Atom

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Porównawcza wielkość atomu helu i jego jądra

Atom (od starożytnej greki ἄτομος „niepodzielny [1] , nie cięty [2] ”) to cząstka materii o mikroskopijnej wielkości i masie, najmniejsza część pierwiastka chemicznego , będącego nośnikiem jego właściwości [1] [3 ] ] .

Atomy składają się z jądra i elektronów (a dokładniej z elektronicznej „chmury” ). Jądro atomu składa się z protonów i neutronów . Liczba neutronów w jądrze może być różna: od zera do kilkudziesięciu. Jeśli liczba elektronów pokrywa się z liczbą protonów w jądrze, to atom jako całość jest elektrycznie obojętny. W przeciwnym razie ma pewien ładunek dodatni lub ujemny i jest nazywany jonem [1] . W niektórych przypadkach atomy są rozumiane jedynie jako układy elektrycznie obojętne, w których ładunek jądrowy jest równy całkowitemu ładunkowi elektronów, przeciwstawiając je tym samym elektrycznie naładowanym jonom [3] [4] .

Jądro, w którym znajduje się prawie cała (ponad 99,9%) masa atomu, składa się z dodatnio naładowanych protonów i nienaładowanych neutronów , połączonych silnymi oddziaływaniami . Atomy są klasyfikowane według liczby protonów i neutronów w jądrze: liczba protonów Z odpowiada liczbie porządkowej atomu w układzie okresowym Mendelejewa i określa jego przynależność do pewnego pierwiastka chemicznego oraz liczbę neutronów N - do pewnego izotopu tego pierwiastka. Jedynym stabilnym atomem, który nie zawiera neutronów w swoim jądrze, jest lekki wodór ( prot ). Liczba Z określa również całkowity dodatni ładunek elektryczny ( Z × e ) jądra atomowego oraz liczbę elektronów w obojętnym atomie, która determinuje jego wielkość [5] .

Atomy różnych typów w różnych ilościach, połączone wiązaniami międzyatomowymi , tworzą cząsteczki .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Krótki przegląd różnych rodzin cząstek elementarnych i złożonych oraz teorie opisujące ich interakcje . Cząstki elementarne po lewej stronie to fermiony , po prawej bozony . ( Warunki - hiperłącza do artykułów VP )

Historia powstawania koncepcji

Pojęcie atomu jako najmniejszej niepodzielnej części materii zostało po raz pierwszy sformułowane przez starożytnych indyjskich i starożytnych greckich filozofów (patrz: atomizm ). W XVII i XVIII wieku chemikom udało się eksperymentalnie potwierdzić tę ideę, wykazując, że niektórych substancji nie można dalej rozłożyć na elementy składowe metodami chemicznymi. Jednak pod koniec XIX i na początku XX wieku fizycy odkryli cząstki subatomowe i złożoną strukturę atomu i stało się jasne, że prawdziwa cząstka, której nadano nazwę atomu, nie jest tak naprawdę niepodzielna.

Na międzynarodowym kongresie chemików w Karlsruhe (Niemcy) w 1860 r. przyjęto definicje pojęć cząsteczki i atomu. Atom to najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego wchodząca w skład substancji prostych i złożonych.

