ГЛАВА ПЕРВАЯ. Атомы химических элементов
§7. Основные сведения о строении атомов
Лабораторный опыт №3
Распакуйте пластинку жевательной резинки и с помощью указательного пальца (своеобразного сканера) сделайте вывод об относительной гладкости каждой из трёх поверхностей упаковки жевательной резинки и её содержимого: а) бумаги; б) фольги; в) самой резинки. Этот принцип используется при изготовлении печатной продукции для слепых.
Ответ:
Поверхность жевательной резинки, фольга, упаковочная бумага имеют разную гладкость. Фольга имеет наиболее гладкую поверхность, менее гладкую поверхность имеет оберточная бумага, а сама жевательная резинка наименее гладкую поверхность, она шероховата на ощупь.
i. Работа в информационной среде
1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.
Ответ:
1. http://www.hemi.nsu.ru/ucheb121.htm
2. http://www.hemi.nsu.ru/ucheb122.htm
3. https://bigenc.ru/physics/text/1839003
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Атом
5. https://xumuk.ru/encyklopedia/401.html
6. http://endic.ru/encsovet/Atom−71156.html
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сканирующиймикроскоп
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология#:~:text=Нанотехноло́гия%20—%20область%20фундаментальной%20и%20прикладной,структурой%20путём%20контролируемого%20манипулирования%20отдельными
2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.
Ответ:
Атом
А́том (от др.−греч. ἄτομος «неделимый, не разрезаемый») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Атомы состоят из ядра и электронов (точнее, электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.
Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Z×e) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
История становления понятия
Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.
На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.
Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора−Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько−нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).
Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).
Массу атома принято измерять в атомных единицах массы (дальтонах), равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.
?. Вопросы и задания
1. Какие научные открытия доказали, что атом − сложная частица, что он делим?
Ответ:
Открытие электрона как частицы принадлежит Эмилю Вихерту и Джорджу Томсону, которые в 1897 году установили, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника.
29 апреля 1897 г. Дж. Томсон изложил гипотезу о существовании материи в состоянии ещё более тонкого дробления, чем атомы.
То, что атом является сложной частицей было доказано благодаря опыту рассеяния альфа−частиц на металлической фольге проведенному в 1911 году Эрнестом Резерфордом. На основе результатов опыта Э. Резерфорд создал планетарную модель атома, который состоял из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. В 1919 году Э. Резерфорд провел эксперимент, суть которого заключалась в том, что под воздействием α−частиц из азота выбивались какие−то новые частицы, без труда проникавшие через фольгу, непроходимую для α−частиц. Оказалось, что неизвестные частицы имеют положительный заряд, равный по величине заряду электрона, а их масса равна массе ядра атома водорода. Эти частицы Резерфорд назвал протонами.
В 1930 году В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета−распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы. 27 февраля 1932 был открыт нейтрон физиком Джеймсом Чедвиком, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера (1930), в которых обнаружилось, что α−частицы, вылетающие при распаде полония, воздействуя на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов и определил их массу.
2. Определите число протонов, электронов и нейтронов в атомах элементов: натрия, фосфора, золота.
Ответ:
Элемент Число протонов (p+) = Число электронов (e-) = Число нейтронов ($n^{0}$) =
номеру элемента номеру элемента массовое число (А) −
номер элемента (Z)
Nа (натрий) 11 11 23 − 11 = 12
P (фосфор) 15 15 31 − 15 = 16
Au (золото) 79 79 197−79 = 118
3. Пользуясь этимологическим словарём, объясните, почему планетарную модель строения атома, предложенную Э. Резерфордом, называют также нуклеарной. Почему протоны и нейтроны вместе называют нуклонами?
Ответ:
Планетарная модель атома Э. Резерфорда представляет собой положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Нуклон от лат. nucleus — ядро, поэтому планетарную модель строения атома, предложенную Э. Резерфордом, называют также нуклеарной.
Протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако, с точки зрения ядерного взаимодействия, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин "нуклон", а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона.
4. Порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева равен 35. Какой это элемент? Чему равен заряд ядра его атома? Сколько протонов, электронов и нейтронов в его атоме?
Ответ:
Элемент с порядковым номером (Z) 35 — бром (Br).
Заряд ядра его атома равен 35.
Число протонов и электронов равно порядковому номеру элемента Z = p+ = e- = 35.
Массовое число 80.
Число нейтронов n0 = А − Z = 80 − 35 = 45.
5. На уроках биологии вы рассматривали клетки растений, используя световой микроскоп. Каков принцип действия этого микроскопа?
Ответ:
Главный принцип работы светового микроскопа состоит в том, что через прозрачный или полупрозрачный предмет (объект исследования), размещенный на предметном столике, проходят лучи света и попадают на систему линз объектива, которые увеличивают изображение.
В состав микроскопа входят три функциональных элемента: осветительная часть, воспроизводящая и визуализирующая.
Осветительный элемент создает световой поток для освещения объекта исследования для того, чтобы возможно его было увеличить и рассмотреть. В осветительную часть входят источник света и оптико−механическая система.
Предназначение воспроизводящей части микроскопа – воспроизведение изображения предмета в плоскости с необходимым качеством изображения и кратностью увеличения. Воспроизводящий элемент – это объектив и промежуточная оптическая система.
Визуализирующий элемент необходим для получения изображения предмета на сетчатке глаза, фотопленке, экране и дополнительного увеличения. В визуализирующую часть входят монокулярная, бинокулярная и тринокулярная визуальная насадка с наблюдательной системой (окулярами), проекционные насадки, системы дополнительного увеличения, рисовальные аппараты, системы анализа и документирования изображений.
6. Что выступает в роли аналога света в сканирующем микроскопе? Каков принцип действия этого микроскопа?
Ответ:
Главным элементом сканирующих туннельных микроскопов является очень тонкий металлический зонд (щуп или игла), двигающийся вдоль поверхности. Между зондом и поверхностью приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный ток, величина которого позволяет фиксировать неоднородности или иные особенности исследуемой поверхности. При этом зонд должен находиться на расстоянии 1 мкм от образца, что является условием возникновения и поддержания туннельного тока. Сканируя поверхность, подобно лучу в электронной трубке телевизора, исследователь получает высокоточную картину состояния поверхности. При идеальной «остроте» зонда, когда на его поверхности будет находиться один−единственный атом, точность описания будет соответствовать отдельным атомам.
7. Что такое нанотехнологии? Почему эта отрасль науки и производства получила такое название?
Ответ:
Нанотехнология (англ. nanotechnology) — данный термин в настоящее время не имеет единого, признаваемого всеми определения.
Под термином «нанотехнологии» РОСНАНО понимает совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.
Также под термином «нанотехнология» можно понимать понимать комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабе.
Эта отрасль науки и производства получила такое название, потому что она имеет дело с объектами, которые имеют размеры масштаба 10-9 м, т. е. размера нанометра ("нано", от лат. "карлик").
