Из чего состоит атом. Мир прекрасен

Химия- наука о веществах и их превращениях друг в друга.

Вещества- это химически чистые вещества

Химически чистое вещество- это совокупность молекул, имеющих одинаковый качественный и количественный состав и одинаковое строение.

СН 3 -О-СН 3 -

СН 3 -СН 2 -ОН

Молекула - мельчайшие частицы вещества, обладающие всеми его химическими свойствами; молекула состоит из атомов.

Атом- это химически неделимые частицы, из-за которых образованы молекулы. (для благородных газов молекула и атом одно и тоже, Не, Ar)

Атом- электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра, вокруг которого по своим строго определенным законам распределены отрицательно заряженные электроны. Причём суммарный заряд электронов равен заряду ядра.

Ядро атомов состоит из положительно заряженных протонов (р) и нейтронов (n) не несущих никакого заряда. Общее название нейтронов и протонов – нуклоны. Масса протонов и нейтронов практически одинакова.

Электроны (е -) несут отрицательный, заряд равный заряду протона. Масса е - составляет приблизительно 0,05% от массы протона и нейтрона. Таким образом, вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Число р в атоме, равные заряду ядра, называется порядковым номером (Z), так как атом электронейтрален число е - равно числу р.

Массовым числом (А) атома называется сумма протонов и нейтронов в ядре. Соответственно число нейтронов в атоме равно разности между А и Z. (массовым числом атома и порядковым номером).(N=А-Z).

17 35 Cl р=17, N=18, Z=17. 17р + , 18n 0 , 17е - .

Нуклоны

Химические свойства атомов определяется их электронным строением (число электронов), которое равно порядковому номеру атомов (заряду ядра). Следовательно, все атомы с одинаковым зарядом ядра в химическом отношении ведут себя одинаково и рассчитываются как атомы одного и того же химического элемента.

Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. (110 химических элементов).

Атомы, имея одинаковый заряд ядра, могут различаться массовым числом, что связанно с различным числом нейтронов в их ядрах.

Атомы, имеющие одинаковый Z, но различное массовое число называются изотопы.

17 35 Cl 17 37 Cl

Изотопы водорода Н:

Обозначение: 1 1 Н 1 2 Д 1 3 Т

Название: протий дейтерий тритий

Состав ядра: 1р 1р+1n 1р+2n

Протий и дейтерий-стабильны

Тритий-распадается(радиоактивный) Используется в водородных бомбах.

Атомная единица массы. Число Авогадро. Моль.

Массы атомов и молекул очень малы (приблизительно 10 -28 до 10 -24 г.), для практического отображения этих масс целесообразно ввести свою единицу измерения, которая бы приводила к удобной и привычной шкале.

Т.к масса атома сосредоточена в его ядре, состоящих из практически одинаковых по массе протонов и нейтронов, то логично за единицу массы атомов принять массу одного нуклона.

Условились за единицу массы атомов и молекул принять одну двенадцатую изотопа углерода, имеющее симметричное строение ядра (6р+6n). Эту единицу называют атомной единицей массы (а.е.м.), она численно равна массе одного нуклона. В этой шкале массы атомов близки к целочисленным значениям: Не-4; Al-27; Ra-226 а.е.м……

Рассчитаем массу 1 а.е.м в граммах.

1/12 (12 С)= =1,66*10 -24 г/а.е.м

Рассчитаем, какое количество а.е.м содержится в 1г.

N A = 6,02 *-число Авогадро

Полученное соотношение называется числом Авогадро, показывает сколько а.е.м содержится в 1г.

Массы атомов, приведенные в Периодической таблице выражены в а.е.м

Молекулярная масса- это масса молекулы, выраженная в а.е.м, находится как сумма масс всех атомов, образующих данную молекулу.

м(1 молекулы Н 2 SO 4)= 1*2+32*1+16*4= 98 а.е.м

Для перехода от а.е.м к практически используемой в химии 1 г ввели порционный подсчёт количества вещества причём в каждой порции содержится число N A структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов). В этом случае масса такой порции, называемой 1 моль, выраженной в граммах, численно равна атомной или молекулярной массе, выраженных в а.е.м.

Найдём массу 1 моль Н 2 SO 4:

М(1 моль Н 2 SO 4)=

98а.е.м*1,66**6,02*=

Как видно молекулярная и молярная массы численно равны.

1 моль – количество вещества, содержащее число Авогадро структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

Молекулярная масса(М) - масса 1 моль вещества, выраженная в граммах.

Количество вещества-V(моль); масса вещества м(г); молярная масса М(г/моль)-связаны соотношением: V=;

2Н 2 О+ О 2 2Н 2 О

2 моль 1 моль

2.Основные законы химии

Закон постоянства состава вещества- химически чистое вещество независимо от способа получения всегда имеет постоянный качественный и количественный составы.

CH3+2O2=CO2+2H2O

NaOH+HCl=NaCl+H2O

Вещества с постоянным составом называются- дальтониты. В качестве исключения известны вещества неизменного состава- бертолиты (оксиды, карбиды, нитриды)

Закон сохранения массы (Ломоносов)- масса веществ вступивших в реакцию всегда равна массе продуктов реакции. Из этого следует что атомы в ходе реакции не исчезают и не образуются они переходят из одних веществ в другие. На этом основан подбор коэффициентов в уравнении химической реакции, число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения должно быть равно.

Закон эквивалента- в химических реакциях вещества реагируют и образуются в количествах равных эквиваленту (Сколько эквивалента одного вещества израсходовано, ровно столько же эквивалентов израсходовано или образовалось другого вещества).

Эквивалент- количество вещества, которое в ходе реакции присоединяет, замещает, высвобождает один моль атомов (ионов) H. Масса эквивалента выраженная в граммах называется эквивалентной массой (Э).

Газовые законы

Закон Дальтона- общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений всех компонентов газовой смеси.

Закон Авогадро- равные объёмы различных газов при одинаковых условиях содержат равное число молекул.

Следствие: один моль любого газа при нормальных условиях (t=0 градусов или 273K и P=1 атмосфера или 101255 Паскаль или 760 мм. Рт. Столба.) занимает V=22,4 л.

V который занимает один моль газа называется молярным объёмом Vm.

Зная объём газа (смеси газа) и Vm при данных условиях, легко рассчитать количество газа (газовой смеси) =V/Vm.