Modele atomów

  • Kawałki materii . Demokryt uważał, że właściwości substancji są determinowane przez kształt , masę i inne cechy tworzących ją atomów. Więc powiedzmy, ogień ma ostre atomy, więc ogień może się palić,ciała stałe są szorstkie, więc mocno do siebie przylegają, woda jest gładka, więc może płynąć. Nawet dusza ludzka , według Demokryta, składa się z atomów. [6]
  • Model atomowy Thomsona z 1904 r. (Model budyniu z rodzynkami). JJ Thomson zaproponował rozważenie atomu jako dodatnio naładowanego ciała z elektronami w środku. Zostało to ostatecznie obalone przez Rutherforda po jego słynnym eksperymencie dotyczącym rozpraszania cząstek alfa .
  • Wczesny model planetarny atomu Nagaoka . W 1904 roku japoński fizyk Hantaro Nagaoka zaproponował model atomu zbudowany przez analogię z planetą Saturn . W tym modelu elektrony połączone w pierścienie krążą wokół małego dodatniego jądra na orbitach. Model okazał się błędny.
  • Planetarny model atomu Bohra-Rutherforda . W 1911 [7] Ernest Rutherford, po wykonaniu serii eksperymentów, doszedł do wniosku, że atom jest pozorem układu planetarnego, w którym elektrony poruszają się po orbitach wokół ciężkiego dodatnio naładowanego jądra znajdującego się w centrum atomu (" Model atomu Rutherforda"). Jednak taki opis atomu wchodził w konflikt z klasyczną elektrodynamiką . Faktem jest, że zgodnie z klasyczną elektrodynamiką elektron poruszający się z przyspieszeniem dośrodkowym musi emitować fale elektromagnetyczne i w konsekwencji tracić energię . Obliczenia wykazały, że czas potrzebny na opadnięcie elektronu w takim atomie do jądra jest absolutnie pomijalny. Aby wyjaśnić stabilność atomów, Niels Bohr musiał wprowadzić postulaty , które sprowadzały się do tego, że elektron w atomie, będąc w pewnych specjalnych stanach energetycznych, nie promieniuje energią („model atomu Bohra-Rutherforda”). Konieczność wprowadzenia postulatów Bohra była konsekwencją uświadomienia sobie, że mechaniki klasycznej nie da się opisać atomu. Dalsze badania promieniowania atomu doprowadziły do ​​powstania mechaniki kwantowej , która pozwoliła wyjaśnić przytłaczającą większość zaobserwowanych faktów.

Kwantowy model mechaniczny atomu

Współczesny model atomowy jest rozwinięciem modelu planetarnego Bohra-Rutherforda. Zgodnie z obecnym modelem jądro atomu składa się z dodatnio naładowanych protonów i bezładunkowych neutronów i jest otoczone ujemnie naładowanymi elektronami . Jednak koncepcje mechaniki kwantowej nie pozwalają na założenie, że elektrony poruszają się wokół jądra po dowolnych, określonych trajektoriach ( niepewność współrzędnych elektronu w atomie może być porównywalna z wymiarami samego atomu).

Chemiczne właściwości atomów są określone przez konfigurację powłoki elektronowej i opisane przez mechanikę kwantową . Pozycja atomu w układzie okresowym zależy od ładunku elektrycznego jego jądra (czyli liczby protonów), podczas gdy liczba neutronów nie wpływa zasadniczo na właściwości chemiczne; w tym przypadku z reguły w jądrze jest więcej neutronów niż protonów (patrz: jądro atomowe ). Jeśli atom jest w stanie neutralnym, to liczba znajdujących się w nim elektronów jest równa liczbie protonów. Większość atomu jest skoncentrowana w jądrze, a udział masowy elektronów w całkowitej masie atomu jest nieznaczny (kilka setnych procenta masy jądra).

Masę atomu mierzy się zwykle w jednostkach masy atomowej (daltonach), równych 1 12 masy atomu stabilnego izotopu węgla 12 C.

Struktura atomowa

Cząstki elementarne

Chociaż słowo atom w swoim pierwotnym znaczeniu oznaczało cząstkę, która nie dzieli się na mniejsze części, zgodnie z naukowymi ideami składa się ona z mniejszych cząstek zwanych cząstkami subatomowymi . Atom składa się z elektronów , protonów , wszystkie atomy oprócz wodoru-1 zawierają również neutrony .

Elektron jest najlżejszą z cząstek tworzących atom o masie 9,11⋅10 −31 kg , ładunku ujemnym i rozmiarze zbyt małym, aby można go było zmierzyć nowoczesnymi metodami.[8] Doświadczenia dotyczące ultraprecyzyjnego wyznaczania momentu magnetycznego elektronu ( Nagroda Nobla 1989) pokazują, że rozmiar elektronu nie przekracza 10 −18 m [9] [10] .

