Как движется электрон в атоме

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Движение электронов в атомах

Движение электронов в атоме — это когда электрон в атоме находится в постоянном движении вокруг ядра. Но у такого движения отсутствует определенная траектория. Это выглядит примерно так, как показано на рисунке снизу. В каждый момент времени электрон находится в определенной точке околоядерного пространства.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Движение электронов в атомах

Электронное облако — модель движения электрона в атоме; область пространства, в каждой точке которой может находиться данный электрон. . Размер зависит от энергии электрона. Чем больше энергия электрона, тем больше по размеру его орбиталь, и тем дальше он находится от ядра.

Распределение электронов в атомах

Вспомните! Атом, молекула. Строение атома

Из курса 7 класса мы узнали, что атом является сложной системой, состоящей из ядра и электронов (рис. 1). Выясним теперь закономерности расположения электронов вокруг ядра. Число электронов равно заряду ядра атома (атомному номеру элемента). Однако
электроны притягиваются к ядру не с одинаковой силой, так как обладают различным запасом энергии и поэтому находятся на разном расстоянии от ядра.

Электроны с близкими значениями энергии располагаются на одинаковом расстоянии от ядра. Эти расстояния называются энергетическими уровнями. Их обозначают буквой n и нумеруют по мере удаления от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Значение n определяется номером периода, в котором расположен элемент. Максимальное число электро-
нов на каждом энергетическом уровне (емкость энергетического уровня)
определяется формулой где N– число электронов, n – номер
энергетического уровня. Если n = 1, N = 2; n = 4, электрона.

Электроны, расположенные ближе к ядру, сильнее притягиваются к
нему. По мере отдаления от ядра энергия связи уменьшается. Радиус r показывает удаленность каждого энергетического уровня от ядра.

Электроны заселяют пространство вокруг ядра поэтапно, образуя энергетические уровни (рис. 2). Почему так важно знать, как располагаются электроны в атоме? Потому что от строения электронных оболочек элемента зависят его физические и химические свойства (табл. 1). Потому что при непосредственном участии электронов атомов происходят образование и разрыв химических связей, т. е. протекают химические реакции. Скорость движения электрона очень велика, и определить его положение в пространстве в определенный момент времени невозможно. В одном месте пространства его можно обнаружить часто, в другом – редко. Область пространства, в которой вероятность нахождения электронов максимальна, называется электронным облаком, или орбиталью (s, p, d, f).

Форма электронных облаков различная: сферическая обозначается буквой s (s-облако); гантелеобразная – р-облако, причем р-облака ориентированы взаимно перпендикулярно вдоль трех осей x, y, z (рис. 3).

s-oблако может располагаться в пространстве симметрично точке пере-
сечения осей координат, поэтому его обозначают одной ячейкой р-облако
может располагаться вдоль трех осей x, y, z, поэтому их обозначают
или тремя ячейками На одном энергетическом уровне могут находиться электронные облака различной формы, которые образуют подуровни.
Электроны вращаются не только вокруг ядра, но и вокруг своей оси, как
Земля вокруг Солнца и своей оси.

Вращение электрона вокруг своей оси называют спином (от англ. spin – волчок). Электроны могут вращаться по часовой стрелке или против нее. На каждой орбитали могут располагаться только два разнонаправленных электрона. Поэтому при составлении электронно-графических формул атомов электроны изображают в ячейке двумя разнонаправленными стрелками

Электронное облако, энергетический уровень, электронная формула, ячейка, спин.

Электронные формулы атомов

Теперь перейдем к рассмотрению электронных формул атомов. Начнем с первого элемента в таблице Менделеева – атома водорода. У атома водорода имеется один электрон, который расположен на s-подуровне первого энергетического уровня, поэтому электронная формула атома водорода атома гелия – («один-эс-два»).
В Периодической системе атомы водорода и гелия расположены в 1-м периоде, т. е. у этих элементов запас энергии электронов одинаковый, поэтому они находятся на одном энергетическом уровне. Согласно формуле на первом энергетическом уровне могут находиться только

Следующий: литий – элемент 2-го периода. У лития имеются два энергетических уровня вокруг ядра, внутренний повторяет электронное строение атома гелия. Два его электрона находятся на первом энергетическом уровне, третий электрон – на втором. Во 2-м периоде п = 2,, т. е. Итак, на втором энергетическом уровне могут вращаться восемь электронов (табл. 2).