Уравнение Менделеева- Клапейрона.- связывает количество газа с условиями, при которых он находится. pV=(m/M)*RT= *RT

При использовании данного уравнения все физические величины должны быть выражены в СИ: p-давление газа (паскаль), V-объём газа (литры), m- масса газа (кг.) , М -молярная масса (кг/моль), Т-температура по абсолютной шкале (К), Ню-количество газа (моль), R- газовая постоянная = 8,31 Дж/(моль*К).

Д- относительная плотность одного газа по другому- отношение М газа к М газа, выбранного в качестве стандарта, показывает во сколько раз один газ тяжелее другого Д=М1/М2.

Способы выражения состава смеси веществ.

Массовая доля W- отношение массы вещества к массы всей смеси W=((m в-ва)/(m р-ра))*100%

Мольная доля æ -отношение кол-ва в-ва, к общему кол-ву всех вв. в смеси.

Большинство химических элементов в природе представлены в виде смеси различных изотопов; зная изотопный состав химического элемента, выраженный в мольных долях, рассчитывают средневзвешенное значение атомной массы этого элемента, которая и переводится в ИСХЭ. А= Σ (æi*Аi)= æ1*А1+ æ2*А2+…+ æn*Аn , где æi- мольная доля i-ого изотопа, Аi- атомная масса i-ого изотопа.

Объёмная доля (φ)- отношение Vi к объёму всей смеси. φi=Vi/VΣ

Зная объёмны состав газовой смеси, рассчитывают Мср смеси газов. Мср= Σ (φi*Mi)= φ1*М1+ φ2*М2+…+ φn*Мn

АТОМ [французский atome, от латинского atomus, от греческого?τομος (ουσ?α) - неделимая (сущность)], частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы каждого элемента индивидуальны по строению и свойствам и обозначаются химическими символами элементов (например, атом водорода - Н, железа - Fe, ртути - Hg, урана - U и т. д.). Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном (смотри Химическая связь). Всё многообразие веществ обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Свойства газообразных, жидких и твёрдых веществ зависят от свойств составляющих их атомов. Все физические и химические свойства атома определяются его строением и подчиняются квантовым законам. (Об истории развития учения об атоме смотри в статье Атомная физика.)

Общая характеристика строения атомов . Атом состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определяются размерами его внешней электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра атома. Характерные порядки диаметров, площадей поперечного сечения и объёмов атома и ядра составляют:

Атом 10 -8 см 10 -16 см 2 10 -24 см 3

Ядро 10 -12 см 10 -24 см 2 10 -36 см 3

Электронные оболочки атома не имеют строго определённых границ, и значения размеров атома в большей или меньшей степени зависят от способов их определения.

Заряд ядра - основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым, кратным положительному элементарному электрическому заряду, равному по абсолютному значению заряду электрона -е. Заряд ядра равен +Ze, где Z - порядковый номер (атомный номер). Z= 1, 2, 3,... для атомов последовательных элементов в периодической системе химических элементов, то есть для атомов Н, Не, Li, .... В нейтральном атоме ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом -Ze. Атом может потерять или присоединить к электронов и стать положительным или отрицательным ионом (к = 1, 2, 3, ... - кратность его ионизации). К атому определённого элемента часто относят и его ионы. При написании ионы отличают от нейтрального атома индексом к + и к - ; например, О - нейтральный атом кислорода, О + , О 2+ , О 3+ , ..., О 8+ , О - , О 2- - его положительные и отрицательные ионы. Совокупность нейтрального атома и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд, например ряд водородоподобных атомов Н, Не + , Li 2+ , Ве 3+ ,... .

Кратность заряда ядра атома элементарному заряду е получила объяснение на основании представлений о строении ядра: Z равно числу протонов в ядре, заряд протона равен +е. Масса атома возрастает с увеличением Z. Масса ядра атома приближённо пропорциональна массовому числу А - общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0,91 · 10 -27 г) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы протона или нейтрона (1,67?10 -24 г), поэтому масса атома в основном определяется массой его ядра.

Атомы данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А-Z может меняться); такие разновидности атомов одного и того же элемента называются изотопами. Различие массы ядра почти не сказывается на строении электронных оболочек данного атома, зависящем от Z, и свойствах атома. Наибольшие отличия в свойствах (изотопные эффекты) получаются для изотопов водорода (Z = 1) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого атома водорода (А = 1), дейтерия (А = 2) и трития (А= 3).

Масса атома изменяется от 1,67 ?10 -24 г (для основного изотопа атом водорода, Z=1, А=1) до примерно 4?10 -22 г (для атомов трансурановых элементов). Наиболее точные значения масс атомов могут быть определены методами масс-спектроскопии. Масса атома не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше - на дефект массы ΔM = W/c 2 , где W - энергия образования атома из ядра и электронов (энергия связи), с - скорость света. Эта поправка порядка массы электрона m e для тяжёлых атомов, а для лёгких пренебрежимо мала (порядка 10 -4 m e).

Энергия атома и её квантование . Благодаря малым размерам и большой массе атомное ядро можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс атома (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс атома мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно атом можно рассматривать как систему, в которой N электронов с зарядами — е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в атоме происходит в ограниченном объёме, то есть является связанным. Полная внутренняя энергия атома Е равна сумме кинетических энергий Т всех электронов и потенциальной энергии U - энергии притяжения их ядром и отталкивания друг от друга.

Согласно теории атома, предложенной в 1913 году Нильсом Бором, в атоме водорода один электрон с зарядом -е движется вокруг неподвижного центра с зарядом +е. В соответствии с классической механикой кинетическая энергия такого электрона равна

где v - скорость, p = m e v - количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии кулоновского притяжения электрона ядром) равна

и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция U(r) изображается кривой, неограниченно убывающей при уменьшении r, т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U(r) при r→∞ принято за нуль. При отрицательных значениях полной энергии Е = Т + U < 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U > 0 движение электрона является свободным - он может уйти на бесконечность с энергией Е = Т = (1/2)m е v 2 , что соответствует ионизованному атому водорода Н + . Таким образом, нейтральный атом водорода - система электростатически связанных ядра и электрона с энергией Е< 0.

Полная внутренняя энергия атома Е - его основная характеристика как квантовой системы (смотри Квантовая механика). Атом может длительно находиться лишь в состояниях с определённой энергией - стационарных (неизменных во времени) состояниях. Внутренняя энергия квантовой системы, состоящей из связанных микрочастиц (в том числе атома), может принимать одно из дискретного (прерывного) ряда значений

Каждому из этих «дозволенных» значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых состояний. Промежуточными значениями энергии (например, лежащими между Е 1 и Е 2 , Е 2 и Е 3 , и т.д.) система обладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована. Любое изменение Е связано с квантовым (скачкообразным) переходом системы из одного стационарного квантового состояния в другое (смотри ниже).