Protony mają ładunek dodatni i są 1836 razy cięższe od elektronu (1,6726⋅10 -27 kg). Neutrony nie mają ładunku elektrycznego i są 1839 razy cięższe od elektronu (1,6749⋅10 -27 kg). [jedenaście]

W tym przypadku masa jądra jest mniejsza niż suma mas wchodzących w jego skład protonów i neutronów ze względu na zjawisko defektu masy . Neutrony i protony mają porównywalne wielkości , o 2.5⋅10 -15 m , chociaż rozmiary tych cząstek słabo określone. [12]

W standardowym modelu cząstek elementarnych zarówno protony, jak i neutrony składają się z cząstek elementarnych zwanych kwarkami . Kwarki są obok leptonów jednym z głównych składników materii. Zarówno pierwszy jak i drugi to fermiony . Istnieje sześć rodzajów kwarków, z których każdy ma ułamkowy ładunek elektryczny równy + 2 3 lub (- 1 3 ) elementarny . Protony składają się z dwóch kwarków u i jednego kwarka d , natomiast neutron z jednego kwarka u i dwóch kwarków d . Ta różnica wyjaśnia różnicę w masach i ładunkach protonu i neutronu. Kwarki są połączone silnymi oddziaływaniami jądrowymi , które są przenoszone przez gluony . [13] [14]

Elektrony w atomie

Opisując elektrony w atomie w ramach mechaniki kwantowej , zwykle bierze się pod uwagę rozkład prawdopodobieństwa w przestrzeni trójwymiarowej dla układu n elektronów.

Elektrony w atomie są przyciągane do jądra, a interakcja kulombowska działa również między elektronami. Te same siły utrzymują elektrony wewnątrz potencjalnej bariery otaczającej jądro. Aby elektron mógł przezwyciężyć przyciąganie jądra, musi otrzymać energię z zewnętrznego źródła. Im bliżej jądra znajduje się elektron, tym więcej energii jest do tego potrzebne.

Elektrony, podobnie jak inne cząstki, charakteryzują się dualizmem falowo-cząsteczkowym . Czasami mówi się, że elektron porusza się po orbicie , co nie jest prawdą. Stan elektronów jest opisany funkcją falową , której kwadrat modułu charakteryzuje gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstek w danym punkcie przestrzeni w określonym czasie lub, w ogólnym przypadku, operatorem gęstości . Istnieje dyskretny zbiór orbitali atomowych , które odpowiadają stacjonarnym czystym stanom elektronów w atomie.

Każdy orbital ma swój własny poziom energii . Elektron w atomie może przejść na wyższy poziom energii, gdy dany atom zderzy się z innym atomem, elektronem, jonem lub poprzez pochłonięcie fotonu o odpowiedniej energii. Przechodząc na niższy poziom elektron oddaje energię emitując foton lub przenosząc energię na inny elektron (przejście niepromieniste, zderzenia drugiego rodzaju). Podobnie jak w przypadku absorpcji, w przejściu radiacyjnym energia fotonów jest równa różnicy energii elektronów na tych poziomach (patrz: postulaty Bohra ). Częstotliwość emitowanego promieniowania ν jest związana z energią fotonu E zależnością E = hν , gdzie h jest stałą Plancka .

Właściwości atomu

Z definicji do tego samego pierwiastka chemicznego należą dwa dowolne atomy o tej samej liczbie protonów w swoich jądrach. Atomy o tej samej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami danego pierwiastka. Na przykład atomy wodoru zawsze zawierają jeden proton, ale istnieją izotopy bez neutronów ( wodór-1 , czasami nazywany również protem - najczęstsza forma), z jednym neutronem ( deuter ) i dwoma neutronami ( tryt ). [15] Znane pierwiastki tworzą ciągłą naturalną serię liczby protonów w jądrze, zaczynając od atomu wodoru z jednym protonem i kończąc na atomie oganesona w jądrze 118, który jest protonem. [16] Wszystkie izotopy pierwiastków układu okresowego , począwszy od numeru 83 ( bizmut ), są promieniotwórcze . [17] [18]

