Die Struktur der Atome – Elementarteilchen der Materie, Elektronen, Protonen, Neutronen
Alle physischen Körper in der Natur bestehen aus einer Art Materie, die Materie genannt wird. Stoffe werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt – einfache und komplexe Stoffe.
Komplexe Stoffe sind Stoffe, die durch chemische Reaktionen in andere, einfachere Stoffe zerlegt werden können. Im Gegensatz zu komplexen Stoffen sind einfache Stoffe solche, die chemisch nicht in noch einfachere Stoffe zerlegt werden können.
Ein Beispiel für eine komplexe Substanz ist Wasser, das durch eine chemische Reaktion in zwei andere, einfachere Substanzen zerlegt werden kann – Wasserstoff und Sauerstoff. Die letzten beiden lassen sich chemisch nicht mehr in einfachere Stoffe zerlegen und sind daher einfache Stoffe, also chemische Elemente.
In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts herrschte in der Wissenschaft die Annahme vor, dass chemische Elemente unveränderte Stoffe seien, die keine gemeinsame Beziehung zueinander hätten. Allerdings entdeckte der russische Wissenschaftler D. I. Mendeleev (1834 – 1907) erstmals 1869enthüllt die Beziehung chemischer Elemente und zeigt, dass die qualitativen Eigenschaften jedes einzelnen von ihnen von seiner quantitativen Eigenschaft – dem Atomgewicht – abhängen.
Bei der Untersuchung der Eigenschaften chemischer Elemente bemerkte D. I. Mendeleev, dass sich ihre Eigenschaften je nach Atomgewicht periodisch wiederholten. Er zeigte diese Periodizität in Form einer Tabelle, die unter dem Namen „Mendelejews Periodensystem der Elemente“ in die Wissenschaft einging.
Unten finden Sie Mendelejews modernes Periodensystem der chemischen Elemente.
Atome
Nach modernen wissenschaftlichen Konzepten besteht jedes chemische Element aus einer Ansammlung kleinster materieller (materieller) Teilchen, den sogenannten Atomen.
Ein Atom ist der kleinste Bruchteil eines chemischen Elements, der chemisch nicht mehr in andere, kleinere und einfachere Materialteilchen zerlegt werden kann.
Atome chemischer Elemente unterschiedlicher Natur unterscheiden sich voneinander in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften, Struktur, Größe, Masse, Atomgewicht, Eigenenergie und einigen anderen Eigenschaften. Beispielsweise unterscheidet sich das Wasserstoffatom in seinen Eigenschaften und seiner Struktur stark vom Sauerstoffatom, dieses vom Uranatom und so weiter.
Atome chemischer Elemente sind äußerst klein. Wenn wir bedingt davon ausgehen, dass die Atome eine Kugelform haben, müssen ihre Durchmesser Hundertmillionstel Zentimeter betragen. Beispielsweise beträgt der Durchmesser eines Wasserstoffatoms – des kleinsten Atoms in der Natur – einhundertmillionstel Zentimeter (10-8 cm), und der Durchmesser der größten Atome, beispielsweise des Uranatoms, überschreitet nicht dreihundert Millionstel Zentimeter (3 · 10-8 cm).Daher ist das Wasserstoffatom um ein Vielfaches kleiner als die Kugel mit einem Radius von einem Zentimeter, wie diese kleiner als der Globus ist.
Aufgrund der sehr geringen Größe der Atome ist auch ihre Masse sehr gering. Beispielsweise beträgt die Masse eines Wasserstoffatoms m = 1,67 · 10-24. Das bedeutet, dass ein Gramm Wasserstoff etwa 6 · 1023 Atome enthält.
Als herkömmliche Maßeinheit für die Atomgewichte chemischer Elemente wird 1/16 des Gewichts eines Sauerstoffatoms verwendet. Entsprechend diesem Atomgewicht eines chemischen Elements wird eine abstrakte Zahl genannt, die angibt, wie oft das Gewicht eines bestimmten chemischen Elements mehr als 1/16 des Gewichts eines Sauerstoffatoms beträgt.