Возможные дискретные значения (3) энергии атома графически можно изобразить по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (на различные уровни), в виде схемы уровней энергии, где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте E i , i= 1, 2, 3, ... (рис. 1). Самый нижний уровень E 1 , соответствующий наименьшей возможной энергии атома, называется основным, а все остальные (E i >E 1), i = 2, 3, 4, ...) — возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные возбуждённые состояния из основного) необходимо возбудить систему - сообщить ей извне энергию E i -E 1 .

Квантование энергии атома является следствием волновых свойств электронов. Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, движению микрочастицы массы m со скоростью v соответствует длина волны λ = h/mv, где h - постоянная Планка. Для электрона в атоме λ порядка 10 -8 см, то есть порядка линейных размеров атома, и учёт волновых свойств электрона в атоме является необходимым. Связанное движение электрона в атоме схоже со стоячей волной, и его следует рассматривать не как движение материальной точки по траектории, а как сложный волновой процесс. Для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определённые значения длины волны λ (и, следовательно, частоты колебаний v). Согласно квантовой механике, энергия атома Е связана с v соотношением Е = hν и поэтому может принимать лишь определённые значения. Свободное, не ограниченное в пространстве поступательное движение микрочастицы, например движение электрона, оторванного от атома (с энергией Е> 0), сходно с распространением бегущей волны в неограниченном объёме, для которой возможны любые значения λ (и v). Энергия такой свободной микрочастицы может принимать любые значения (не квантуется, имеет непрерывный энергетический спектр). Такая непрерывная последовательность соответствует ионизованному атому. Значение Е ∞ = 0 соответствует границе ионизации; разность Е ∞ —Е 1 = Е ион называется энергией ионизации (смотри в статье Ионизационный потенциал); для атома водорода она равна 13,6 эВ.

Распределение электронной плотности . Точное положение электрона в атоме в данный момент времени установить нельзя вследствие неопределенностей соотношения. Состояние электрона в атоме определяется его волновой функцией, определённым образом зависящей от его координат; квадрат модуля волновой функции характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Волновая функция в явном виде является решением Шрёдингера уравнения.

Таким образом, состояние электрона в атоме можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда с некоторой плотностью - распределением электронной плотности. Электроны как бы «размазаны» в пространстве и образуют «электронное облако». Такая модель правильнее характеризует электроны в атоме, чем модель точечного электрона, движущегося по строго определённым орбитам (в теории атома Бора). Вместе с тем каждой такой боровской орбите можно сопоставить конкретное распределение электронной плотности. Для основного уровня энергии E 1 электронная плотность концентрируется вблизи ядра; для возбуждённых уровней энергии Е 2 , Е 3 , Е 4 ... она распределяется на всё больших средних расстояниях от ядра. В многоэлектронном атоме электроны группируются в оболочки, окружающие ядро на различных расстояниях и характеризующиеся определёнными распределениями электронной плотности. Прочность связи электронов с ядром во внешних оболочках меньше, чем во внутренних, и слабее всего электроны связаны в самой внешней оболочке, обладающей наибольшими размерами.

Учёт спина электрона и спина ядра . В теории атома весьма существен учёт спина электрона - его собственного (спинового) момента количества движения, с наглядной точки зрения соответствующего вращению электрона вокруг собственной оси (если электрон рассматривать как частицу малых размеров). Со спином электрона связан сто собственный (спиновый) магнитный момент. Поэтому в атоме необходимо учитывать, наряду с электростатическими взаимодействиями, и магнитные взаимодействия, определяемые спиновым магнитным моментом и орбитальным магнитным моментом, связанным с движением электрона вокруг ядра; магнитные взаимодействия малы по сравнению с электростатическими. Наиболее существенно влияние спина в многоэлектронных атомах: от спина электронов зависит заполнение электронных оболочек атома определённым числом электронов.

Ядро в атоме также может обладать собственным механическим моментом - ядерным спином, с которым связан ядерный магнитный момент в сотни и тысячи раз меньший электронного. Существование спинов приводит к дополнительным, очень малым взаимодействиям ядра и электронов (смотри ниже).

Квантовые состояния атома водорода . Важнейшую роль в квантовой теории атома играет теория простейшего одноэлектронного атома, состоящего из ядра с зарядом +Ze и электрона с зарядом -е, то есть теория атома водорода Н и водородоподобных ионов Не + , Li 2+ , Ве 3+ ,..., называемая обычно теорией атома водорода. Методами квантовой механики можно получить точную и полную характеристику состояний электрона в одноэлектронном атоме. Задача о многоэлектронном атоме решается лишь приближённо; при этом исходят из результатов решения задачи об одноэлектронном атоме.

Энергия одноэлектронного атома в нерелятивистском приближении (без учёта спина электрона) равна

целое число n = 1, 2, 3, ... определяет возможные дискретные значения энергии - уровни энергии - и называется главным квантовым числом, R - постоянная Ридберга, равная 13,6 эВ. Уровни энергии атома сходятся (сгущаются) к границе ионизации Е ∞ = 0, соответствующей n =∞. Для водородоподобных ионов изменяется (в Z 2 раз) лишь масштаб значений энергий. Энергия ионизации водородоподобного атома (энергия связи электрона) равна (в эВ)

что даёт для Н, Не + , Li 2+ , ... значения 13,6эВ, 54,4 эВ, 122,4 эВ, ... .

Основная формула (4) соответствует выражению U(r) = -Ze 2 /r для потенциальной энергии электрона в электрическом поле ядра с зарядом +Ze. Эта формула была впервые выведена Н. Бором путём рассмотрения движения электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса r и является точным решением уравнения Шрёдингера для такой системы. Уровням энергии (4) соответствуют орбиты радиуса

где постоянная а 0 = 0,529·10 -8 см = = 0,529 А - радиус первой круговой орбиты атома водорода, соответствующей его основному уровню (этим боровским радиусом часто пользуются в качестве удобной единицы для измерений длин в атомной физике). Радиус орбит пропорционален квадрату главного квантового числа n 2 и обратно пропорционален Z; для водородоподобных ионов масштаб линейных размеров уменьшается в Z раз по сравнению с атомом водорода. Релятивистское описание атома водорода с учётом спина электрона даётся Дирака уравнением.