Waga

Ponieważ największy udział w masie atomu mają protony i neutrony, całkowita liczba tych cząstek nazywana jest liczbą masową . Masa spoczynkowa atomu jest często wyrażana w jednostkach masy atomowej ( amu ), która jest również nazywana daltonem (tak). Ta jednostka jest zdefiniowana jako 1/12 masy spoczynkowym obojętnym atomem węgla-12 , która jest w przybliżeniu równa 1.66⋅10 -24 g. [19] Wodór-1 jest najlżejszym izotopy wodoru i atom z najmniejsza masa, ma masę atomową około 1 007825 a. np. [20] Masa atomu jest w przybliżeniu równa iloczynowi liczby masowej na atomową jednostkę masy [21] Najcięższym stabilnym izotopem jest ołów-208 [17] o masie 207.9766521 amu. np. [22]

Ponieważ masy nawet najcięższych atomów w konwencjonalnych jednostkach (na przykład w gramach) są bardzo małe, mole są używane do pomiaru tych mas w chemii. Jeden mol dowolnej substancji z definicji zawiera taką samą liczbę atomów (około 6,022⋅10 23 ). Liczba ta ( liczba Avogadro ) jest dobrana w taki sposób, że jeśli masa pierwiastka wynosi 1 amu. np. wtedy mol atomów tego pierwiastka będzie miał masę 1 g. Na przykład węgiel ma masę 12 amu. np. 1 mol węgla waży 12 g [19]

Rozmiar

Atomy nie mają wyraźnie określonej granicy zewnętrznej, więc o ich wielkości decyduje odległość między jądrami identycznych atomów, które utworzyły wiązanie chemiczne ( promień kowalencyjny ) lub odległość do najdalszej stabilnej orbity elektronowej w powłoce elektronowej tego atom ( promień atomu ). Promień zależy od pozycji atomu w układzie okresowym, rodzaju wiązania chemicznego, liczby pobliskich atomów ( liczba koordynacyjna ) oraz właściwości mechaniki kwantowej znanej jako spin . [23] W układzie okresowym, rozmiar atomu zwiększa się przy przechodzeniu od góry do dołu kolumny i maleje przy przechodzeniu wzdłuż rzędu od lewej do prawej. [24] W związku z tym najmniejszym atomem jest atom helu o promieniu 32 μm , a największym atom cezu (225 μm). [25] Wymiary te są tysiące razy mniejsze niż długość fali światła widzialnego (400-700 nm ), więc atomów nie da się zobaczyć pod mikroskopem optycznym . Jednak poszczególne atomy można obserwować za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego .

Małość atomów ilustrują następujące przykłady. Ludzki włos jest milion razy grubszy niż atom węgla. [26] Jedną kroplę wody zawiera 2 sextillion (2⋅10 21) tlenu, węgla i dwa razy więcej atomów wodoru . [27] Jeden karat diamentu ważącego 0,2 g składa się z 10 sekstylionów atomów węgla . [28] Gdyby jabłko można było powiększyć do rozmiarów Ziemi , to atomy osiągnęłyby pierwotny rozmiar jabłka. [29]

Naukowcy z Instytutu Fizyki i Technologii w Charkowie zaprezentowali pierwsze w historii nauki zdjęcia atomu. Do zdjęć naukowcy wykorzystali mikroskop elektronowy oraz utrwalanie pola promieniowania (mikroskop elektronowy z emisją polową, FEEM). Fizycy kolejno umieścili dziesiątki atomów węgla w komorze próżniowej i przepuszczali przez nie wyładowanie elektryczne o napięciu 425 woltów. Promieniowanie ostatniego atomu w łańcuchu na ekran luminoforowy umożliwiło uzyskanie obrazu chmury elektronów wokół jądra. [trzydzieści]

Rozpad radioaktywny

Диаграмма времени полураспада (T ½ ) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду , в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм [31] ).