У атома неона второй энергетический уровень заполнен электронами, т. е.
второй слой завершен.
Такая закономерность повторяется на третьем энергетическом уровне – от натрия до аргона. У элементов этого периода строение внутренних двух уровней повторяет структуру неона (табл. 2).
У атома аргона завершается третий энергетический уровень. Элементы, у которых внешний энергетический уровень завершен, обладают инертностью.
После аргона в таблице расположен калий. У атома калия следующий электрон образует новый, четвертый энергетический уровень, а внутренние три уровня повторяют электронное строение аргона (табл. 1).

При сравнении электронной структуры элементов 2-го и 3-го периодов заметно, что число электронов на внешнем энергетическом уровне у атомов лития, натрия и калия одинаковое Такая же закономерность наблюдается у атомов бериллия, магния и кальция

Такие сходства в структурах внешних уровней наблюдаются у элементов, расположенных в одной группе, например, у фтора и хлора 7 электронов. У неона и аргона на внешних энергетических уровнях по 8 электронов.

Каждый период (кроме 1-го) начинается с щелочного металла и заканчивается инертным газом. По периодам слева направо число электронов увеличивается от 1 до 8, электроны внешнего энергетического уровня слабее притягиваются к ядру. У элементов главных (А) подгрупп электроны внешнего энергетического уровня являются валентными, т. е. определяют валентность элемента (табл. 3).

Рассмотренные 20 элементов являются элементами главных подгрупп, их очередные электроны помещаются на внешних s— и р-подуровнях, поэтому их называют s— и р-элементами.

К s-элементам относятся элементы главных подгрупп I и II группы; к р-элементам – элементы главных подгрупп III–VIII группы. Объединение элементов в одну группу объясняется одинаковым числом у них валентных электронов.

Ознакомившись с электронным строением атома, мы можем дать следующее определение периодов и групп в Периодической системе:

Периодами называются горизонтальные ряды элементов с одинаковым числом энергетических уровней, начинающиеся со щелочного металла и заканчивающиеся инертным газом (кроме 1-го периода).

Группами называются вертикальные ряды элементов с одинаковым числом валентных электронов.

Электронная формула, электронно-графическая формула, s-, р-элементы.

Лабораторный опыт №1
изготовление моделей атомов
Цель работы: изготовить модели атомов.
Оборудование: разноцветный пластилин, шаростержневые модели атомов.

Ход работы

Атомы элементов можно смоделировать с помощью разноцветного пластилина (рис. 4, 5).
Смоделируйте атомы: водорода, углерода, серы, йода, кислорода, железа. Подберите цвета пластилина или готовых шариков таким образом, чтобы цвета соответствовали простым веществам: водород –бесцветный (можно белый); углерод – черный; сера –желтая; йод – темно-красный; кислород – бесцветный (можно голубой или синий, т.к. сжиженный кислород голубого цвета); железо – серый.

Образование ионов

Вспомните! Cтроение атома, завершенный слой, электронная конфигурация элемента

После ознакомления с электронным строением атомов можно приступить к изучению способности элементов образовывать химические соединения.
Каждый период в системе заканчивается инертным газом. Как вы думаете, почему они так инертны? Для выяснения этого вопроса рассмотрим электронные структуры этих элементов. Нам известно строение атомов У всех этих газов внешние энергетические слои завершены, у гелия у остальных по 8 электронов (рис. 6).

У других элементов химическая активность определяется именно этой недостроенностью внешнего электронного слоя. Они могут завершить внешние электронные слои путем отдачи или присоединения электронов при образовании соединений (рис. 7).

Если элемент отдает электрон, он превращается в положительно заряженную частицу, а если принимает электрон — в отрицательно заряженную частицу, которые называются ионами, т. е. имеют завершенный энергетический уровень.