Im Periodensystem der Elemente von D. I. Mendeleev sind die Atomgewichte aller chemischen Elemente angegeben (siehe Nummer unter dem Namen des Elements). Aus dieser Tabelle sehen wir, dass das leichteste Atom das Wasserstoffatom ist, das ein Atomgewicht von 1,008 hat. Das Atomgewicht von Kohlenstoff beträgt 12, von Sauerstoff 16 und so weiter.
Das Atomgewicht der schwereren chemischen Elemente übersteigt das Atomgewicht von Wasserstoff um mehr als das Zweihundertfache. Der Atomwert von Quecksilber beträgt also 200,6, der von Radium 226 und so weiter. Je höher die Zahlenordnung eines chemischen Elements im Periodensystem der Elemente ist, desto größer ist das Atomgewicht.
Die meisten Atomgewichte chemischer Elemente werden als Bruchzahlen ausgedrückt. Dies lässt sich zum Teil dadurch erklären, dass solche chemischen Elemente aus einer Reihe von Atomarten mit unterschiedlichen Atomgewichten, aber gleichen chemischen Eigenschaften bestehen.
Chemische Elemente, die im Periodensystem der Elemente die gleiche Nummer einnehmen und daher die gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedliche Atomgewichte haben, werden Isotope genannt.
Isotope kommen in den meisten chemischen Elementen vor, es gibt zwei Isotope, Kalzium – vier, Zink – fünf, Zinn – elf usw. Viele Isotope werden durch Kunst gewonnen, einige von ihnen haben große praktische Bedeutung.
Elementarteilchen der Materie
Lange Zeit glaubte man, dass die Atome chemischer Elemente die Grenze der Teilbarkeit der Materie seien, also sozusagen die elementaren „Bausteine“ des Universums. Die moderne Wissenschaft weist diese Hypothese zurück, indem sie feststellt, dass das Atom eines chemischen Elements ein Aggregat noch kleinerer materieller Teilchen als das Atom selbst ist.
Gemäß der Elektronentheorie der Struktur der Materie ist das Atom jedes chemischen Elements ein System, das aus einem zentralen Kern besteht, um den sich „elementare“ Teilchen des Materials, sogenannte Elektronen, drehen. Die Atomkerne bestehen nach allgemein anerkannter Ansicht aus einer Reihe „elementarer“ materieller Teilchen – Protonen und Neutronen.
Um den Aufbau von Atomen und die physikalisch-chemischen Prozesse in ihnen zu verstehen, ist es notwendig, sich zumindest kurz mit den grundlegenden Eigenschaften der Elementarteilchen, aus denen Atome bestehen, vertraut zu machen.
Es wird festgestellt, dass ein Elektron ein echtes Teilchen mit der kleinsten negativen elektrischen Ladung ist, die in der Natur beobachtet wird.
Wenn wir bedingt davon ausgehen, dass das Elektron als Teilchen eine Kugelform hat, dann sollte der Durchmesser des Elektrons 4 ·10-13 cm betragen, also Zehntausende Male kleiner als der Durchmesser jedes Atoms.
Ein Elektron hat wie jedes andere materielle Teilchen eine Masse. Die „Ruhemasse“ des Elektrons, also die Masse, die es im relativen Ruhezustand besitzt, beträgt mo = 9,1 · 10-28 G.
Die extrem kleine „Ruhemasse“ des Elektrons weist darauf hin, dass die Trägheitseigenschaften des Elektrons äußerst schwach sind, was bedeutet, dass das Elektron unter dem Einfluss einer elektrischen Wechselkraft mit einer Frequenz von vielen Milliarden Perioden pro Jahr im Raum schwingen kann zweite.
Die Masse des Elektrons ist so gering, dass es 1027 Einheiten benötigt, um ein Gramm Elektronen zu erzeugen. Um zumindest eine physikalische Vorstellung von dieser kolossal großen Zahl zu bekommen, geben wir ein Beispiel. Könnte man ein Gramm Elektronen in einer geraden Linie dicht nebeneinander anordnen, dann würden sie eine Kette von vier Milliarden Kilometern Länge bilden.
