Строение атома. Электрон. Протон. Элементарный заряд. Ионы

После электризации воздушный шар притягивает волосы. Мы уже умеем описывать это как изменение электрического состояния тел. Теперь сделаем следующий шаг: построим модель того, что именно меняется внутри вещества.

Сначала выдвинь гипотезу: при обычной электризации перемещаются протоны или электроны? Запиши ответ и одно объяснение до чтения следующего раздела.

Безопасность. Демонстрацию с шаром проводит учитель без контакта с волосами и лицом учащихся. При аллергии на латекс используйте нелатексный шар или фотографию опыта; держите опыт вдали от розеток и чувствительной электроники.

Атом — модель, а не фотография

Изображение выше — учебная модель с шестью протонами и шестью электронами. Окружность показывает условную границу электронной части, а не орбиту. Она помогает показать состав атома и расположение его частей. Она не является фотографией атома и не задаёт точные траектории электронов.

В центре модели находится ядро. В нём есть положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Электроны имеют отрицательный заряд и относятся к электронной части атома. На этом уроке нейтрон нужен только для полноты модели ядра: его массу, изотопы и ядерные процессы мы не рассматриваем.

Заряды протона и электрона равны по модулю, но противоположны по знаку:

$$|q_p|=|q_e|=e.$$

Элементарный заряд

Элементарным зарядом называют модуль заряда протона или электрона. Его точное значение в СИ:

$$e=1{,}602\,176\,634\cdot10^{-19}\ \text{Кл}.$$

В школьных расчётах обычно используют округление:

$$e\approx1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{Кл}.$$

Важно: символ $e$ обозначает положительный модуль. Поэтому знак частицы записывают отдельно: у протона $+e$, у электрона $-e$.

Собери нейтральный атом

Возьми красные жетоны за протоны, синие — за электроны. Выбери число протонов $N_p$, а затем добавь столько электронов, чтобы $N_e=N_p$.

Если число протонов равно числу электронов, положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга:

$$N_p=N_e,\qquad q=0.$$

Такую частицу называют электрически нейтральным атомом. Слово «нейтральный» не означает, что внутри нет зарядов. Заряды есть, но их алгебраическая сумма равна нулю.

Что произойдёт при потере электрона

Пересчитай синие кружки на трёх рисунках: их 6, 5 и 7. Во всех случаях ядро содержит 6 протонов. Сначала предскажи знак заряда после удаления и после добавления одного электрона. Затем сверь рассуждение.

Пусть в нейтральной модели $N_p=6$ и $N_e=6$. Уберём один электрон, не меняя ядро. Теперь $N_p=6$, а $N_e=5$. Положительных элементарных зарядов на один больше:

$$N_p-N_e=6-5=+1,$$ $$q=+e.$$

Частица с положительным суммарным зарядом называется положительным ионом. Она не «получила положительный протон» — она потеряла электрон.

Что произойдёт при присоединении электрона

Вернёмся к той же нейтральной модели и добавим один электрон. Ядро по-прежнему содержит шесть протонов, но теперь электронов семь:

$$N_p-N_e=6-7=-1,$$ $$q=-e.$$

Частица с отрицательным суммарным зарядом называется отрицательным ионом. Она приобрела лишний электрон.

Рабочее правило

В нашей модели суммарный заряд равен разности числа протонов и электронов, умноженной на элементарный заряд:

$$q=(N_p-N_e)e,$$

где $N_p$ — число протонов, $N_e$ — число электронов, $e$ — элементарный заряд.

Сначала вычисляй разность $N_p-N_e$. Её знак сразу показывает состояние:

• если $N_p-N_e=0$, частица нейтральна;
• если $N_p-N_e>0$, это положительный ион;
• если $N_p-N_e<0$, это отрицательный ион.

Пример 1. Нейтральная частица

Дано: $N_p=4$, $N_e=4$.

$$q=(4-4)e=0.$$

Это нейтральный атом.

Пример 2. Положительный ион

Дано: $N_p=8$, $N_e=6$.

$$q=(8-6)e=+2e.$$

В кулонах:

$$q=2\cdot1{,}6\cdot10^{-19}=3{,}2\cdot10^{-19}\ \text{Кл}.$$

Частица потеряла два электрона по сравнению с нейтральным состоянием с тем же ядром.

Пример 3. Отрицательный ион

Дано: $N_p=3$, $N_e=5$.

$$q=(3-5)e=-2e=-3{,}2\cdot10^{-19}\ \text{Кл}.$$

Частица имеет два дополнительных электрона.

Возвращаемся к электризации тел

При обычной электризации тел перемещаются электроны. Ядра и протоны остаются в веществе. Если тело получает избыток электронов, его суммарный заряд становится отрицательным. Если тело теряет часть электронов, его суммарный заряд становится положительным.

Это утверждение не означает, что всё тело превращается в один большой ион. Мы связываем наблюдаемый заряд тела с небольшим нарушением баланса положительных и отрицательных зарядов в веществе.

Проверь модель контрольным изменением

Построй нейтральную частицу с $N_p=5$ и $N_e=5$. Затем выполни два опыта с жетонами:

1. Убери два электрона, не меняя ядро. Запиши $N_p-N_e$ и $q$.
2. Вернись к нейтральному состоянию и добавь три электрона. Снова запиши разность и заряд.

Во всех трёх состояниях отдельно подпиши, что осталось неизменным. Правильная граница вывода: менялся электронный баланс, а число протонов в ядре оставалось тем же.

Частые ошибки

Проверь себя

1. Где в модели атома находится протон и какой у него заряд?
2. Каков заряд электрона через элементарный заряд $e$?
3. Почему нейтральный атом содержит заряды, хотя его суммарный заряд равен нулю?
4. Что нужно изменить в нейтральном атоме, чтобы получить положительный ион?
5. Что нужно изменить, чтобы получить отрицательный ион?
6. Определи состояние и заряд частицы, если $N_p=11$, $N_e=10$.
7. Определи состояние и заряд частицы, если $N_p=9$, $N_e=12$.
8. Что именно в атомной модели остаётся неизменным при обычной электризации?

Сначала ответь без подсказки, затем сравни с разбором.

---

Ответы

1. Протон находится в ядре, его заряд $q_p=+e$.
2. Заряд электрона $q_e=-e$.
3. Число протонов равно числу электронов, поэтому положительные и отрицательные заряды компенсируются: $N_p=N_e$ и $q=0$.
4. Удалить один или несколько электронов, не меняя ядро.
5. Присоединить один или несколько электронов.
6. $q=(11-10)e=+e$; это положительный ион, потерявший один электрон относительно нейтрального состояния.
7. $q=(9-12)e=-3e$; это отрицательный ион с тремя дополнительными электронами.
8. Число протонов и состав ядра; меняется электронный баланс.

Короткий итог

• Протон имеет заряд $+e$, электрон — $-e$.
• Элементарный заряд в школьных расчётах: $e\approx1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{Кл}$.
• Нейтральный атом имеет равные числа протонов и электронов.
• Потеря электронов создаёт положительный ион, присоединение — отрицательный.
• Заряд модели: $q=(N_p-N_e)e$.
• При обычной электризации перемещаются электроны, а ядра не меняются.
• Любая схема атома в этом уроке — условная модель, а не фотография или точная траектория.

Презентация к уроку

Скачать редактируемую презентацию (PPTX)

Просмотр слайдов доступен в карточке презентации.