НОВОСТИ

Регулярно посещайте новостную страницу, чтобы быть в курсе дат проведения вебинаров, посвященных разбору тренировочных работ СтатГрад, а также скачивайте там авторские тренировочные варианты по химии в формате ЕГЭ 2019!

Блог

Глава 1.2. Строение атома

Рубрика ХимХак - это как лайфхак, но только про химию

QR код для быстрого доступа к сайту

21.07.2019

1/8
Please reload

Подписка

1.2.1. Происхождение атомов 

Для того, чтобы понять природу строения атома необходимо иметь представление об его происхождении. Для этого давайте отправимся далеко в прошлое до того момента, как зародились первые атомы. Благодаря достижениям современной астрофизики с вероятностью 68% можно утверждать, что нашей Вселенной 13.798 млрд. лет. Эти данные были получены с помощью спутникового телескопа «Планк», принадлежащего Европейскому космическому агентству [1]

 

А что же было до того момента, как появилась наша Вселенная и как именно она зародилась? К сожалению, ответа на первую часть этого вопроса не существует, поскольку никакие из современных физических явлений не несут в себе ответа на то, что было до их появления. А вот вторая часть этого вопроса активно обсуждается научным сообществом и было выдвинуто несколько теорий зарождения Вселенной. Мы с Вами остановимся на теории, доминирующей в современной физике  это космологическая модель Большого взрыва и совмещенная с ней модель горячей Вселенной. 

Мы в соцсетях

Присоединяйся к нам на YouTube и ВКонтакте:

Справочные материалы

ЕГЭ

Химия

2019

Посмотреть весь архив

Таблица Менделеева от ФИПИ (официальная версия)

Таблица растворимости и ряд активности металлов от ФИПИ (официальная версия)

Таблица Менделеева (авторская версия)

Таблица растворимости (авторская версия)

Таблица цветов неорганических веществ

Таблица характерных степеней окисления

Авторские тренировочные варианты

ЕГЭ

Химия

2019

Посмотреть весь архив

Данные тренировочные варианты составляются для того, чтобы у выпускников был дополнительный инструмент для подготовки к ЕГЭ. Вырианты составляются в том же формате, что и реальные КИМы и полностью соотверствуют спецификации ФИПИ.

Архив тренировочных работ СтатГрад

ЕГЭ

Химия

2019

Посмотреть весь архив

Период публикации работ СтатГрад ограничен: работа доступна на сайте строго до дня выпуска новой работы. В день публикации новой работы старая удаляется с сайта. Однако задания со всех работ СтатГрад остаются доступными в соответствующих разделах с тренировочными заданиями.

Полезно знать...

«Большой взрыв» – это некорректный перевод с английского для «Big Bang», более правильным переводом будет «Большой хлопóк».

Сейчас мы в очень упрощенном виде рассмотрим основные этапы эволюции нашей Вселенной.

 

О состоянии, которое предшествовало зарождению Вселенной ничего сказать нельзя, так как законы современной физики не применимы к тому периоду.

 

Однако в определенный момент это предшествующее состояние свелось к сингулярности, то есть к состоянию, когда плотность энергии и материи, а также кривизна пространства-времени очень велики. Это изначальное состояние также не подчинялось законам современной физики. Но в один прекрасный момент эпоха сингулярности закончилась и это состояние начало расширяться и разлетаться в пространстве, что по внешнему виду можно сравнить со взрывом или вылетом конфети после хлопка из специальной трубки. Момент начала расширения сингулярности и принято считать моментом зарождения нашей Вселенной. 

 

Однако небесные тела, которые мы наблюдаем сейчас (галактики, звезды, планеты и т.д.) не могли сформироваться за мгновение, они прошли свой эволюционный путь после Большого взрыва и на это потребовалось время. 

Согласно современным представлениям эволюция Вселенной может быть разделена на следующие основные этапы [2]:

Начальный момент времени точка отсчета

Эпоха сингулярности: Большой взрыв

Планковская эпоха: рождение частиц

Эпоха Великого объединения: отделение гравитации от других физических сил

Инфляционная эпоха: экспоненциальное увеличение Вселенной в размерах на много порядков. Образуются кварки, электроны и нейтрино

Электрослабая эпоха (эпоха электрослабых взаимодействий): образуются бозоны Хиггса, W и Z бозоны

Эпоха кварков: фундаментальные физические силы (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия) существуют раздельно

Адронная эпоха: кварки начинают группироваться в адроны, образуются протоны и нейтроны

100 с 3 мин

Лептонная эпоха: аннигиляция лептон-антилептонных пар, вещество становится прозрачным для нейтрино

3 мин  380 000 лет

Протонная эпоха (эпоха нуклеосинтеза): образование ядер атомов водорода, гелия и следов лития. Спустя 70 000 лет вещество начинает доминировать над излучением

380 000  550 000 000 лет

Темные века: Вселенная заполнена водородом и гелием, реликтовым излучением. Естественные источники света (звезды, квазары) отсутствуют

550 000 000  800 000 000 лет

Реионизация: образуются первые звезды, квазары, галактики

800 000 000  8 900 000 000 лет

Эра вещества: образование межзвёздного облака, давшего начало Солнечной системе

8 900 000 000  9 100 000 000 лет

Эра вещества: образование Земли и других планет Солнечной системы

С этими этапами Вас должны были познакомить на уроках физики, здесь мы  остановимся только на наиболее важных с точки зрения эволюции атома эпохах.

