Строение атома

Строение атома лежит в основе большинства методов, используемых в рентгенологии, поэтому общее понимание структуры атома имеет важное значение. Атом — это наименьшая составная единица химического элемента, которая сохраняет его химические свойства.

Ниже представлен упрощенный обзор строения атома.

Ядро

Строение атома в классической физике — это главным образом «пустое пространство»; относительные размеры ядра/атома составляют 10 m (1 фемтометр) и 10 m (1 ангстрем). Его масса сосредоточена в центральном ядре, которое состоит из определенного числа нуклонов. Нуклоны — это либо протоны, либо нейтроны, а общее число нуклонов обозначается символом A (также известным как массовое число). Общее число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается символом Z (в атомной физике символы A и Z всегда выделяются курсивом). Протонам и нейтронам приписывается относительная масса, равная единице.

• A (массовое число): общее число нуклонов = протоны + нейтроны

• Z (атомный номер): число протонов

Протоны и нейтроны не являются элементарными частицами; каждый из них состоит из кварков (трёх) и глюонов. Два верхних кварка и один нижний кварк образуют протон; два нижних кварка и один верхний кварк образуют нейтрон. Протоны заряжены положительно; нейтроны не имеют заряда (в частности, алгебраическая сумма электрических зарядов их составных частей равна нулю). 

Может существовать множество различных конфигураций ядра. В каждом случае атомный номер определяет элемент, то есть именно число протонов определяет, что атом (имеющий 6 протонов) является углеродом. Однако для одного и того же элемента может существовать более одного нуклида, например, углерод может существовать с шестью нейтронами (C) или восемью (C); такие атомы одного и того же элемента с различным числом нейтронов называются изотопами: в каждом случае в них по-прежнему шесть протонов.

Орбитальные электроны

Вокруг положительно заряженного ядра обращается облако электронов, которые имеют пренебрежимо малую массу и отрицательный заряд. Чтобы элемент имел нейтральный суммарный заряд, количество электронов должно быть равно числу протонов в ядре.

В классической физике электроны обращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца (модель Резерфорда — Бора). Они движутся по одной из «оболочек», окружающих ядро: они обозначаются как K, L, M, N и т. д. по направлению от центра наружу. Число электронов, которое может содержать каждая оболочка, равно 2n (где n — номер оболочки).

Для первых трех «оболочек»:

• K: 2 электрона

• L: 8 электронов

• M: 18 электронов

В каждом атоме самая внешняя оболочка называется валентной оболочкой и может быть заполнена лишь частично. Она играет ключевую роль в формировании свойств атома. Самая внутренняя оболочка заполняется первой, так как она обладает наименьшей энергией, и должна быть заполнена полностью перед тем, как начнет заполняться следующая наружная оболочка.

NB: согласно квантовой теории в настоящее время известно, что электроны находятся не на «оболочках», а занимают определённые энергетические уровни, то есть квантованы, однако для целей Radiopaedia упрощённой оболочечной модели вполне достаточно.

История и этимология

Первым «учёным», который хотя бы теоретически рассмотрел внутреннее строение материи, был древнегреческий философ Демокрит в V веке до н. э. Он предположил существование атома (от греческого слова, означающего «неделимый», «неразрушимый») как частицы материи, которая не может быть разделена далее.