Согласно квантовой механике, состояние атома водорода полностью определяется дискретными значениями четырёх физических величин: энергии Е; орбитального момента М l (момента количества движения электрона относительно ядра); проекции М lz орбитального момента на произвольно выбранное направление z; проекции M sz спинового момента (собственного момента количества движения электрона M s). Возможные значения этих физических величин, в свою очередь, определяются квантовыми числами n, l, m l , m s соответственно. В приближении, когда энергия атома водорода описывается формулой (4), она определяется только главным квантовым числом n, принимающим целочисленные значения 1, 2, 3, ... . Уровню энергии с заданным n соответствует несколько состояний, различающихся значениями орбитального (азимутального) квантового числа l = 0, 1, ..., n-1. Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать как 1s, 2s, 2р, 3s, ..., где цифры указывают значение n, а буквы s, р, d, f (дальше по латинскому алфавиту) - соответственно значения l = 0, 1, 2, 3. При заданных n и l число различных состояний равно 2(2l + 1) - числу комбинаций значений магнитного орбитального квантового числа m l магнитного спинового числа m s (первое принимает 2l + 1 значений, второе - 2 значения). Общее число различных состояний с заданными n и l получается равным 2n 2 . Таким образом, каждому уровню энергии атома водорода соответствует 2,8, 18,…2n 2 (при n= 1, 2, 3, ...) различных стационарных квантовых состояний. Если уровню энергии соответствует лишь одно квантовое состояние, то его называют невырожденным, если два или более - вырожденным (смотри Вырождение в квантовой теории), а число таких состояний g называется степенью или кратностью вырождения (для невырожденных уровней энергии g=1). Уровни энергии атома водорода являются вырожденными, а их степень вырождения g n = 2n 2 .

Для различных состояний атома водорода получается и разное распределение электронной плотности. Оно зависит от квантовых чисел n, l и При этом электронная плотность для s-состояний (l=0) отлична от нуля в центре, т. е. в месте нахождения ядра, и не зависит от направления (сферически симметрична), а для остальных состояний (l>0) она равна нулю в центре и зависит от направления. Распределение электронной плотности для состояний атома водорода с n = 1, 2, 3 показано на рисунке 2; размеры «электронного облака» растут в соответствии с формулой (6) пропорционально n2 (масштаб на рисунке 2 уменьшается при переходе от n = 1 к n = 2 и от n = 2 к n = 3). Квантовые состояния электрона в водородоподобных ионах характеризуются теми же четырьмя квантовыми числами n, l, m l и m s , что и в атоме водорода. Сохраняется и распределение электронной плотности, только она увеличивается в Z раз.

Действие на атом внешних полей . Атом как электрическая система во внешнем электрическом и магнитном полях приобретает дополнительную энергию. Электрическое поле поляризует атом - смещает электронные облака относительно ядра (смотри Поляризуемость атомов, ионов и молекул), а магнитное поле ориентирует определённым образом магнитный момент атома, связанный с движением электрона вокруг ядра (с орбитальным моментом M l) и его спином. Различным состояниям атома водорода с той же энергией Е n во внешнем поле соответствуют разные значения дополнительной энергии ΔЕ, и вырожденный уровень энергии E n расщепляется на ряд подуровней. Как расщепление уровней энергии в электрическом поле - Штapкa эффект, - так и их расщепление в магнитном поле - Зеемана эффект - пропорциональны напряжённостям соответствующих полей.

К расщеплению уровней энергии приводят и малые магнитные взаимодействия внутри атома. Для атома водорода и водородоподобных ионов имеет место спин-орбитальное взаимодействие - взаимодействие спинового и орбитального моментов электрона; оно обусловливает так называемую тонкую структуру уровней энергии — расщепление возбуждённых уровней E n (при n>1) на подуровни. Для всех уровней энергии атома водорода наблюдается и сверхтонкая структура, обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами.

Электронные оболочки многоэлектронных атомов . Теория атома, содержащих 2 или более электронов, принципиально отличается от теории атома водорода, так как в таком атоме имеются взаимодействующие друг с другом одинаковые частицы - электроны. Взаимное отталкивание электронов в многоэлектронном атоме существенно уменьшает прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва единственного электрона в ионе гелия (Не +) равна 54,4 эВ, в нейтральном же атоме гелия в результате отталкивания электронов энергия отрыва одного из них уменьшается до 24,6 эВ. Для внешних электронов более тяжёлых атомов уменьшение прочности их связи из-за отталкивания внутренними электронами ещё более значительно. Важную роль в многоэлектронных атомах играют свойства электронов как одинаковых микрочастиц (смотри Тождественности принцип), обладающих спином s = 1/2, для которых справедлив Паули принцип. Согласно этому принципу, в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом квантовом состоянии, что приводит к образованию электронных оболочек атома, заполняющихся строго определёнными числами электронов.

Учитывая неразличимость взаимодействующих между собой электронов, имеет смысл говорить только о квантовых состояниях атома в целом. Однако приближённо можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждый из них совокупностью квантовых чисел n, l, m l и m s , аналогично электрону в атоме водорода. При этом энергия электрона оказывается зависящей не только от n, как в атоме водорода, но и от l; от m l и m s она по-прежнему не зависит. Электроны с данными n и l в многоэлектронном атоме имеют одинаковую энергию и образуют определённую электронную оболочку. Такие эквивалентные электроны и образованные ими оболочки обозначают, как и квантовые состояния и уровни энергии с заданными n и l, символами ns, nр, nd, nf, ... (для 1 = 0, 1, 2,3,...) и говорят о 2р-электронах, 3s-о6олочках и т.п.

Согласно принципу Паули, любые 2 электрона в атоме должны находиться в различных квантовых состояниях и, следовательно, отличаться хотя бы одним из четырёх квантовых чисел n, l, m l и m s , а для эквивалентных электронов (n и l одинаковы) - значениями m l и m s . Число пар m l , m s , т. е. число различных квантовых состояний электрона с заданными n и l, и есть степень вырождения его уровня энергии g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Оно определяет число электронов в полностью заполненных электронных оболочках. Таким образом, s-, р-, d-, f-, ... оболочки заполняются 2, 6, 10, 14, ... электронами, независимо от значения n. Электроны с данным n образуют слой, состоящий из оболочек с l = 0, 1, 2, ..., n - 1 и заполняемый 2n 2 электронами, так называемый К- , L-, М, N-слой. При полном заполнении имеем:

В каждом слое оболочки с меньшими l характеризуются большей электронной плотностью. Прочность связи электрона с ядром уменьшается с увеличением n, а при заданном n — с увеличением l. Чем слабее связан электрон в соответствующей оболочке, тем выше лежит его уровень энергии. Ядро с заданным Z присоединяет электроны в порядке уменьшения прочности их связи: сначала два электрона 1s, затем два электрона 2s, шесть электронов 2р и т. д. Атому каждого химического элемента присуще определённое распределение электронов по оболочкам - его электронная конфигурация, например:

(число электронов в данной оболочке указывается индексом справа сверху). Периодичность в свойствах элементов определяется сходством внешних электронных оболочек атома. Например, нейтральные атомы Р, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) имеют по три р-электрона во внешней электронной оболочке, подобно атому N, и схожи с ним по химическим и многим физическим свойствам.