Инфляционная эпоха. В эту эпоху образовался электрон  лепто́н первого поколения с неделимым зарядом. Электрон представляет из себя элементарную частицу, то есть его нельзя разделить на составные части.

Для тех, кто не помнит...

В природе существует два типа фундаментальных частиц – это кварки и лепто́ны. 

Кварки – это фундаментальные частицы, не существующие в свободном состоянии, заряд которых кратен 1/3 заряда электрона.

Лепто́ны – это фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, и обладающие спином равным 1/2.

Наряду с электроном в инфляционную эпоху зародились кварки, которые впоследствии сыграют ключевую роль в формировании ато́много ядра. Всего к настоящему моменту достоверно установлено существование шести видов кварков, они перечислены в

таблице 1.2-1, запоминать их свойства не нужно, но знать, что они существуют, должен каждый.

Таблица 1.2-1: Классификация кварков

Символ

Поколение

Английское название

Русское название

Заряд

d

первое

down

нижний

–1/3

u

первое

up

верхний

+2/3

s

второе

strange

странный

–1/3

c

второе

charmed

очарованный

+2/3

b

третье

beauty

прелестный

–1/3

t

третье

truth

истинный

+2/3

Эпоха кварков. Эпоха кварков ознаменовала полное и независимое существование четырех фундаментальных взаимодействий, на основе которых строится современная физика.

Гравитационное взаимодействие – это универсальное фундаментальное взаимодействие между объектами, обладающими массой покоя. Гравитационное взаимодействие распространяется на большие расстояния.

Сильное (ядерное) взаимодействие – это фундаментальное взаимодействие между кварками и глюонами, а также частицами, составленными из них. Сильное взаимодействие распространяется на очень малые расстояния, сопоставимые с размерами ато́много ядра.

Слабое взаимодействие – это фундаментальное взаимодействие, в которое вступают все фермионы (лепто́ны и кварки), то есть частицы со спином равным 1/2, а также нейтрино. Слабое взаимодействие распространяется на расстояния в 1000 раз меньше размеров ато́много ядра.

Электромагнитное взаимодействие – это фундаментальное взаимодействие, существу-ющее между частицами, обладающими зарядом (электрон, кварки). Подобно гравитационному взаимодействию, электромагнитное взаимодействие распространяется на большие расстояния.

Таким образом, на закате эпохи кварков во Вселенной существовало все необходимое, для того, чтобы образовались первые нуклоны, то есть частицы, входящие в состав ато́много ядра: протоны и нейтроны.

 

Адронная эпоха. Согласно современным представлениям протоны и нейтроны – это сложные частицы, которые состоят из кварков. Помимо протонов и нейтронов существует еще много сложных частиц, образованных кварками в адронную эпоху, но мы сосредоточимся исключительно на протонах и нейтронах, потому что именно они дадут начало первым ато́мным ядрам.

Как уже было отмечено выше, в конце эпохи кварков существовали все необходимые ингредиенты для приготовления протонов и нейтронов, и рецепт весьма простой:

кварки + сильное взаимодействие = нуклоны

Теперь, не вдаваясь в тонкости квантовой физики, мы разберем состав нуклонов.

+2/3

+2/3

1/3

Протон – это частица, составленная из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой сильным взаимодействием, то есть p=(uud).

Так как электрический заряд u-кварка равен +2/3, а электрический заряд d-кварка равен –1/3, мы можем рассчитать суммарный заряд протона:

Zp = 2/3 + 2/3 – 1/3 = 3/3 = 1, то есть Zp = +1

+2/3

–1/3

1/3

Нейтрон – это частица, составленная из одного u-кварка и двух d-кварков, связанных между собой сильным взаимодействием, то есть n=(ddu).

Так как электрический заряд u-кварка равен +2/3, а электрический заряд d-кварка равен –1/3, мы можем рассчитать суммарный заряд нейтрона:

Zn = 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0/3 = 0, то есть Zn = 0

Протонная эпоха (эпоха нуклеосинтеза). Уже название самой эпохи эволюции Вселенной указывает на то, что основным процессом, протекающим в этот период был синтез ядер, самыми распространенными из которых были ядра водорода. Рецепт приготовления ядер столь же прост, как и для нуклонов:

нуклоны + сильное взаимодействие = ато́мные ядра

Самым простым и распространенным во Вселенной ато́мным ядром был и остается одиночный протон (протий), для полноценного существования ему не нужен нейтрон. Однако в ходе нуклеосинтеза природа проводила эксперименты и образовывались ядра более сложного и разнообразного состава, подобно тому как во время эволюции на Земле образовывались различные формы биологической жизни. Так, например, если протон посредством сильного взаимодействия соединится с нейтроном, то образуется ядро атома дейтерия.