Die Masse des Elektrons hängt wie bei jedem anderen materiellen Mikroteilchen von der Geschwindigkeit seiner Bewegung ab. Ein Elektron im relativen Ruhezustand hat eine „Ruhemasse“ mechanischer Natur, ähnlich der Masse jedes physischen Körpers. Die „Bewegungsmasse“ des Elektrons, die mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit zunimmt, ist elektromagnetischen Ursprungs. Dies ist auf das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes in einem sich bewegenden Elektron als einer Art Materie mit Masse und elektromagnetischer Energie zurückzuführen.
Je schneller sich das Elektron bewegt, desto stärker manifestieren sich die Trägheitseigenschaften seines elektromagnetischen Feldes, desto größer ist dessen Masse und dementsprechend seine elektromagnetische Energie. Da das Elektron mit seinem elektromagnetischen Feld ein einziges organisch verbundenes Materialsystem darstellt, ist es Natürlich ist die Impulsmasse des elektromagnetischen Feldes des Elektrons direkt dem Elektron selbst zuzuschreiben.
Das Elektron hat neben den Eigenschaften eines Teilchens auch Welleneigenschaften.Es wurde experimentell festgestellt, dass sich der Elektronenfluss wie ein Lichtfluss in Form einer wellenförmigen Bewegung ausbreitet. Die Natur der Wellenbewegung des Elektronenflusses im Raum wird durch die Phänomene der Interferenz und Beugung von Elektronenwellen bestätigt.
Elektronische Interferenz ist das Phänomen der Überlagerung von Elektronenströmen übereinander und der Elektronenbeugung – das ist das Phänomen der Biegung von Elektronenwellen an den Rändern eines schmalen Schlitzes, durch den der Elektronenstrahl verläuft. Das Elektron ist also nicht nur ein Teilchen, sondern eine «Teilchenwelle», deren Länge von der Masse und Geschwindigkeit des Elektrons abhängt.
Es wurde festgestellt, dass das Elektron neben seiner Translationsbewegung auch eine Rotationsbewegung um seine Achse ausführt. Diese Art der Elektronenbewegung wird „Spin“ genannt (vom englischen Wort „spin“ – Spindel). Durch diese Bewegung erhält das Elektron neben den elektrischen Eigenschaften aufgrund der elektrischen Ladung auch magnetische Eigenschaften und ähnelt in dieser Hinsicht einem Elementarmagneten.
Ein Proton ist ein reales Teilchen mit einer positiven elektrischen Ladung, deren Absolutwert der elektrischen Ladung eines Elektrons entspricht.
Die Protonenmasse beträgt 1,67 ·10-24 r, also etwa 1840-mal größer als die „Ruhemasse“ des Elektrons.
Im Gegensatz zu einem Elektron und einem Proton hat ein Neutron keine elektrische Ladung, das heißt, es ist ein elektrisch neutrales „Elementarteilchen“ der Materie. Die Masse des Neutrons ist praktisch gleich der Masse des Protons.
Die Elektronen, Protonen und Neutronen, aus denen Atome bestehen, interagieren miteinander. Insbesondere Elektronen und Protonen ziehen sich als Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung gegenseitig an.Gleichzeitig stoßen sich Elektron von Elektron und Proton von Proton als Teilchen mit der gleichen elektrischen Ladung ab.
Alle diese elektrisch geladenen Teilchen interagieren durch ihre elektrischen Felder. Bei diesen Feldern handelt es sich um eine besondere Art von Materie, die aus einer Ansammlung elementarer materieller Teilchen besteht, die Photonen genannt werden. Jedem Photon ist eine genau definierte Energiemenge (Energiequantum) inne.
Die Wechselwirkung von Teilchen elektrisch geladener Materialmaterialien erfolgt durch den Austausch von Photonen untereinander. Die Wechselwirkungskraft elektrisch geladener Teilchen wird üblicherweise elektrische Kraft genannt.