Существуют три основные формы радиоактивного распада [32] [33] :

  • Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия , состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером .
  • Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий , и в результате нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино , во втором случае на протон, позитрон и нейтрино . Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу. К бета-распаду относят и обратный процесс — электронный захват , когда один из протонов атомного ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино.
  • Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада , то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад , который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа. [31]

Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством, известным как спин . Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственногоцентра масс , хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной ( ), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин, равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину. [34]

Магнитное поле , создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули , по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии , связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — в состоянии со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов. [35]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие . Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля. [35] [36]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако для некоторых элементов (таких как ксенон-129 ) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией . Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии . [37] [38]

Энергетические уровни

Электрон в атоме находится в связанном состоянии; находясь на возбуждённом уровне, он обладает потенциальной энергией , которая пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ), и максимальное её значение равно энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). По мере перехода электрона (в атоме) на более низкие уровни потенциальная энергия уменьшается, но превращается не в кинетическую, а в энергию излучаемых фотонов. Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным (потенциальная энергия равна нулю — электрон глубже падать уже не может), а все остальные — возбуждёнными. [39]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Эту энергию можно сообщить атому путём удара другой частицей либо путём поглощения или, соответственно, испускания фотона , причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Частота испускаемого излучения пропорциональна энергии фотона, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра . [40] Каждый химический элемент имеет уникальный спектр испускания , который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов. [41]

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму ), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно возвращаются на уровень, лежащий ниже по шкале энергии, снова испуская фотоны. Испущенные фотоны излучаются не в том направлении, в каком падал поглощённый, а произвольно в телесном угле 4 пи стерадиан. В результате в непрерывном спектре появляются участки с очень низким уровнем излучения, то есть темные линии поглощения. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения , в котором имеются серии тёмных линий и полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром , испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём. [42]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле « тонкой структурой » спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона. [43]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана . Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный ( эффект Пашена — Бака ). [44] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка . [45]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу . Это свойство используется в лазерах , которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот. [46]

Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи . Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки. [47]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов , их упорядочивают в виде периодической таблицы . Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами . [48] [49]

Дисперсионное притяжение

Важным свойством атома является его склонность к дисперсионному притяжению . Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Ф. Лондоном . Межатомное взаимодействие возникает вследствие флуктуаций заряда в двух атомах, находящихся близко друг от друга. Поскольку электроны движутся, каждый атом обладает мгновенным дипольным моментом, отличным от нуля. Если бы флуктуации электронной плотности в двух атомах были бы несогласованными, то не было бы результирующего притяжения между атомами. Однако мгновенный диполь на одном атоме наводит противоположно направленный диполь в соседнем атоме. Эти диполи притягиваются друг к другу за счёт возникновения силы притяжения, которая называется дисперсионной силой, или силой Лондона. Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости атома α и обратно пропорциональна r 6 , где r — расстояние между двумя атомами. [50]

Деформационная поляризация атома

Деформационная поляризация проявляется в присущей атомам способности к упругой деформации их электронных оболочек под действием электромагнитных полей. Сегодняшнее понимание явления деформационной поляризации основано на представлениях о конечной упругости электронных оболочек атомов под действием электрического поля [51] . Снятие внешнего электрического поля приводит к восстановлению электронной оболочки атома.

Деформация электронной оболочки атома приводит к смещению электронной плотности в атоме, что сопровождается образованием наведённого электрического дипольного момента μ. Дипольный момент равен произведению величины положительного заряда q на расстояние между зарядами L и направлен от отрицательного заряда к положительному μ=qL. В относительно слабых электрических полях наведённый дипольный момент пропорционален напряжённости электрического поля E. μ =α e E, где α e — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.

Ионизация атома

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля наблюдается необратимая деформация атома, сопровождающаяся отрывом электрона.

Происходит ионизация атома, атом отдаёт электрон и превращается в положительно заряженный ионкатион . Отрыв электрона от атома требует затраты энергии, называемой потенциалом ионизации или энергией ионизации.

Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Изменение энергии отрыва первого электрона в зависимости от порядкового номера элемента приведено на рисунке.

Наименьшей энергией ионизации обладают атомы щелочных металлов, наибольшей — атомы благородных газов.

Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I 1 , I 2 , I 3 … соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Взаимодействие атома с электроном

Рис. 2 Зависимость сродства к электрону атома от порядкового номера элемента

Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион .

Энергетический эффект процесса присоединения к нейтральному атому (Э) принято называть энергией сродства к электрону. Э + e - → Э -

На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3-4 эВ):

Атом Энергия сродства к электрону, эВ [52]
F 3,62 ± 0,09
Cl 3,82 ± 0,06
Br 3,54 ± 0,06
I 3,23 ± 0,06

Электроотрицательность атома

Электроотрицательность атома (χ) — фундаментальное свойство атома смещать к себе общие электронные пары в молекуле. Способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений ( по Малликену ) электроотрицательность атома (χ) может быть выражена как полусумма его энергии ионизации (i) и сродства к электрону (F):

Имеется около двадцати шкал электроотрицательности атома, в основу расчёта значений которых положены различные свойства веществ. Полученные значения разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково.

Детальный поиск взаимосвязи между шкалами электроотрицательности позволил сформулировать новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов [53] .

Электроотрицательность.jpg

Символизм

Stylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.png

С момента вхождения человечества в атомную эру атом приобрел и символический смысл. Чаще всего атом изображается в виде упрощенной модели Бора-Резерфорда. Однако, встречаются и более усложненные варианты изображения. Чаще всего изображение атома символизирует атомную энергетику («мирный атом»), ядерное оружие, ядерную физику, либо науку и научно-технический прогресс в целом.

