. Томсон обнаружил электрон с помощью электронно-лучевой трубки. Этот аппарат состоял из герметичной стеклянной трубки, из которой был удален почти весь воздух, и в которой содержались два металлических электрода. При подаче высокого напряжения на электмоль между ними появлялся видимый пучок, называемый катодным лучом. Этот пучок был отклонен в сторону положительного заряда и от отрицательного заряда, и мог быть получен таким же образом и с идентичными свойствами, когда для электродов использовались разные металлы. В подобных экспериментах луч одновременно отклонялся приложенным магнитным полем. Измерения величины отклонения и силы магнитного поля позволилиТомсону рассчитать отношение заряда к массе частиц катода. Результаты этих измерений показали, что эти частицы были намного легче атомов. Основываясь на своих наблюдениях, Томсон предложил следующее:

• Частицы притягиваются положительными (+) зарядами и отталкиваются от отрицательных (−) зарядов, поэтому они должны быть заряжены отрицательно (одинаковые заряды отталкиваются и заряды с разными знаками притягиваются);
• Частицы менее массивны, чем атомы и неразличимы, независимо от исходного материала, поэтому они должны быть фундаментальными субатомными составляющими всех атомов.

Катодная лучевая частица Томсона – это электрон, отрицательно заряженная субатомная частица с массой более чем в 1000 раз меньше, чем атомная. Термин «электрон» был придуман в 1891 году ирландским физиком Джорджем Стоуни из термина “электрический ион.”

В 1909 году Роберт Милликан подсчитал заряд электрона в своих экспериментах “с капелькой масла”. Милликан создал микроскопические капли масла, которые могут быть электрически заряжены трением по мере их формирования или с помощью рентгеновского излучения. Эти капли изначально падали из-за гравитации, но их движение вниз может быть замедлено или даже изменено с помощью электрического поля, которое находится ниже в аппарате. Регулируя напряженность электрического поля и делая тщательные измерения и соответствующие расчеты, Милликан смог определить заряд на отдельных каплях, равный 1.6 × 10⁻¹⁹ C (кулон). Милликан пришел к выводу, что это значение должно, таким образом, быть фундаментальным зарядом одного электрона. Поскольку заряд электрона был известен в настоящее время благодаря исследованию Милликана — и соотношение заряда к массе было уже известно благодаря исследованию Томсона (1.759 × 10¹¹ C/кг) — масса электрона была определена как 9.107 × 10⁻³¹ кг.

Ядерная модель Резерфорда

Ученые установили, что атом не является неделимым, как полагал Дальтон, и благодаря работам Томсона, Милликана и других, были известны заряд и масса отрицательных субатомных частиц — электронов. Ученые знали, что суммарный заряд атома нейтрален. Однако положительно заряженная часть атома еще не была хорошо исследована. В 1904 году Томсон предложил модель атомов “сливовый пудинг”, которая описывала положительно заряженную массу с равным количеством отрицательного заряда в виде встроенных в неё электронов, поскольку все атомы электрически нейтральны. В 1903 году Хантаро Нагаока предложил конкурирующую модель, которая постулировала атом, похожий на Сатурн, состоящий из положительно заряженной сферы, окруженной гало электронов.  

Следующий значительный скачок в развитии понимания атома произошёл благодаря Эрнесту Резерфорду. Он выполнил ряд экспериментов с использованием пучка высокоскоростных положительно заряженных альфа-частиц (α частиц), которые были произведены путём радиоактивного распада радия. Резерфорд нацелил луч из α частиц на очень тонкий кусочек золотой фольги и исследовал результирующее рассеяние α частиц с помощью люминесцентного экрана, который ненадолго загорался при ударе α частицы. Он отметил, что большинство частиц проходят через фольгу, не отклоняясь вовсе. Однако некоторые из них были слегка отклонены, и очень небольшое число было отклонено почти прямо назад к источнику.

Из этого Резерфорд затем сделал следующий вывод: Так как большая часть быстро движущихся αчастиц прошла через атомы золота неотклоняясь, они должны были пересечь по существу пустое пространство внутри атома. Альфа-частицы заряжены положительно, поэтому отклонения возникали, когда они столкнулись с другим положительным зарядом (одинаковые по знаку заряды отталкивают друг друга). Так как заряды отталкивают друг друга, несколько положительно заряженных α частиц, которые резко изменили путь, должны были удариться или близко подойти к другому телу, которое также имело высококонцентрированный положительный заряд. Так как произошло очень маленькое число отклонений, этот заряд занимал лишь небольшую часть пространства в золотой фольге.

Проанализировав серию экспериментов, Резерфорд сделал два важных вывода:

1. Объем, занимаемый атомом, должен состоять из большого количества пустого пространства.
2. Небольшое, относительно тяжелое, положительно заряженное тело, ядро, должно находиться в центре каждого атома.

Этот анализ заставил Резерфорда предложить модель, в которой атом состоит из очень небольшого, положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована большая часть массы атома, окруженная отрицательно заряженными электронами, чтобы атом был электрически нейтральным. После многих других экспериментов, Резерфорд также обнаружил, что ядра других элементов содержат водородное ядро как “строительный блок,” и он назвал эту более фундаментальную частицу протон, положительно заряженная субатомная частица, найденная в ядре. 