Auch Neutronen und Protonen in den Atomkernen interagieren miteinander. Allerdings erfolgt diese Wechselwirkung zwischen ihnen nicht mehr durch ein elektrisches Feld, da das Neutron ein elektrisch neutrales Materieteilchen ist, sondern durch das sogenannte nukleares Feld.
Auch dieses Feld ist eine besondere Art von Materie, die aus einer Ansammlung elementarer materieller Teilchen namens Mesonen besteht... Die Wechselwirkung von Neutronen und Protonen erfolgt durch den Austausch von Mesonen untereinander. Die Wechselwirkungskraft zwischen Neutronen und Protonen wird Kernkraft genannt.
Es wurde festgestellt, dass Kernkräfte in den Atomkernen in extrem kleinen Abständen – etwa 10–13 cm – wirken.
Kernkräfte übertreffen die elektrischen Kräfte der gegenseitigen Abstoßung von Protonen im Atomkern bei weitem. Dies führt dazu, dass sie nicht nur in der Lage sind, die Kräfte der gegenseitigen Abstoßung von Protonen innerhalb der Atomkerne zu überwinden, sondern auch aus der Ansammlung von Protonen und Neutronen sehr starke Kernsysteme zu schaffen.
Die Stabilität des Kerns eines jeden Atoms hängt vom Verhältnis zweier widersprüchlicher Kräfte ab – nuklear (gegenseitige Anziehung von Protonen und Neutronen) und elektrisch (gegenseitige Abstoßung von Protonen).
Starke Kernkräfte, die in den Atomkernen wirken, tragen zur Umwandlung von Neutronen und Protonen ineinander bei. Diese Wechselwirkungen von Neutronen und Protonen erfolgen durch die Freisetzung oder Absorption leichterer Elementarteilchen, beispielsweise Mesonen.
Die von uns betrachteten Teilchen werden Elementarteilchen genannt, weil sie nicht aus einer Ansammlung anderer, einfacherer Materieteilchen bestehen. Aber gleichzeitig dürfen wir nicht vergessen, dass sie sich ineinander verwandeln und auf Kosten des anderen entstehen können. Somit handelt es sich bei diesen Teilchen um einige komplexe Gebilde, das heißt, ihre elementare Natur ist bedingt.
Chemische Struktur von Atomen
Das einfachste Atom in seiner Struktur ist das Wasserstoffatom. Es besteht aus einer Ansammlung von nur zwei Elementarteilchen – einem Proton und einem Elektron. Das Proton spielt im Wasserstoffatomsystem die Rolle eines zentralen Kerns, um den sich ein Elektron auf einer bestimmten Umlaufbahn dreht. In Abb. 1 zeigt schematisch ein Modell des Wasserstoffatoms.
Reis. 1. Diagramm der Struktur des Wasserstoffatoms
Dieses Modell ist nur eine grobe Annäherung an die Realität. Tatsache ist, dass das Elektron als „Teilchenwelle“ kein klar von der äußeren Umgebung abgegrenztes Volumen hat. Und das bedeutet, dass man nicht von einer exakten linearen Umlaufbahn des Elektrons sprechen sollte, sondern von einer Art Elektronenwolke. In diesem Fall besetzt das Elektron am häufigsten eine mittlere Linie der Wolke, die eine seiner möglichen Umlaufbahnen im Atom darstellt.
Es sollte gesagt werden, dass die Umlaufbahn des Elektrons selbst im Atom nicht streng unveränderlich und stationär ist, sondern aufgrund der Änderung der Masse des Elektrons auch eine gewisse Rotationsbewegung ausführt. Daher ist die Bewegung eines Elektrons in einem Atom relativ kompliziert. Da der Kern des Wasserstoffatoms (Proton) und das ihn umkreisende Elektron entgegengesetzte elektrische Ladungen haben, ziehen sie sich gegenseitig an.
Gleichzeitig entwickelt die freie Energie des Elektrons, das sich um den Atomkern dreht, eine Zentrifugalkraft, die dazu neigt, es vom Atomkern zu entfernen. Daher sind die elektrische Kraft der gegenseitigen Anziehung zwischen dem Atomkern und dem Elektron und die auf das Elektron wirkende Zentrifugalkraft entgegengesetzte Kräfte.
