Почему атомы всегда содержат одинаковое количество электронов и протонов?
На самом деле атомы не всегда содержат одинаковое количество электронов и протонов, хотя это состояние распространено. Когда атом имеет равное количество электронов и протонов, он имеет равное количество отрицательных электрических зарядов (электронов) и положительных электрических зарядов (протонов).
Таким образом, общий электрический заряд атома равен нулю, и говорят, что атом нейтрален. Напротив, когда атом теряет или приобретает электрон (или в более редком случае потери или приобретения протона, что требует ядерной реакции), общие заряды в сумме дают нечто отличное от нуля. Тогда говорят, что атом электрически заряжен или «ионизирован».
Существует большая разница между нейтральным состоянием и ионизированным состоянием. В нейтральном состоянии атом имеет слабое электромагнитное притяжение к другим атомам. Обратите внимание, что электрическое поле нейтрального атома слабое, но не равно нулю, потому что атом не является точечной частицей. Если другой атом окажется достаточно близко к атому, они могут начать обмениваться электронами. Химически говоря, атомы образовали связи.
В отличие от нейтральных атомов поле ионизированного атома сильное даже на больших расстояниях. Сильное электрическое поле ионов заставляет их сильно притягиваться к другим атомам и молекулам, вплоть до высокой химической активности. Ионизированные атомы могут быть свободными радикалами, то есть атомами с оборванной связью, обладающими высокой реакционной способностью.
В организме человека свободные радикалы могут реагировать с ДНК, приводя к мутациям и, возможно, раку. Атомы становятся ионизированными, когда свет с достаточной энергией выбивает часть их электронов. Только световые волны на частотах рентгеновских и гамма-лучей обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать атомы и, следовательно, привести к раку.
Только определенные частоты вызывают рак, поэтому вы можете пользоваться своим мобильным телефоном столько, сколько хотите, но вы можете сделать рентгеновский снимок только в редких случаях. Свободные радикалы возникают естественным образом в вашем организме. Они становятся опасными только тогда, когда свободных радикалов больше, чем может выдержать ваше тело.
Но не все ионы в организме плохие. Из-за заряженной природы ионов человеческое тело использует их для передачи электрических сигналов по нервам. Организм также использует ионы для контроля уровня жидкости и артериального давления.
Наиболее часто используемыми ионами в организме человека являются натрий, калий, кальций, магний и хлорид. Ионы также образуются всякий раз, когда вы электростатически заряжаете объект, например, когда вы трете воздушный шарик о волосы.
Когда одежда трется в машине, электроны перебрасываются с одного атома на другой. Результатом является слишком знакомое статическое прилипание. Электричество и сильные электрические поля хорошо справляются с созданием ионов (вспомните молнию).
Нейтральное состояние атома обычно является наиболее стабильной конфигурацией (если только молекулярные связи и химическое окружение не усложняют картину), поэтому ионы имеют тенденцию разряжаться и со временем возвращаться в свое нейтральное состояние.
Причина здесь в том, что атом, будучи ионом, имеет сильное электрическое поле, которое притягивает нужный электрон или нужный атом, чтобы забрать свой лишний электрон. Но как только атом становится нейтральным, он имеет равное количество электронов и протонов, у него слабое поле, и поэтому у него мало возможностей измениться.