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. 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

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.