Im Gleichgewicht nimmt ihr Elektron eine relativ stabile Position auf einer bestimmten Umlaufbahn im Atom ein. Da die Masse des Elektrons sehr klein ist, muss es sich mit einer enormen Geschwindigkeit von etwa 6·1015 Umdrehungen pro Sekunde drehen, um die Anziehungskraft auf den Atomkern auszugleichen. Dies bedeutet, dass sich ein Elektron im System eines Wasserstoffatoms wie jedes andere Atom mit einer linearen Geschwindigkeit von mehr als tausend Kilometern pro Sekunde auf seiner Umlaufbahn bewegt.
Unter normalen Bedingungen dreht sich ein Elektron in einem Atom, das sich in der Umlaufbahn befindet, die dem Kern am nächsten liegt. Gleichzeitig verfügt es über die geringstmögliche Energiemenge. Wenn sich das Elektron aus dem einen oder anderen Grund, zum Beispiel unter dem Einfluss anderer materieller Teilchen, die in das Atomsystem eingedrungen sind, auf eine vom Atom weiter entfernte Umlaufbahn bewegt, dann verfügt es bereits über eine etwas größere Energiemenge.
Das Elektron verbleibt jedoch für eine unbedeutende Zeitspanne auf dieser neuen Umlaufbahn und dreht sich anschließend wieder in die Umlaufbahn zurück, die dem Atomkern am nächsten liegt.Dabei gibt es seine überschüssige Energie in Form eines Quantums magnetischer Strahlung – Strahlungsenergie – ab (Abb. 2).
Reis. 2. Wenn sich ein Elektron von einer entfernten Umlaufbahn zu einer näher am Atomkern befindlichen Umlaufbahn bewegt, sendet es ein Quantum Strahlungsenergie aus
Je mehr Energie das Elektron von außen erhält, desto weiter bewegt es sich in die Umlaufbahn, die am weitesten vom Atomkern entfernt ist, und desto größer ist die Menge an elektromagnetischer Energie, die es abgibt, wenn es sich in die Umlaufbahn bewegt, die dem Atomkern am nächsten liegt.
Durch die Messung der Energiemenge, die das Elektron beim Übergang von verschiedenen Bahnen zu der dem Atomkern am nächsten gelegenen Bahn abgibt, konnte festgestellt werden, dass sich ein Elektron im System eines Wasserstoffatoms wie im System jedes anderen befindet Ein Atom kann sich nicht auf eine zufällige Umlaufbahn begeben, auf eine streng bestimmte Energie, die es unter dem Einfluss einer äußeren Kraft erhält. Die Bahnen, die ein Elektron in einem Atom einnehmen kann, nennt man erlaubte Orbitale.
Da die positive Ladung des Wasserstoffatomkerns (die Ladung des Protons) und die negative Ladung des Elektrons zahlenmäßig gleich sind, ist ihre Gesamtladung Null. Das bedeutet, dass das Wasserstoffatom im Normalzustand ein elektrisch neutrales Teilchen ist.
Dies gilt für die Atome aller chemischen Elemente: Das Atom jedes chemischen Elements ist im Normalzustand aufgrund der zahlenmäßigen Gleichheit positiver und negativer Ladungen ein elektrisch neutrales Teilchen.
Da der Kern eines Wasserstoffatoms nur ein „Elementarteilchen“ enthält – ein Proton, ist die sogenannte Massenzahl dieses Kerns gleich eins. Die Massenzahl des Atomkerns eines beliebigen chemischen Elements ist die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen, aus denen dieser Kern besteht.
Natürlicher Wasserstoff besteht hauptsächlich aus einer Ansammlung von Atomen mit der Massenzahl eins. Es enthält jedoch auch eine andere Art von Wasserstoffatomen mit einer Massenzahl von zwei. Die Kerne dieser schweren Wasserstoffatome, Deuteronen genannt, bestehen aus zwei Teilchen, einem Proton und einem Neutron. Dieses Wasserstoffisotop wird Deuterium genannt.