Каждый атом характеризуется нормальной электронной конфигурацией, получающейся, когда все электроны в атоме связываются наиболее прочно, и возбуждёнными электронными конфигурациями, когда один или несколько электронов связаны более слабо - находятся на более высоких уровнях энергии. Например, для атома гелия наряду с нормальной 1s2 возможны возбуждённые электронные конфигурации: 1s2s, 1s2р, ... (возбуждён один электрон), 2s 2 , 2s2р, ... (возбуждены оба электрона). Определённой электронной конфигурации соответствует один уровень энергии атома в целом, если электронные оболочки целиком заполнены (например, нормальная конфигурация атома Ne 1s 2 2s 2 2р 6), и ряд уровней энергии, если имеются частично заполненные оболочки (например, нормальная конфигурация атома азота 1s 2 2s 2 2р 3 для которой оболочка 2р заполнена наполовину). При наличии частично заполненных d- и f-оболочек число уровней энергии, соответствующих каждой конфигурации, может достигать многих сотен, так что схема уровней энергии атома с частично заполненными оболочками получается очень сложной. Основным уровнем энергии атома является самый нижний уровень нормальной электронной конфигурации.

Квантовые переходы в атоме . При квантовых переходах атом переходит из одного стационарного состояния в другое - с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии E i на более низкий Е к атом отдаёт энергию E i - E k , при обратном переходе получает её. Как для любой квантовой системы, для атома квантовые переходы могут быть двух типов: с излучением (оптические переходы) и без излучения (безызлучательные, или неоптические, переходы). Важнейшая характеристика квантового перехода - его вероятность, определяющая, как часто этот переход может происходить.

При квантовых переходах с излучением атом поглощает (переход Е к → E i) или испускает (переход E i →Е к) электромагнитное излучение. Электромагнитная энергия поглощается и испускается атомом в виде кванта света - фотона, - характеризуемого определённой частотой колебаний v, согласно соотношению:

где hv - энергия фотона. Соотношение (7) представляет собой закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.

Атом в основном состоянии может только поглощать фотоны, а в возбуждённых состояниях может, как поглощать, так и испускать их. Свободный атом в основном состоянии может существовать неограниченно долго. Продолжительность пребывания атома в возбуждённом состоянии (время жизни этого состояния) ограничена, атом спонтанно (самопроизвольно), частично или полностью теряет энергию возбуждения, испуская фотон и переходя на более низкий уровень энергии; наряду с таким спонтанным испусканием возможно и вынужденное испускание, происходящее, подобно поглощению, под действием фотонов той же частоты. Время жизни возбуждённого атома тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода, для атома водорода оно порядка 10 -8 с.

Совокупность частот v возможных переходов с излучением определяет атомный спектр соответствующего атома: совокупность частот переходов с нижних уровней на верхние - его спектр поглощения, совокупность частот переходов с верхних уровней на нижние - спектр испускания. Каждому такому переходу в атомном спектре соответствует определённая спектральная линия частоты v.

При безызлучательных квантовых переходах атом получает или отдаёт энергию при взаимодействии с другими частицами, с которыми он сталкивается в газе или длительно связан в молекуле, жидкости или твёрдом теле. В газе атом можно считать свободным в промежутках времени между столкновениями; во время столкновения (удара) атом может перейти на более низкий или высокий уровень энергии. Такое столкновение называется неупругим (в противоположность упругому столкновению, при котором изменяется только кинетическая энергия поступательного движения атома, а его внутренняя энергия остаётся неизменной). Важный частный случай - столкновение свободного атома с электроном; обычно электрон движется быстрее атома, время столкновения очень мало и можно говорить об электронном ударе. Возбуждение атома электронным ударом является одним из методов определения его уровней энергии.

Химические и физические свойства атома . Большинство свойств атома определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны с ядром сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эВ до нескольких десятков эВ). Строение внутренних оболочек атома, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч эВ), проявляется лишь при взаимодействиях атома с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен эВ). Такие взаимодействия определяют рентгеновские спектры атома и рассеяние быстрых частиц (смотри Дифракция частиц). От массы атома зависят его механические свойства при движении атома как целого - количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрических моментов атома зависят различные резонансные и другие физические свойства атома (смотри Электронный парамагнитный резонанс, Ядерный магнитный резонанс, Ядерный квадрупольный резонанс).

Электроны внешних оболочек атома легко подвергаются внешним воздействиям. При сближении атомов возникают сильные электростатические взаимодействия, которые могут приводить к образованию химической связи. Более слабые электростатические взаимодействия двух атомов проявляются в их взаимной поляризации - смещении электронов относительно ядер, наиболее сильном для слабо связанных внешних электронов. Возникают поляризационные силы притяжения между атомами, которые надо учитывать уже на больших расстояниях между ними. Поляризация атома происходит и во внешних электрических полях; в результате уровни энергии атома смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни энергии расщепляются (эффект Штарка). Поляризация атома может возникнуть под действием электрического поля световой (электромагнитной) волны; она зависит от частоты света, что обусловливает зависимость от неё и показателя преломления (смотри Дисперсия света), связанного с поляризуемостью атома. Тесная связь оптических характеристик атома с его электрическими свойствами особенно ярко проявляется в его оптических спектрах.

Магнитные свойства атомов определяются в основном строением их электронных оболочек. Магнитный момент атома зависит от его механического момента (смотри Магнитомеханическое отношение), в атоме с полностью заполненными электронными оболочками он равен нулю, так же, как и механический момент. Атомы с частично заполненными внешними электронными оболочками обладают, как правило, отличными от нуля магнитными моментами и являются парамагнитными. Во внешнем магнитном поле все уровни атомов, у которых магнитный момент не равен нулю, расщепляются - имеет место эффект Зеемана. Все атомы обладают диамагнетизмом, который обусловлен возникновением у них магнитного момента под действием внешнего магнитного поля (так называемого индуцированного магнитного момента, аналогичного электрическому дипольному моменту атома).