А это зависит от двух факторов:
1) от электронного строения атомов;
2) от радиуса атомов.
Заряды ионов пишутся арабскими цифрами сверху
над символом элемента, знак заряда указывается после
числового значения: например:

У элементов, расположенных в начале периодов, на внешней орбитали электронов мало (1–3). Поэтому они легко отдают эти электроны, принимая при этом электронное строение инертного газа, которым заканчивается предыдущий период. А у элементов, расположенных в конце периодов, число электронов на внешнем уровне больше, поэтому они легко принимают электроны. При этом они принимают конфигурацию инертного газа, которым заканчивается данный период. По периодам число электронов на внешнем электронном уровне (валентные электроны) постепенно увеличивается. Слева направо увеличиваются заряды ядер атомов. То есть в этом направлении усиливается способность принимать электрон.
Напишем формулы валентных электронов элементов III периода. Определим число неспаренных электронов и число электронов, недостающих до завершения энергетического уровня (табл.4).

Рассмотрим, как заряжаются атомы элементов при образовании соединения с изменением их электронных структур.

Для завершения внешнего слоя атому хлора недостает лишь одного электрона, поэтому он принимает один электрон от атома магния, превращаясь при этом в отрицательно заряженный ион.

А у атома магния на внешнем слое имеются два электрона, он отдает каждому атому хлора по одному электрону, т. е. требуется два атома хлора.

Как изменяются эти свойства по группам? Число валентных электронов одинаковое у элементов, расположенных в одной группе. А число электронных слоев, т. е. атомных радиусов в этом направлении, увеличивается. По этой причине усиливается способность отдать электрон внешнего уровня.

Способность элемента отдать электрон характеризует металлические а принимать — неметаллические свойства.

Для выяснения этого вопроса рассмотрим электронное строение и значения атомных радиусов элементов IA и VIIA групп (табл. 5).

По периодам слева направо металлические свойства ослабевают, неметаллические свойства постепенно усиливаются;
По группам сверху вниз усиливаются металлические свойства.

Ионы, условия образования положительно и отрицательно заряженных ионов.

Составление формул соединений

По пройденным материалам вы знаете, что атомы являются электронейтральными частицами. Потому что количество электронов, которые вращаются вокруг ядра, численно равно заряду ядра, точно так же, абсолютные значения положительно и отрицательно заряженных частиц, составляющих молекулу, будут равны. Поэтому и молекула электронейтральна.
Теперь попытаемся составить формулу обыкновенной поваренной соли. В состав этого вещества входят элементы натрий и хлор в виде ионов. А образование этих ионов вам знакомо из предыдущего параграфа. Теперь обратим внимание на числовые значения зарядов данных ионов:

При образовании иона натрия заряд ядра превышает на единицу общее количество электронов, которые вращаются вокруг ядра.

А при образовании ионов хлора, наоборот, общее количество электронов становится больше на единицу, чем заряд ядра.

При написании формул бинарных (состоящих из двух элементов) соединений мы должны придерживаться такого правила:

В молекулах бинарных соединений положительно заряженная частица
пишется (в основном) на первом месте, отрицательная – на втором.

В соединениях, состоящих из элементов металла и неметалла, частицы атомов металла всегда положительно заряжены, а неметаллы – отрицательно.
Тогда формула поваренной соли выглядит так: NaCl (хлорид натрия).
В название бинарных соединений к международному или сокращенному названию элемента добавляется окончание ид, – сульфид натрия, – оксид кремния (IV), – нитрид кремния (IV).
Далее рассмотрим составление формулы хлорида магния:

Используя правило «нулевой суммы», составим такое уравнение:
+2 + (–1)х = 0 ⇒ х = 2, следовательно, формула вещества:

І. Рассмотрим примеры составления формул и определения зарядов элементов соединений по этому способу.
Пример 1. Составьте формулу оксида трехвалентного элемента.
1. Напишем схему формулы оксида трехвалентного элемента –

2. Укажем заряды элементов в этом соединении: .
3. Находим значение наименьшего кратного абсолютных значений зарядов атомов элементов (3 · 2 = 6).
4. Разделив значение наименьшего кратного на абсолютное значение зарядов элементов, запишем их как индексы при них:
6 : 3 = 2, 6 : 2 = 3; х = 2, у = 3;
тогда формула оксида

Алгебраическая сумма зарядов элементов в соединении равна нулю.

+3 · 2 = +6; –2 · 3 = –6; +6 + (–6) = 0
II. Если дана формула вещества, можно определить заряды элементов в
соединении.

