Протон
Положительно заряженная частица ядра. Один протон означает водород, шесть — углерод. Изменение числа протонов превращает ядро в ядро другого элемента.
Атомная физика · понятный масштаб
Большой мир
маленьких частиц.
Стекло в окне, вода в чашке и воздух вокруг нас состоят из атомов. Разобраться в их устройстве — значит понять, откуда берутся цвет, электрический заряд и свойства вещества.
Начать с устройства атома01 / СОСТАВ
Что делает атом атомом
Химический элемент определяется числом протонов в ядре. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов: их заряды компенсируют друг друга.
Нейтрон
Частица ядра без электрического заряда. Число нейтронов у одного элемента может различаться. У наиболее распространённого изотопа водорода нейтрона нет.
Электрон
Отрицательно заряженная частица. В квантовом описании у неё нет заранее известной планетной орбиты. Электронное облако показывает, где её вероятнее обнаружить при измерении.
02 / ЭНЕРГИЯПочему атомы оставляют
Почему атомы оставляют
световой след
Энергия связанного электрона принимает определённые допустимые значения. Атом может поглотить свет и перейти в возбуждённое состояние, если энергия фотона подходит для разрешённого перехода.
При переходе в состояние с меньшей энергией атом может испустить фотон. Его энергия равна разности энергий этих состояний. Так возникают спектральные линии — отдельные участки спектра, характерные для атомов и ионов.
Спектр помогает исследовать состав вещества, не разбирая его на отдельные атомы. Разные условия меняют форму и интенсивность линий, поэтому физики сравнивают измерения со справочными данными, а не только с цветом свечения.
03 / ВАРИАНТЫ
Один элемент, разные изотопы
Изотопы имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов. Число в названии — сумма протонов и нейтронов. У водорода это легко увидеть.
Водород-1
Один протон, ни одного нейтрона. Стабильный изотоп, который также называют протием.
Водород-2
Один протон и один нейтрон. Стабильный изотоп с отдельным названием — дейтерий.
Водород-3
Один протон и два нейтрона. Тритий — радиоактивный изотоп водорода.
Атомный — не значит радиоактивный. Радиоактивность связана с самопроизвольными превращениями нестабильных ядер. Многие встречающиеся в природе изотопы стабильны. Изменение электронной оболочки и превращение ядра — разные физические процессы.
04 / РЯДОМ С НАМИ
От модели
к измерению
Узнать состав вещества
Приборы измеряют спектральные линии и сопоставляют их с известными переходами. В справочниках NIST собраны проверенные значения уровней энергии, длин волн и вероятностей переходов.
Проследить путь воды
Стабильные изотопы используют как естественные метки в исследованиях окружающей среды. Различия их соотношений помогают изучать происхождение образцов и процессы, через которые прошло вещество.
Понять химическую связь
Распределение электронов определяет, как атомы взаимодействуют и объединяются в молекулы. Поэтому объяснение привычных свойств материалов часто начинается с электронного строения.
05 / СЛОВАРЬ
Четыре полезных различия
Откройте термин, чтобы не смешивать близкие, но разные понятия.
Атом и ион
Ион — электрически заряженный атом или группа атомов. Если отдельный атом потерял электрон или приобрёл дополнительный, баланс зарядов изменился. Само по себе это не означает изменения ядра.
Орбита и орбиталь
Орбита — определённая траектория в классическом описании. Атомная орбиталь относится к квантовому состоянию электрона и позволяет рассчитать распределение вероятности его обнаружения. Это не дорожка вокруг ядра.
Возбуждение и радиоактивный распад
Электронное возбуждение меняет состояние электронной оболочки. Радиоактивный распад относится к нестабильному ядру. Свечение вещества само по себе не доказывает радиоактивность.
Модель и фотография
Цветные шары и облака в учебной схеме помогают объяснить устройство вещества. Их цвета, размеры и расположение выбраны для наглядности. Эксперимент проверяет предсказания модели через измеримые величины.