При последовательной ионизации атома, то есть при отрыве его электронов, начиная с самых внешних в порядке увеличения прочности их связи, соответственно изменяются все свойства атома, определяемые его внешней оболочкой. Внешними становятся всё более прочно связанные электроны; в результате сильно уменьшается способность атома поляризоваться в электрическом поле, увеличиваются расстояния между уровнями энергии и частоты оптических переходов между этими уровнями (что приводит к смещению спектров в сторону всё более коротких длин волн). Ряд свойств обнаруживает периодичность: сходными оказываются свойства ионов с аналогичными внешними электронами; например, N 3+ (два электрона 2s) обнаруживают сходство с N 5+ (два электрона 1s). Это относится к характеристикам и относительному расположению уровней энергии и к оптическим спектрам, к магнитным моментам атома и так далее. Наиболее резкое изменение свойств происходит при удалении последнего электрона из внешней оболочки, когда остаются лишь полностью заполненные оболочки, например при переходе от N 4+ к N 5+ (электронные конфигурации 1s 2 2s и 1s 2). В этом случае ион наиболее устойчив и его полный механический и полный магнитный моменты равны нулю.

Свойства атома, находящегося в связанном состоянии (например, входящего в состав молекулы), отличаются от свойств свободного атома. Наибольшие изменения претерпевают свойства атома, определяемые самыми внешними электронами, принимающими участие в присоединении данного атома к другому. Вместе с тем свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут практически не измениться, как это имеет место для рентгеновских спектров. Некоторые свойства атома могут испытывать сравнительно небольшие изменения, по которым можно получить информацию о характере взаимодействий связанных атомов. Важным примером может служить расщепление уровней энергии атома в кристаллах и комплексных соединениях, которое происходит под действием электрических полей, создаваемых окружающими ионами.

Экспериментальные методы исследования структуры атома, его уровней энергии, его взаимодействий с другими атомами, элементарными частицами, молекулами, внешними полями и так далее разнообразны, однако основная информация содержится в его спектрах. Методы атомной спектроскопии во всех диапазонах длин волн, и в особенности методы современной лазерной спектроскопии, позволяют изучать всё более тонкие эффекты, связанные с атомом. С начала 19 века существование атома для учёных было очевидным, однако эксперимент по доказательству реальности его существования был поставлен Ж. Перреном в начале 20 века. С развитием микроскопии появилась возможность получать изображения атомов на поверхности твёрдых тел. Впервые атом увидел Э. Мюллер (США, 1955) с помощью изобретённого им автоионного микроскопа. Современные атомно-силовые и туннельные микроскопы позволяют получать изображения поверхностей твёрдых тел с хорошим разрешением на атомном уровне (смотри рисунок 3).

Рис. 3. Изображение атомной структуры поверхности кремния, полученное профессором Оксфордского университета М. Капстеллом с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Существуют и широко используются в различных исследованиях так называемые экзотические атомы, например мюонные атомы, т. е. атомы, в которых все или часть электронов заменены отрицательными мюонами, мюоний, позитроний, а также адронные атомы, состоящие из заряженных пионов, каонов, протонов, дейтронов и др. Осуществлены также первые наблюдения атома антиводорода (2002) - атома, состоящего из позитрона и антипротона.

Лит.: Борн М. Атомная физика. 3-е изд. М., 1970; Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. М., 1980; Шпольский Э. В. Атомная физика. 7-е изд. М., 1984. Т. 1-2; Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. 2-е изд. М., 2000.

Образуя между собой связи, атомы объединяются в молекулы и большие по размеру твердые тела.

О существовании мельчайших частиц вещества человечество догадывалось еще с давних времен, однако подтверждения существования атомов было получено лишь в конце 19-го века. Но почти сразу же стало понятно, что атомы, в свою очередь, имеют сложное строение, которой определяются их свойства.

Концепция атома как наименьшей неделимой частицы материи впервые была предложена древнегреческими философами. В 17-м и 18-м веках химики установили, что химические вещества вступают в реакции в определенных пропорциях, которые выражаются с помощью малых чисел. Кроме того они выделили определенные простые вещества, которые назвали химическими элементами. Эти открытия привели к возрождению идеи о неделимые частицы. Развитие термодинамики и статистической физики показал, что тепловые свойства тел можно объяснить движением таких частиц. В конце концов были экспериментально определены размеры атомов.

В конце 19-го и в начале 20-го веков, физики открыли первую из субатомных частиц - электрон, а несколько позже атомное ядро, таким образом показав, что атом не является неделим. Развитие квантовой механики позволил объяснить не только строение атомов, а также ихни свойства: оптические спектры, способность вступать в реакции и образовывать молекулы, т.

Общая характеристика строения атома

Современные представления о строении атома базируются на квантовой механике.

На популярном уровне строении атома можно изложить в рамках волновой модели, которая опирается на модель Бора, но учитывает также дополнительные сведения по квантовой механике.

По этой модели:

Атомы состоят из элементарных частиц (протонов, электронови нейтронов). Масса атома в основном сосредоточена в ядре, поэтому большая часть объема относительно пустая. Ядро окружено электронами. Количество электронов равно числу протонов в ядре, число протонов определяет порядковый номер элемента в периодической системе. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду протонов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами.
В центре атома находится крошечное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.
Ядро атома примерно в 10 000 раз меньше, чем сам атом. Таким образом, если увеличить атом до размеров аэропорту Борисполь, размер ядра будет меньше размера шарика для настольного тенниса.
Ядро окружено электронной облаком, которое занимает большую часть его объема. В электронной облаке можно выделить оболочки, для каждых из которых существует несколько возможных орбиталей. Заполненные орбитали составляют электронную конфигурацию, характерную для каждого химического элемента.
Каждая орбиталь может содержать до двух электронов, характеризуются тремя квантовыми числами: основным, орбитальным и магнитным.
Каждый электрон на орбитали имеет уникальное значение четвертой квантового числа: спина.
Орбитали определяются специфическим распределением вероятности того, где именно можно найти электрон. Примеры орбиталей и их обозначения приведены на рисунке справа. «Границей» орбитали считается расстояние, на котором вероятность того что электрон может находиться вне ее меньше 90%.
Каждая оболочка может содержать не более от строго определенного числа электронов. Например, ближайшая к ядру оболочка может иметь максимум два электрона, следующая - 8, третья от ядра - 18 и так далее.
Когда электроны присоединяются к атому, они опускаются на орбиталь с низкой энергией. Только электроны внешней оболочки могут участвовать в образовании межатомных связей. Атомы могут отдавать и присоединять электроны, становясь положительно или отрицательно заряженными ионами. Химические свойства элемента определяются тем, с какой легкостью ядро может отдавать или приобретать электроны. Это зависит как от числа электронов так и от степени заполненности внешней оболочки.
Размер атома