Пример 2. Определите заряд фосфора (V) в его оксиде.
1. Запишем над символом фосфора х, над кислородом –2.
2. В соответствии с вышеуказанным правилом, составляем уравнение с
одним неизвестным:
2х + 5 · (–2) = 0; 2х = +10; х = +5
заряд фосфора в его оксиде +5.

Метод «нулевой суммы»

• 1. Электроны заселяют пространство вокруг ядра поэтапно, образуя энергетические уровни.
• 2. Область пространства, в которой вероятность нахождения электронов максимальна, называется электронным облаком, или орбиталью. Формы s-облаков — сферическая, а р-облаков — гантелеобразная.
• 3. Изображение электронов в атоме с помощью электронных облаков и распределение по уровням и подуровням называется электроннографической формулой.
• 4. Если элемент отдает электрон, он превращается в положительно заряженную частицу, а если принимает электрон — в отрицательно заряженную частицу. Эти заряженные частицы называются ионами.
• 5. Алгебраическая сумма зарядов элементов в соединении равна нулю.

Услуги по химии:

1. Заказать химию
2. Заказать контрольную работу по химии
3. Помощь по химии

Лекции по химии:

1. Основные понятия и законы химии
2. Атомно-молекулярное учение
3. Периодический закон Д. И. Менделеева
4. Химическая связь
5. Скорость химических реакций
6. Растворы
7. Окислительно-восстановительные реакции
8. Дисперсные системы
9. Атомно-молекулярная теория
10. Строение атома в химии
11. Простые вещества
12. Химические соединения
13. Электролитическая диссоциация
14. Химия и электрический ток
15. Чистые вещества и смеси
16. Изменения состояния вещества
17. Атомы. Молекулы. Вещества
18. Воздух
19. Химические реакции
20. Закономерности химических реакций
21. Периодическая таблица химических элементов
22. Относительная атомная масса химических элементов
23. Химические формулы
24. Формулы веществ и уравнения химических реакций
25. Химическая активность металлов
26. Количество вещества
27. Стехиометрические расчёты
28. Энергия в химических реакциях
29. Вода
30. Необратимые реакции
31. Кинетика
32. Химическое равновесие
33. Разработка новых веществ и материалов
34. Зеленая химия
35. Термохимия
36. Правило фаз Гиббса
37. Диаграммы растворимости
38. Законы Рауля
39. Растворы электролитов
40. Гидролиз солей и нейтрализация
41. Растворимость электролитов
42. Электрохимические процессы
43. Электрохимия
44. Кинетика химических реакций
45. Катализ
46. Строение вещества в химии
47. Строение твердого тела и жидкости
48. Протекание химических реакций
49. Комплексные соединения

Лекции по неорганической химии:

1. Важнейшие классы неорганических соединений
2. Водород и галогены
3. Подгруппа кислорода
4. Подгруппа азота
5. Подгруппа углерода
6. Общие свойства металлов
7. Металлы главных подгрупп
8. Металлы побочных подгрупп
9. Свойства элементов первых трёх периодов периодической системы
10. Классификация неорганических веществ
11. Углерод
12. Качественный анализ неорганических соединений
13. Металлы и сплавы
14. Металлы и неметаллы
15. Производство металлов
16. Переходные металлы
17. Элементы 1 (1А), 2 IIA и 13 IIIA групп и соединения
18. Элементы 17(VIIA), 16(VIA) 15(VA), 14(IVA) групп и их соединения
19. Важнейшие S -элементы и их соединения
20. Важнейшие d элементы и их соединения
21. Важнейшие р-элементы и их соединения
22. Производство неорганических соединений и сплавов
23. Главная подгруппа шестой группы
24. Главная подгруппа пятой группы
25. Главная подгруппа четвертой группы
26. Первая группа периодической системы
27. Вторая группа периодической системы
28. Третья группа периодической системы
29. Побочные подгруппы четвертой, пятой, шестой и седьмой групп
30. Восьмая группа периодической системы
31. Водород
32. Кислород
33. Озон
34. Водород
35. Галогены
36. Естественные семейства химических элементов и их свойства
37. Химические элементы и соединения в организме человека
38. Геологические химические соединения

Лекции по органической химии:

1. Органическая химия
2. Углеводороды
3. Кислородсодержащие органические соединения
4. Азотсодержащие органические соединения
5. Теория А. М. Бутлерова
6. Соединения ароматического ряда
7. Циклические соединения
8. Карбонильные соединения
9. Амины и аминокислоты
10. Химия живого вещества
11. Синтетические полимеры
12. Органический синтез
13. Элементы 14(IVA) группы
14. Азот и сера
15. Растворы кислот и оснований

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.