Natürlicher Wasserstoff enthält sehr geringe Mengen Deuterium. Auf sechstausend leichte Wasserstoffatome (Massenzahl gleich eins) kommt nur ein Deuteriumatom (schwerer Wasserstoff). Es gibt ein weiteres Isotop von Wasserstoff, superschweren Wasserstoff namens Tritium. Im Kern eines Atoms dieses Wasserstoffisotops befinden sich drei Teilchen: ein Proton und zwei Neutronen, die durch Kernkräfte miteinander verbunden sind. Die Massenzahl des Kerns eines Tritiumatoms beträgt drei, das heißt, das Tritiumatom ist dreimal schwerer als das leichte Wasserstoffatom.
Obwohl die Atome von Wasserstoffisotopen unterschiedliche Massen haben, haben sie dennoch die gleichen chemischen Eigenschaften, zum Beispiel bildet leichter Wasserstoff, der eine chemische Reaktion mit Sauerstoff eingeht, mit ihm eine komplexe Substanz – Wasser. Ebenso verbindet sich das Wasserstoffisotop Deuterium mit Sauerstoff zu Wasser, das im Gegensatz zu gewöhnlichem Wasser als schweres Wasser bezeichnet wird. Schweres Wasser wird häufig bei der Erzeugung von Kernenergie (Atomenergie) verwendet.
Daher hängen die chemischen Eigenschaften von Atomen nicht von der Masse ihrer Kerne ab, sondern nur von der Struktur der Elektronenhülle des Atoms. Da Atome aus leichtem Wasserstoff, Deuterium und Tritium die gleiche Anzahl an Elektronen haben (eines für jedes Atom), haben diese Isotope die gleichen chemischen Eigenschaften.
Es ist kein Zufall, dass das chemische Element Wasserstoff die erste Zahl im Periodensystem der Elemente einnimmt.Tatsache ist, dass es einen Zusammenhang zwischen der Anzahl jedes Elements im Periodensystem der Elemente und der Größe der Ladung im Kern eines Atoms dieses Elements gibt. Es lässt sich wie folgt formulieren: Die Seriennummer jedes chemischen Elements im Periodensystem der Elemente ist numerisch gleich der positiven Ladung des Kerns dieses Elements und damit der Anzahl der um ihn kreisenden Elektronen.
Da Wasserstoff die erste Zahl im Periodensystem der Elemente einnimmt, bedeutet dies, dass die positive Ladung des Kerns seines Atoms gleich eins ist und dass sich ein Elektron um den Kern dreht.
Das chemische Element Helium steht an zweiter Stelle im Periodensystem der Elemente. Dies bedeutet, dass der Kern eine positive elektrische Ladung von zwei Einheiten hat, das heißt, sein Kern muss zwei Protonen und in der Elektronenhülle des Atoms zwei Elektroden enthalten.
Natürliches Helium besteht aus zwei Isotopen – schwerem und leichtem Helium. Die Massenzahl von schwerem Helium beträgt vier. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den beiden oben genannten Protonen noch zwei weitere Neutronen in den Kern des schweren Heliumatoms gelangen müssen. Die Massenzahl des leichten Heliums beträgt drei, das heißt, zusätzlich zu zwei Protonen sollte ein weiteres Neutron in die Zusammensetzung seines Kerns eintreten.
Es wurde festgestellt, dass in natürlichem Helium die Anzahl der leichten Heliumatome etwa ein Millionstel der schweren Heliumatome beträgt. In Abb. 3 zeigt ein schematisches Modell des Heliumatoms.
Reis. 3. Diagramm der Struktur des Heliumatoms
Die weitere Komplikation der Struktur der Atome chemischer Elemente ist auf eine Zunahme der Anzahl von Protonen und Neutronen in den Kernen dieser Atome und gleichzeitig auf eine Zunahme der Anzahl der um die Kerne rotierenden Elektronen zurückzuführen (Abb. 4). Mithilfe des Periodensystems der Elemente lässt sich leicht die Anzahl der Elektronen, Protonen und Neutronen bestimmen, aus denen verschiedene Atome bestehen.