Размер атома является величиной, трудно поддается измерению, ведь центральное ядро окружает размыта электронное облако. Для атомов, образующих твердые кристаллы, расстояние между смежными узлами кристаллической решетки может служить приближенным значением их размера. Для атомов, кристаллов не формируют, используют другие техники оценки, включая теоретические расчеты. Например, размер атома водорода оценивают как 1,2 × 10-10 м. Это значение можно сравнить с размером протона (что является ядром атома водорода): 0,87 × 10-15 м и убедиться в том, что ядро атома водорода в 100 000 раз меньше, чем сам атом. Атомы других элементов сохраняют приблизительно то же соотношение. Причиной этого является то, что элементы с большим позитивно-заряженным ядром притягивают электроны сильнее.

Еще одной характеристикой размеров атома радиус ван дер Ваальса - расстояние, на которую до данного атома может приблизиться другой атом. Межатомные расстояния в молекулах характеризуются длиной химических связей или ковалентной радиусом.

Ядро

Основная масса атома сосредоточена в ядре, которое состоит из нуклонов: протонов и нейтронов, связанных между собой силами ядерного взаимодействия.

Количество протонов в ядре атома определяет его атомным номером и то, которому элементу принадлежит атом. Например, атомы углерода содержат 6 протонов. Все атомы с определенным атомным номером имеют одинаковые физические характеристики и проявляют одинаковые химические свойства. В периодической таблице элементы перечислены в порядке возрастания атомного номера.

Общее количество протонов и нейтронов в атоме элемента определяет его атомную массу, поскольку протон и нейтрон имеют массу приблизительно равную 1 а.е.м.. Нейтроны в ядре не влияют на то, которому элементу принадлежит атом, но химический элемент может иметь атомы с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов. Такие атомы имеют одинаковый атомный номер, но разную атомную массу, и называются изотопами элемента. Когда пишут название изотопа, после нее пишут атомную массу. Например, изотоп углерод-14 содержит 6 протонов и 8 нейтронов, что в сумме составляет атомную массу 14. Другой популярный метод нотации состоит в том, что атомная масса сказывается верхним индексом перед символом элемента. Например, углерод-14 обозначается, как 14C.

Атомная масса элемента приведена в периодической таблице является усредненным значением массы изотопов встречающихся в природе. Усреднение проводится согласно распространенности изотопа в природе.

С увеличением атомного номера растет положительный заряд ядра, а, следовательно, кулоновское отталкивание между протонами. Чтобы удержать протоны вместе необходимо все больше нейтронов. Однако большое количество нейтронов нестабильна, и это обстоятельство накладывает ограничение на возможный заряд ядра и число химических элементов, существующих в природе. Химические элементы с большими атомными номерами имеют очень малый время жизни, могут быть созданы только при бомбардировке ядер легких элементов ионами, и наблюдаются лишь во время экспериментов с использованием ускорителей. По состоянию на февраль 2008 тяжелым синтезированным химическим элементом является унуноктий

Многие изотопов химических элементов нестабильны и распадаются со временем. Это явление используется радиоелементним тест для определения возраста объектов имеет большое значение для археологии и палеонтологии.

Модель Бора

Модель Бора - первая физическая модель, которая сумела правильно описать оптические спектры атома водорода. После развития точных методов квантовой механики модель Бора имеет только историческое значение, но благодаря своей простоте она до сих пор широко преподается и используется для качественного понимания строения атома.

Модель Бора базируется на планетарной модели Резерфорда, описывающий атом как маленькое положительно заряженное ядро с отрицательно заряженными электронами на орбитах на разных уровнях, что напоминает структуру солнечной системы. Резерфорд предложил планетарную модель, чтобы объяснить результаты своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц металлической фольгой. По планетарной моделью атом состоит из тяжелого ядра, вокруг которого вращаются электроны. Но то, чем электроны, вращающиеся вокруг ядра, не падают по спирали на него, было непостижимым для тогдашних физиков. Действительно, согласно классической теории электромагнетизма электрон, который вращается вокруг ядра должен излучать электромагнитные волны (свет), что привело бы к постепенной потере им энергии и падения на ядро. Поэтому, каким образом атом может вообще существовать? Более того, исследование электромагнитного спектра атомов показали, что электроны в атоме могут излучать свет только определенной частоты.

Эти трудности были преодолены в модели предложенной Нильсом Бором в 1913, которая постулирует, что:

Электроны могут находиться только на орбитах, имеющих дискретные квантованные энергии. То есть возможны не любые орбиты, а лишь некоторые специфические. Точные значения энергий допустимых орбит зависят от атома.
Законы классической механики не действуют, когда электроны переходят из одной допустимой орбиты на другую.
Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, разница в энергии излучается (или поглощается) единственным квантом света (фотоном), частота которого напрямую зависит от энергетической разницы между двумя орбитами.

где ν - это частота фотона, E - разность энергий, а h - константа пропорциональности, также известная как постоянная Планка.
Определив, что можно записать

где ω это угловая частота фотона.
Допустимые орбиты зависят от квантованных значений углового орбитального момента L, описываемая уравнением

где n = 1,2,3,...
и называется квантовым числом углового момента.
Эти предположения позволили объяснить результаты тогдашних наблюдений, например, почему спектр состоит из дискретных линий. Предположение (4) утверждает, что наименьшее значение n - это 1. Соответственно, наименьший допустимый радиус атома равен 0,526 Å (0,0529 нм = 5,28 · 10-11 м). Это значение известно как радиус Бора.

Иногда модель Бора называют Полуклассическая, потому, что, хотя она включает некоторые идеи квантовой механики, она не является полным квантовомеханических описанием атома водорода. Однако модель Бора была значительным шагом к созданию такого описания.