Структура атома

Протоны находятся в ядре атома и имеют положительный заряд. Количество протонов равно атомному номеру в периодической таблице и определяет идентичность элемента. Нейтроны также обнаружены в ядре. У них нет заряда, но они имеют ту же массу, что и протоны, и, таким образом, вносят вклад в атомную массу атома. Электроны движутся вокруг ядра в облаках. У них отрицательный заряд, а масса пренебрежимо мала, поэтому они вносят свой вклад в общий заряд атома, но не в его массу.

Нейтроны

Известно, что ядро содержит почти всю массу атома, при этом количество протонов обеспечивает лишь половину или меньше этой массы. Были внесены различные предложения по разъяснении того, что составляет оставшуюся массу, включая наличие нейтральных частиц в ядре. Лишь в 1932 году Джеймс Чедвик обнаружил доказательства существования нейтронов, незаряженных субатомных частиц с массой примерно такой же, как у протонов.

Существование нейтрона также объясняло изотопы: Они различаются по массе, потому что у них разное количество нейтронов, но они химически идентичны, потому что у них одинаковое количество протонов.

Единица атомной массы (amu) и основная единица заряда (e)

Ядро содержит большую часть массы атома, потому что протоны и нейтроны тяжелее электронов, в то время как электроны занимают почти весь объем атома. Диаметр атома порядка 10⁻¹⁰ м, в то время как диаметр ядра составляет примерно 10⁻¹⁵ м — примерно в 100,000 раз меньше. Атомы — и протоны, нейтроны и электроны, которые их составляют — очень малы. Например, атом углерода весит менее 2 × 10⁻²³ г, а электрон имеет заряд менее 2 × 10⁻¹⁹ C. при описании свойств таких мелких объектов, как атомы, используются соответственно небольшие единицы измерения, такие как атомная единица массы (amu) и основная единица заряда (е). аму определяется по наиболее обильным изотопам углерода, атомам которых присваиваются массы ровно 12 amu. Таким образом, одна amu составляет ровно 1/12 массы одного атома углерода-12: 1 amu = 1.6605 × 10⁻²⁴ г. Дальтон (Da) и унифицированная единица атомной массы (u) являются альтернативными единицами, эквивалентными amu.

Основная единица заряда (также называемая элементарным зарядом) равна величине заряда электрона с e =1.602 × 10⁻¹⁹ C. Протон имеет массу 1.0073 amu и заряд 1+. Нейтрон представляет собой немного более тяжелую частицу с массой 1.0087 amu и нулевым зарядом; как следует из его названия, он нейтрален. Электрон имеет заряд 1− и является гораздо более легкой частицей с массой около 0.00055 amu. Для справки, потребуется около 1800 электронов, чтобы уравновесить массу одного протона. Свойства этих фундаментальных частиц обобщены в следующей таблице.  

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2e, раздел 2.2: Эволюция теории атомов и раздел 2.3: Структура атомов и символизм.

Теория атома Дальтона естественным образом привела к вопросу о том, делимы ли сами атомы. Серия последующих экспериментов продемонстрировала, что атом на самом деле состоит из трех основных частиц, называемых субатомными частицами, электронов, протонов и нейтронов. Электроны были обнаружены Дж.Дж.Томсоном, когда он наблюдал пучок заряженных частиц, движущихся по прямой линии к положительному лектроду в электронно-лучевой трубке, и смог отклонить эти пучки с помощью электрических и магнитных полей.

Томсон пришел к выводу, что эти частицы были отрицательно заряженными составляющими атома с низкой массой. Позднее эти частицы получили название электроны. Роберт Милликен определил, что электрон имеет заряд 1, 6 x 10⁻¹⁹ кулонов, где кулон единица заряда в системе СИ.С открытием электронов атомы больше не рассматривались как неделимые, и были предложены модели для описания атомной структуры.

Самой успешной была ядерная модель Эрнеста Резерфорда, основанная на его знаменитом эксперименте с золотой фольгой, в котором он направил положительно заряженные альфа-частицы на тонкий лист золотой фольги. Поскольку большая часть альфа-частиц прошла через золотую фольгу без отклонения, он пришел к выводу, что большая часть пространства внутри атома пуста. Некоторые, однако, были рассеяны под большими углами, а небольшое количество отскочило обратно, что подтвердило, что весь положительный заряд и большая часть массы атома находится в крошечной области в центре, называемой ядром.

Резерфорд также предположил, что у атома есть достаточно электронов, расположенных в пустом пространстве вокруг ядра, чтобы уравновесить положительный заряд ядра и поддерживать электрическую нейтральность атома. Впоследствии Резерфорд сам открыл протоны положительно заряженные частицы в ядре, а Джеймс Чедвик открыл нейтроны электрически нейтральные частицы в ядре. Заряд и масса два основных свойства субатомных частиц.

Заряды протона и электрона равны по величине, но противоположны по знаку. В относительных единицах электрону присвоен заряд 1, а протону 1. У нейтрона нет заряда.

Масса протона 1, 673 10⁻²⁷ килограмм, масса электрона 9, 1 10⁻³¹ килограмм, а масса нейтрона 1, 675 10⁻²⁷ килограмм. Более распространенной единицей для выражения этих чрезвычайно малых масс является атомная единица массы, или а.е.м. 1 а.е.м.

равна 1, 66 10⁻²⁷ килограмм, или одной двенадцатой массы атома углерода, содержащего шесть протонов и шесть нейтронов. Таким образом, масса протона или нейтрона составляет примерно 1 а.е.м. Электроны имеют почти ничтожную массу 5, 5 10⁻⁴ а.е.м.