Reis. 4. Schemata zum Aufbau von Atomkernen: 1 – Helium, 2 – Kohlenstoff, 3 – Sauerstoff
Die reguläre Zahl eines chemischen Elements ist gleich der Anzahl der Protonen im Atomkern und gleichzeitig der Anzahl der um den Atomkern kreisenden Elektronen. Das Atomgewicht entspricht ungefähr der Massenzahl des Atoms, also der Anzahl der Protonen und Neutronen zusammen im Kern. Indem man vom Atomgewicht eines Elements eine Zahl abzieht, die der Ordnungszahl des Elements entspricht, kann man daher bestimmen, wie viele Neutronen in einem bestimmten Kern enthalten sind.
Es wurde festgestellt, dass sich die Kerne leichter chemischer Elemente, die in ihrer Zusammensetzung die gleiche Anzahl an Protonen und Neutronen aufweisen, durch eine sehr hohe Festigkeit auszeichnen, da die Kernkräfte in ihnen relativ groß sind. Beispielsweise ist der Kern eines schweren Heliumatoms äußerst langlebig, da er aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, die durch starke Kernkräfte miteinander verbunden sind.
Die Kerne der Atome schwererer chemischer Elemente enthalten in ihrer Zusammensetzung bereits eine ungleiche Anzahl von Protonen und Neutronen, weshalb ihre Bindung im Kern schwächer ist als in den Kernen leichter chemischer Elemente. Die Kerne dieser Elemente lassen sich beim Beschuss mit atomaren „Projektilen“ (Neutronen, Heliumkerne etc.) relativ leicht spalten.
Die Kerne der schwersten chemischen Elemente, insbesondere der radioaktiven, zeichnen sich durch eine so geringe Festigkeit aus, dass sie spontan in ihre Bestandteile zerfallen. Beispielsweise zerfallen Atome des radioaktiven Elements Radium, die aus einer Kombination von 88 Protonen und 138 Neutronen bestehen, spontan und werden zu Atomen des radioaktiven Elements Radon. Die Atome der letzteren zerfallen wiederum in ihre Bestandteile und gehen in die Atome anderer Elemente über.
Nachdem wir uns kurz mit den Bestandteilen der Atomkerne chemischer Elemente vertraut gemacht haben, betrachten wir die Struktur der Elektronenhüllen von Atomen. Wie Sie wissen, können Elektronen nur auf genau definierten Bahnen um Atomkerne kreisen. Darüber hinaus sind sie in der Elektronenhülle jedes Atoms so gebündelt, dass einzelne Elektronenhüllen unterschieden werden können.
Jede Schale kann eine bestimmte Anzahl Elektronen enthalten, die eine genau bestimmte Anzahl nicht überschreitet. So können sich beispielsweise in der ersten Elektronenhülle, die dem Atomkern am nächsten liegt, maximal zwei Elektronen befinden, in der zweiten nicht mehr als acht Elektronen usw.
Diejenigen Atome, bei denen die äußeren Elektronenhüllen vollständig gefüllt sind, haben die stabilste Elektronenhülle. Das bedeutet, dass ein Atom alle seine Elektronen festhält und keine zusätzliche Menge davon von außen aufnehmen muss. Beispielsweise hat ein Heliumatom zwei Elektronen, die die erste Elektronenhülle vollständig ausfüllen, und ein Neonatom hat zehn Elektronen, von denen die ersten beiden die erste Elektronenhülle vollständig ausfüllen und der Rest die zweite (Abb. 5).
Reis. 5. Diagramm der Struktur des Neonatoms
Helium- und Neonatome haben daher relativ stabile Elektronenhüllen und neigen nicht dazu, diese quantitativ zu verändern. Solche Elemente sind chemisch inert, das heißt, sie gehen keine chemische Wechselwirkung mit anderen Elementen ein.