См. также

Примечания

  1. 1 2 3 Большой энциклопедический словарь. Физика / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — С. 36. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0 .
  2. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов / Ред. Е. А. Гришина . — АСТ ; Астрель; Русские словари. — С. 91. — 960 с. — ISBN 5-17-008793-4 .
  3. 1 2 Ельяшевич М. А. Атом // Большая Советская Энциклопедия . 3-е изд. / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия, 1970. — Т. 2. Ангола — Барзас . — С. 389—394 .
  4. Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1983. — С.58 . — 792 с.
  5. Atom // IUPAC Gold Book
  6. Демокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира / А. О. Чубарьян. — М. : Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5-948-49307-5 .
  7. Планетарная модель атома Архивировано 15 июня 2008 года.
  8. Demtröder, 2002 .
  9. Демельт Х. «Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей» // УФН , т. 160 (12), с. 129—139, 1990
  10. Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
  11. Woan, 2000 .
  12. MacGregor, 1992 .
  13. The Particle Adventure . Particle Data Group . Lawrence Berkeley Laboratory (2002). Дата обращения: 3 января 2009. Архивировано 21 августа 2011 года.
  14. James Schombert. Elementary Particles . University of Oregon (18 апреля 2006). Дата обращения: 3 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  15. Howard S. Matis. The Isotopes of Hydrogen . Guide to the Nuclear Wall Chart . Lawrence Berkeley National Lab (9 августа 2000). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  16. Rick Weiss. Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet . Washington Post (17 октября 2006). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  17. 1 2 Sills, 2003 .
  18. Belle Dumé. Bismuth breaks half-life record for alpha decay . Physics World (23 апреля 2003). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  19. 1 2 Mills и др. (1993).
  20. Chung Chieh. Nuclide Stability (недоступная ссылка) . University of Waterloo (22 января 2001). Дата обращения: 4 января 2007. Архивировано 30 августа 2007 года.
  21. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements . National Institute of Standards and Technology. Дата обращения: 4 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  22. G. Audi, AH Wapstra, C. Thibault. The Ame2003 atomic mass evaluation (II) (неопр.) // Nuclear Physics. — 2003. — Т. A729 . — С. 337—676 . Архивировано 16 сентября 2008 года.
  23. RD Shannon. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides (англ.) // Acta Crystallographica, Section A : journal. — International Union of Crystallography , 1976. — Vol. 32 . — P. 751 . — doi : 10.1107/S0567739476001551 .
  24. Judy Dong. Diameter of an Atom . The Physics Factbook (1998). Дата обращения: 19 ноября 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  25. Zumdahl, 2002 .
  26. Small Miracles: Harnessing nanotechnology (недоступная ссылка) . Oregon State University (2007). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 4 декабря 2007 года. — описывает толщину человеческого волоса как 10 5 нм и 10 углеродных атомов по толщине как 1 нм.
  27. «There are 2 000 000 000 000 000 000 000 (that's 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen» // Padilla et al., 2002 , p. 32
  28. Карат равен 200 миллиграмм. По определению , углерод-12 имеет 12 грамм на моль. Постоянная Авогадро равна 6,02⋅10 23 атомов на моль.
  29. Feynman, 1995 .
  30. First Detailed Photos of Atoms . Inside Science News Service (14 сентября 2009). Дата обращения: 24 июня 2014. Архивировано 24 июня 2014 года.
  31. 1 2 Radioactivity . Splung.com. Дата обращения: 19 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  32. L'Annunziata (2003).
  33. Richard B. Firestone. Radioactive Decay Modes . Berkeley Laboratory (22 мая 2000). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  34. JP Hornak. Chapter 3: Spin Physics (недоступная ссылка) . The Basics of NMR . Rochester Institute of Technology (2006). Дата обращения: 20 марта 2011. Архивировано 26 мая 2007 года.
  35. 1 2 Paul A. Schroeder. Magnetic Properties (недоступная ссылка) . University of Georgia (22 февраля 2000). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 18 февраля 2001 года.
  36. Greg Goebel. [4.3] Magnetic Properties of the Atom . Elementary Quantum Physics . In The Public Domain website (1 сентября 2007). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  37. Lynn Yarris. Talking Pictures (неопр.) // Berkeley Lab Research Review. Архивировано 15 июня 1997 года.
  38. Liang, Haacke, 1999 .
  39. Bart J. Van Zeghbroeck. Energy levels . Shippensburg University (1998). Дата обращения: 23 декабря 2007. Архивировано 15 января 2005 года.
  40. Fowles, 1989 .
  41. WC Martin, WL Wiese. Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas . National Institute of Standards and Technology (май 2007). Дата обращения: 8 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  42. Atomic Emission Spectra — Origin of Spectral Lines . Avogadro Web Site. Дата обращения: 10 августа 2006. Архивировано 21 августа 2011 года.
  43. Richard Fitzpatrick. Fine structure . University of Texas at Austin (16 февраля 2007). Дата обращения: 14 февраля 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  44. Michael Weiss. The Zeeman Effect . University of California-Riverside (2001). Дата обращения: 6 февраля 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  45. Beyer, 2003 .
  46. Thayer Watkins. Coherence in Stimulated Emission . San José State University. Дата обращения: 23 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  47. William Reusch. Virtual Textbook of Organic Chemistry . Michigan State University (16 июля 2007). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  48. Husted Robert и др. Periodic Table of the Elements . Los Alamos National Laboratory (11 декабря 2003). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  49. Rudy Baum. It's Elemental: The Periodic Table . Chemical & Engineering News (2003). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  50. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия / под ред. К.В.Топчиевой. — М. : Мир, 1978. — С. 453. — 646 с.
  51. Потапов А.А. Деформационная поляризация. Поиск оптимальных моделей. — Новосибирск: "Наука", 2004. — 511 с.
  52. Справочник химика. — II-ое, перераб. и доп.. — Л.-М.: ГНТИ Химической литературы, 1962. — Т. I. — С. 328. — 1072 с.
  53. Филиппов Г. Г., Горбунов А. И. Новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов. — Российский химический журнал , 1995. — Т. 39, Вып. 2. — С. 39—42.

Литература

На английском языке

Ссылки