© «Брильёнова Наталья Валерьевна»

Как в одном атоме умещается вся физика

Большинство людей, представляя себе атом, рисуют в воображении небольшое ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого двигаются один или несколько электронов. Это представление основано на интерпретации квантовой механики, основанной на частицах. Но для описания атомов в стандартных условиях его недостаточно.

Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, вам только и нужно, что допрашивать её, пока она не выдаст ответы в такой форме, в какой вы сможете их понять. При взаимодействии двух квантов энергии – будь то частицы или античастицы, массивные они или безмассовые, фермионы или бозоны – его результат в принципе может рассказать вам о правилах и законах, которым подчиняется эта система. Если мы будем знать о всех возможных вариантах результатов любого взаимодействия, включая их относительные вероятности – только тогда мы сможем говорить о том, что понимаем, что происходит.

Удивительно, но всё, что мы знаем о Вселенной, можно так или иначе привязать к самой скромной из всех известных нам сущностей: к атому. Атом – это мельчайшая единица материи, всё ещё сохраняющая уникальные характеристики макроскопического мира, такие, как физические и химические свойства. И при этом это фундаментально квантовая сущность, со своими уровнями энергии, свойствами и законами сохранения. Более того, этот непримечательный атом связан со всеми четырьмя известными фундаментальными взаимодействиями. В единственном атоме на самом деле можно увидеть всю физику. И вот, что она может рассказать нам о Вселенной.

От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 10 28 атомов.

Здесь на Земле существует около 90 элементов, появившихся естественным путём – в результате протекания создавших их космических процессов. По сути, элемент – это атом, чьё ядро состоит из протонов, (и возможно) нейтронов. Вокруг ядра находятся несколько электронов, чьё количество равно количеству протонов. У каждого элемента есть свой набор свойств, среди которых:

• твёрдость,
• цвет,
• температура плавления и кипения,
• плотность (количество массы на объём),
• проводимость (насколько легко электронам двигаться при появлении электрического напряжения),
• электроотрицательность (насколько сильно атомное ядро держится за электроны, будучи в связке с другими атомами),
• энергия ионизации (сколько энергии требуется на выбивание электрона),

Разнообразие атомов и управляющие движущимися по орбите вокруг ядер электронами – идентичными частицами — квантовые правила позволяют без преувеличения сказать, что всё под Солнцем состоит из атомов – в том или ином виде.

Атомным и молекулярным комбинациям несть числа. Но конкретные комбинации этих составляющих, присущие определённому материалу, определяют его свойства. Принято считать, что алмазы – это самое твёрдое вещество на Земле, но на самом деле это и не самый прочный материал в принципе, и не самый прочный из природных материалов. На сегодня известно уже шесть более прочных материалов, и ожидается, что их количество будет только расти.

Каждый атом с уникальным набором протонов в ядре формирует уникальные связи с другими атомами, благодаря чему типов молекул, ионов, солей и более крупных структур может быть почти бесконечное количество. Друг на друга субатомные частицы воздействуют в основном при помощи электромагнитных сил. В итоге со временем формируются макроскопические структуры, которые мы наблюдаем не только на Земле, но и по всей Вселенной.

Общим свойством всех атомов является наличие у них массы. И чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем больше масса атома. И хотя это квантовые сущности, а диаметр одного атома не превышает одного ангстрема, дальность действия гравитации ничем не ограничена. Любой объект, обладающий энергией– включая и энергию покоя, придающую частицам массу – будет искривлять ткань пространства-времени согласно общей теории относительности Эйнштейна. Какой бы малой масса не была, каким бы ни было малым расстояние, кривизна пространства-времени, вызванная любым количеством атомов — будь то 10 57 атомов в звезде, 10 28 атомов в человеческом теле, или один атом гелия – будет происходить точно в соответствии с ОТО.

Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы. Искривление пространства из-за гравитационного воздействия Земли – это один из способов визуализации гравитации, и фундаментальное отличие общей теории относительности от специальной.