Allerdings haben die meisten chemischen Elemente Atome, deren äußere Elektronenhüllen nicht vollständig mit Elektronen gefüllt sind. Beispielsweise hat ein Kaliumatom neunzehn Elektronen, von denen achtzehn die ersten drei Schalen vollständig ausfüllen, und das neunzehnte Elektron befindet sich in der nächsten, unbefüllten Elektronenschale. Die schwache Füllung der vierten Elektronenhülle mit Elektronen führt dazu, dass der Atomkern das äußerste – das neunzehnte Elektron – nur sehr schwach hält und dieses daher leicht aus dem Atom entfernt werden kann. …
Oder das Sauerstoffatom hat beispielsweise acht Elektronen, von denen zwei die erste Schale vollständig ausfüllen und die restlichen sechs sich in der zweiten Schale befinden. Damit der Aufbau der zweiten Elektronenhülle im Sauerstoffatom vollständig abgeschlossen ist, fehlen diesem nur noch zwei Elektronen. Daher hält das Sauerstoffatom nicht nur seine sechs Elektronen fest in der zweiten Schale, sondern hat auch die Fähigkeit, zwei fehlende Elektronen an sich zu ziehen, um seine zweite Elektronenschale zu füllen. Dies erreicht er durch chemische Verbindung mit den Atomen solcher Elemente, bei denen die äußeren Elektronen schwach mit ihren Kernen verbunden sind.
Chemische Elemente, deren Atome keine vollständig mit Elektronen gefüllte äußere Elektronenschicht haben, sind in der Regel chemisch aktiv, das heißt, sie gehen bereitwillig eine chemische Wechselwirkung ein.
Die Elektronen in den Atomen der chemischen Elemente sind also in einer genau definierten Reihenfolge angeordnet, und jede Änderung ihrer räumlichen Anordnung oder Menge in der Elektronenhülle des Atoms führt zu einer Änderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Atoms.
Die Gleichheit der Anzahl der Elektronen und Protonen im Atomsystem ist der Grund dafür, dass seine elektrische Gesamtladung Null ist. Wird die Gleichheit der Anzahl der Elektronen und Protonen im Atomsystem verletzt, wird das Atom zu einem elektrisch geladenen System.
Ein Atom, in dessen System das Gleichgewicht entgegengesetzter elektrischer Ladungen gestört ist, weil es einen Teil seiner Elektronen verloren oder umgekehrt einen Überschuss davon erworben hat, wird als Ion bezeichnet.
Im Gegenteil, wenn ein Atom eine überschüssige Anzahl an Elektronen aufnimmt, wird es zu einem negativen Ion. Beispielsweise wird ein Chloratom, das ein zusätzliches Elektron erhalten hat, zu einem einfach geladenen negativen Chlorion Cl-... Ein Sauerstoffatom, das zwei zusätzliche Elektronen erhalten hat, wird zu einem doppelt geladenen negativen Sauerstoffion O und so weiter.
Ein zu einem Ion gewordenes Atom wird gegenüber der äußeren Umgebung zu einem elektrisch geladenen System. Und das bedeutet, dass das Atom begann, ein elektrisches Feld zu besitzen, mit dem es ein einziges Materialsystem bildet, und durch dieses Feld führt es eine elektrische Wechselwirkung mit anderen elektrisch geladenen Materieteilchen aus – Ionen, Elektronen, positiv geladenen Atomkernen, usw.
Die Fähigkeit verschiedener Ionen, sich gegenseitig anzuziehen, ist der Grund dafür, dass sie sich chemisch verbinden und komplexere Materieteilchen – Moleküle – bilden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Abmessungen des Atoms im Vergleich zu den Abmessungen der realen Teilchen, aus denen es besteht, sehr groß sind. Der Kern des komplexesten Atoms nimmt zusammen mit allen Elektronen ein Milliardstel des Atomvolumens ein. Eine einfache Rechnung zeigt: Wenn ein Kubikmeter Platin so fest gepresst werden kann, dass die intraatomaren und interatomaren Räume verschwinden, erhält man ein Volumen von etwa einem Kubikmillimeter.