+2/3

+2/3

1/3

+2/3

–1/3

1/3

Ядро атома дейтерия содержит два нуклона: положительно заряженный протон и не заряжен-ный нейтрон. Не смотря на то, что между этими нуклонами в классическом понимании электро-магнитного взаимодействия нет, так как нет разно-именных зарядов, однако между составными частями нуклонов (кварками) притяжение есть, и именно за счет этого нуклоны удерживаются в ядре.

Если же протон соединится с двумя нейтронами, то образуется ядро атома трития. 

+2/3

+2/3

1/3

+2/3

–1/3

1/3

+2/3

–1/3

1/3

Нуклоны в ядре атома трития удерживаются по тому же принципу, что и в ядре атома дейтерия: слабое взаимодействие между u-кварками с зарядом +2/3 и d-кварками с зарядом –1/3, которые входят в состав нуклонов (протонов и нейтронов).

Таким образом, мы получили три ато́мных ядра:

протон (протий), H=(p), с зарядом ZH = +1

дейтерий, D=(pn), с зарядом ZD = 1 + 0 = +1

тритий, T=(pnn), с зарядом ZT = 1 + 0 + 0 = +1

Не смотря на то, что эти ядра имеют разный состав, заряд у них одинаковый и равен +1.

Образование атомов. Сформированные в эпоху нуклеосинтеза ато́мные ядра имели целочисленный положительный заряд и малые размеры. За счет этого к ним по действием электромагнитного взаимодействия притягивались отрицательно заряженные электроны, формируя при этом первые атомы:

ато́мные ядра + электроны + электромагнитное взаимодействие = атомы

Электроны в атоме обращаются вокруг ядра по строго детерминированным областям пространства, характер этого обращения будет рассмотрен далее. Также, для удобства рассмотрения, мы будем принимать нуклоны как самостоятельные частицы, опуская тот факт, что они сложные объекты, состоящие из кварков. Собственно, и сами кварки нам нужно было рассмотреть только для того, чтобы понять как осуществляется связь протонов и нейтронов в ато́мное ядро.

 

Хотелось бы отметить, что несмотря на то, что окружающий нас мир построен из атомов и нам кажется, что подобное должно существовать во всех уголках необъятной Вселенной, природа преподносит нам сюрприз... Только 5% Вселенной составляют атомы, и нам с вами посчастливилось стать частью мира атомов. Остальные 95% Вселенной – это прочие частицы, сформированные в различные эпохи после Большого взрыва, а также темная материя собирательные термин для всего, что человечество пока что не в силах объяснить. 

Возьмите на заметку...

Если когда-нибудь окажетесь в Нью-Йорке, обязательно посетите American Museum of Natural History (Американский музей естественной истории), а именно планетарий Хейдена, в котором проводится Dark Universe Space Show, ведет его Нил Деграсс Тайсон – выдающийся астрофизик. В ходе представления на 3D куполе вас познакомят с достижениями современной науки в сфере исследования космоса, расскажут как именно люди узнали о том, что в момент зарождения нашей Вселенной прогремел «Большой взрыв», а также многое другое. Ну и, конечно, вы получите массу незабываемых впечатлений от технических возможностей планетария Хейдена.

1.2.2. Строение атома 

Как мы уже узнали, атомы состоят из материальных частиц (протонов, нейтронов и электронов) и фундаментальных взаимодействий (сильное и электромагнитное взаимодействия). Давайте попробуем разобраться за что отвечают отдельные составные части атомов на примере атома гелия, и начнем мы с материальной составляющей.

В таблице 1.2-2 приведены основные характеристики нуклонов и электрона.

Таблица 1.2-2: Основные характеристики протона, нейтрона и электрона

Символ

Название

Заряд

Масса

p

протон

down

нижний

n

нейтрон

up

верхний

e

электрон

strange

странный

Екатерина Жукова

Автор: Екатерина Жукова

Дата последнего обновления: 27 июня 2018 года

При копировании материалов ссылка на сайт обязательна.

Давайте быть вежливыми!

Единый Государственный Экзамен

Основной Государственный Экзамен

SAT Subject Tests Chemistry

ДВИ в МГУ им. М.В. Ломоносова

Официальный сайт

Открытый банк заданий

Демонстрационные варианты

Индивидуальные занятия и курсы подготовки к ЕГЭ

Официальный сайт

Открытый банк заданий

Демонстрационные варианты

Индивидуальные занятия и курсы подготовки к ОГЭ

Официальный сайт

Открытый банк заданий

Демонстрационные варианты

Индивидуальные занятия и курсы подготовки к сдаче ДВИ

Official website

Public resource

Demo tests

Private classes to be ready to SAT II Chemistry 

© 2014 - 2019 г, Екатерина Жукова, school-zhukova.com, vk.com/schoolzhukova, t.me/schoolzhukova, +7 977 426 64 14, посмотреть все контакты