Также в атомах есть электрически заряженные частицы. Протонам присущ положительный электрический заряд; нейтроны нейтральны; заряд электронов равен по величине и противоположен по знаку заряду протонов. Все протоны с нейтронами связаны в атомном ядре диаметром всего в 10 -15 м (фемтометр), а электроны находятся в облаке в 100 000 раз большего размера. Каждый электрон находится на своём уникальном энергетическом уровне, и может переходить с уровня на уровень только с дискретным изменением энергии.

Это примечательно по двум причинам. Во-первых, когда один атом приближается к другому (или к группе атомов), они могут взаимодействовать. На квантовом уровне их волновые функции могут накладываться, и атомы связываются вместе в молекулы, ионы и соли. У этих связных структур есть свои уникальные формы и конфигурации электронных облаков. Соответственно, у них есть свои уникальные уровни энергии, поглощающие и испускающие фотоны только с определёнными длинами волн.

Атомные электронные переходы в атоме водорода и длины волн возникающих фотонов демонстрируют энергию связей и взаимоотношение электрона и протона в квантовой физике.

Эти электронные переходы в атоме или группе атомов уникальны: они свои для каждого атома или конфигурации из группы атомов. Обнаружив спектральные линии атома или молекулы – неважно, поглощения или испускания – можно сразу же сказать, что это за атом или молекула. Внутренние электронные переходы согласуются с уникальным набором энергетических уровней, и переходы электронов недвусмысленно свидетельствуют о типе и конфигурации атома/атомов.

По всей Вселенной атомы и молекулы подчиняются одним и тем же правилам: законам классической и квантовой электродинамики, управляющими всеми заряженными частицами. Даже внутри самого атомного ядра, состоящего из обладающих зарядом кварков и глюонов без электрического заряда, электромагнитные связи играют важнейшую роль. Эта внутренняя структура объясняет, почему магнитный момент протона почти в три раза сильнее магнитного момента электрона (и имеет противоположный знак), а у нейтрона магнитный момент почти в два раза больше, чем у электрона, и имеет тот же знак.

У самого низкого энергетического уровня водорода (1S) слева вверху очень плотное вероятностное электронное облако. У более высоких энергетических уровней облака похожи, но имеют более сложную структуру. Для первого возбужденного состояния есть две независимых конфигурации: 2S и 2P, у которых из-за почти неуловимого эффекта получаются разные энергетические уровни.

Хотя электрическое взаимодействие работает на довольно больших расстояниях – на самом деле, как и у гравитации, у него тоже нет никаких ограничений – электрическая нейтральность атома в целом играет невероятно важную роль в понимании поведения всей Вселенной. Электромагнитное взаимодействие невероятно сильно – два протона отталкиваются с силой, в 10 36 раз превышающей их гравитационное притяжение!

Но поскольку привычные нам макроскопические объекты состоят из такого количества атомов, и поскольку атомы сами по себе электрически нейтральны, мы что-то замечаем, только если:

• у объекта имеется электрический заряд, как у заряженного электроскопа,
• когда заряд перетекает с места на места, как при ударе молнии,
• когда заряды разделяются, создавая электрический потенциал, как в аккумуляторе.

Если потереть два разных материала, к примеру, ткань и пластик, можно перенести заряды с одного на другой, в результате чего оба объекта окажутся заряженными.

На классическом и квантовом уровнях в атоме закодировано огромное количество информации, связанное с электромагнитными взаимодействиями, при этом «классической» (не квантовой) ОТО достаточно для объяснения когда-либо встреченных нами атомных и субатомных взаимодействий. Если забраться в атом ещё глубже, вовнутрь протонов и нейтронов, можно раскрыть природу и свойства оставшихся фундаментальных взаимодействий: слабого и сильного.

Опускаясь на фемтометровые масштабы, сначала вы начнёте замечать влияние сильного взаимодействия. Впервые оно проявляется между разными нуклонами – протонами и нейтронами, из которых состоит любое ядро. Электрическое взаимодействие между двумя нуклонами либо отталкивает их (заряды протонов одинаковые), либо не возникает (зарядов у нейтронов нет). Но на малых расстояниях работает взаимодействие, ещё более сильное, чем электромагнитное: сильное взаимодействие, работающее между кварками через обмен глюонами. Разные протоны и нейтроны могут обмениваться парами кварков-антикварков – мезонами – это связывает их в ядре, и при подходящей конфигурации преодолевает силу электромагнитного отталкивания.

Отдельные фотоны и нейтроны не обладают «цветом», а содержащиеся внутри них кварки – обладают. Обмен глюонами может происходить не только внутри протона или нейтрона, но и между протонами и нейтронами, благодаря чему возникают связи внутри ядра.

В глубине атомного ядра сильное взаимодействие проявляет себя по-другому: отдельные кварки постоянно обмениваются глюонами. Кроме гравитационного заряда (массы) и электромагнитного заряда, присущего материи, есть ещё и заряд, характерный для кварков и глюонов: цветной. Они не просто всегда притягиваются, как гравитация, или обладают двумя зарядами, которые могут отталкиваться или притягиваться, как электрические. У них есть три независимых цвета – красный, зелёный и синий – и три антицвета. Встречаются они только в «бесцветной» комбинации, в которой комбинируются все три цвета (или антицвета), или же сочетаются комбинации цвет-антицвет.

Удерживает протоны и нейтроны в целости обмен глюонами – в особенности, когда кварки отдаляются, и сильное взаимодействие увеличивается. Чем больше энергии вы можете передать через столкновение с субатомными частицами, тем больше кварков, антикварков и глюонов сможете увидеть. Похоже на то, будто бы внутренности протона заполнены целым морем частиц, и чем сильнее его бить, тем более липкими они становятся. Углубляясь на величину максимальной доступной нам энергии, мы всё равно не видим ограничения на плотность этих субатомных частиц внутри атомных ядер.

Протон – это не просто три кварка с глюонами. Это целое море плотных частиц и античастиц. Чем подробнее мы изучаем протон, чем больше энергии тратим на неупругие столкновения, тем больше внутренней структуры мы в нём находим.

Но не всякий атом способен вечно жить в стабильной конфигурации. Многие атомы испытывают радиоактивный распад – рано или поздно испускают на одну или несколько частиц, что фундаментально меняет их свойства. Самый распространённый вид распада – альфа-распад, при котором нестабильный атом выплёвывает ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Второй по распространённости тип – бета-распад, при котором атом выплёвывает электрон и антиэлектронное нейтрино, а один из нейтронов ядра превращается в протон.

Для этого требуется ещё одна новая сила: слабое ядерное взаимодействие. Зависит оно от своего типа заряда – слабого, представляющего собой комбинацию слабого гиперзаряда и слабого изоспина. Слабый заряд оказалось чрезвычайно сложно измерить, поскольку слабое взаимодействие в миллионы раз слабее сильного или электромагнитного – пока вы не перейдёте на чрезвычайно малые масштабы, типа 0,1% диаметра протона. Слабое взаимодействие можно наблюдать в подходящем атоме, готовом к бета-распаду. Получается, что все четыре фундаментальных взаимодействия можно прозондировать, просто изучая атом.

Схематичное изображение бета-распада массивного атомного ядра. Нейтрон превращается в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняются энергия и импульс.

Из этого следует нечто примечательное: если взять любую частицу Вселенной, даже пока не открытую, но подверженную одному из этих взаимодействий, она также будет взаимодействовать и с атомами. Через взаимодействия с частицами, находящимися внутри ничем не примечательного атома, мы открыли огромное количество частиц – в том числе, всяческие типы нейтрино и антинейтрино. Атом – это и то, из чего мы состоим, и окно в истинную природу материю.

Чем глубже мы заглядываем в строительные кирпичики материи, тем лучше мы понимаем и природу самой Вселенной. Только допрашивая Вселенную на предмет того, каким правилам подчиняются все частицы и античастицы, и как они связываются друг с другом, мы можем разобраться в её устройстве. И пока наука и технология, подвластные нам, позволяют зарываться всё глубже, обидно было бы отказываться от исследований только потому, что они не могут гарантировать нам какое-нибудь новое революционное открытие. Единственное, что известно точно: если мы не будем зарываться глубже, мы так ничего и не найдём.

• атом
• фундаментальные взаимодействия
• электромагнитное
• слабое
• сильное
• гравитационное

• Научно-популярное
• Физика