При строгом квантовомеханической описании атома водорода уровни энергии находятся из решения стационарного уравнения Шредингера. Эти уровни характеризуются тремя указанными выше квантовыми числами, формула для квантования углового момента другая, квантовое число углового момента равен нулю для сферических s-орбиталей, единицы для вытянутых гантелеобразную p-орбиталей и т.д. (см. рисунок вверху).

Энергия атома и его квантование

Значение энергии, которые может иметь атом, исчисляются и интерпретируются, исходя из положений квантовой механики. При этом учитываются такие факторы, как электростатическое взаимодействие электронов с ядром и электронов между собой, спины электронов, принцип Тождественные частицы. В квантовой механике состояние, в котором находится атом описывается волновой функцией, которую можно найти из решения уравнения Шредингера. Существует определенный набор состояний, каждое из которых имеет определенное значение энергии. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием. Другие состояния называются возбужденными. Атом находится в возбужденном состоянии конечное время, излучая рано или поздно квант электромагнитного поля (фотон) и переходя в основное состояние. В основном состоянии атом может находиться долго. Чтобы возбудиться, ему нужна внешняя энергия, которая может поступить к нему только из внешней среды. Атом излучает или поглощает свет только определенных частот, соответствующих разности энергий его состояний.

Возможные состояния атома индексируются квантовыми числами, такими как спин, квантовое число орбитального момента, квантовое число полного момента. Подробнее об их классификации можно прочитать в статье электронные терм

Электронные оболочки сложных атомов

Сложные атомы имеют десятки, а для очень тяжелых элементов, даже сотни электронов. Согласно принципу Тождественные частицы электронные состояния атомов формируются всеми электронами, и невозможно определить, где находится каждый из них. Однако, в так называемом одноэлектронном приближении, можно говорить об определенных энергетические состояния отдельных электронов.

Согласно этим представлениям существует определенный набор орбиталей, которые заполняются электронами атома. Эти орбитали образуют определенную электронную конфигурацию. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов (принцип запрета Паули). Орбитали группируются в оболочки, каждая из которых может иметь лишь определенное фиксированное число орбиталей (1, 4, 10 и т.д.). Орбитали подразделяют на внутренние и внешние. В основном состоянии атома внутренние оболочки полностью заполнены электронами.

На внутренних орбиталях электроны находятся очень близко к ядру и сильно к нему привязаны. Чтобы вырвать электрон из внутренней орбитали нужно предоставить ему большую энергию, до нескольких тысяч электрон-вольт. Такую энергию электрон на внутренней оболочке может получить лишь поглотив квант рентгеновского излучения. Энергии внутренних оболочек атомов индивидуальны для каждого химического элемента, а потому по спектру рентгеновского поглощения можно идентифицировать атом. Это обстоятельство используют в рентгеновском анализе.

На внешней оболочке электроны находятся далеко от ядра. Именно эти электроны участвуют в формировании химических связей, поэтому внешнюю оболочку называют валентной, а электроны внешней оболочки валентными электронами.

Квантовые переходы в атоме

Между различными состояниями атомов возможны переходы, вызванные внешним возмущением, чаще электромагнитным полем. Вследствие квантования состояний атома оптические спектры атомов состоят из отдельных линий, если энергия кванта света не превышает энергию ионизации. При более высоких частотах оптические спектры атомов становятся непрерывными. Вероятность возбуждения атома светом падает с дальнейшим ростом частоты, но резко возрастает при определенных характерных для каждого химического элемента частотах в рентгеновском диапазоне.

Возбужденные атомы излучают кванты света с теми же частотами, на которых происходит поглощение.

Переходы между различными состояниями атомов могут вызываться также взаимодействием с быстрыми заряженными частицами.

Химические и физические свойства атома

Химические свойства атома определяются в основном валентными электронами - электронами на внешней оболочке. Количество электронов на внешней оболочке определяет валентность атома.

Атомы последнего столбца периодической таблице элементов имеют полностью заполненную внешнюю оболочку, а для перехода электрона на следующую оболочку нужно предоставить атома очень большую энергию. Поэтому эти атомы инертны, не склонны вступать в химические реакции. Инертные газы изреживаются и кристаллизуются только при очень низких температурах.

Атомы первого столбца периодической таблицы элементов имеют на внешней оболочке один электрон, и является химически активными. Их валентность равна 1. Характерным типом химической связи для этих атомов в кристаллизованного состоянии является металлический связь.

Атомы второго столбика периодической таблицы в основном состоянии имеют на внешней оболочке 2 s-электроны. Их внешняя оболочка заполнена, поэтому они должны быть инертными. Но для перехода из основного состояния с конфигурацией электронной оболочки s2 в состояние с конфигурацией s1p1 нужно очень мало энергии, поэтому эти атомы имеют валентность 2, однако они проявляют меньшую активности.

Атомы третьего столбика периодической таблице элементов имеют в основном состоянии электронную конфигурацию s2p1. Они могут проявлять разную валентность: 1, 3, 5. Последняя возможность возникает тогда, когда электронная оболочка атома дополняется до 8 электронов и становится замкнутой.

Атомы Четвертая колонка периодической таблицы элементов своем имеют валентность 4 (например, углекислый газ CO2), хотя возможна и валентность 2 (например, угарный газ CO). До этого столбика принадлежит углерод - элемент, который образует самые разнообразные химические соединения. Соединениям углерода посвящен особый раздел химии - органическая химия. Другие элементы этого столбика - кремний, германий при обычных условиях является твердотельными полупроводниками.

Элементы пятой колонки имеют валентность 3 или 5.

Элементами шестого столбца периодической таблицы в основном состоянии имеют конфигурацию s2p4 и общий спин 1. Поэтому они двухвалентные. Существует также возможность перехода атома в возбужденное состояние s2p3s" со спином 2, в котором валентность равна 4 или 6.

Элементам седьмой колонки периодической таблицы не хватает одного электрона на внешней оболочке для того, чтобы ее заполнить. Они в основном одновалентные. Однако могут вступать в химические соединения в возбужденных состояниях, проявляя валентности 3,5,7.

Для переходных элементов характерно заполнение внешней s-оболочки, прежде чем полностью заполняется d-оболочка. Поэтому они в основном имеют валентность 1 или 2, но в некоторых случаях один из d-электронов участвует в образовании химических связей, и валентность становится равной трем.

При образовании химических соединений атомные орбитали видоизменяются, деформируются и становятся молекулярных орбиталей. При этом происходит процесс гибридизации орбиталей - образование новых орбиталей, как специфической суммы базовых.

История понятия атом

Подробнее в статье атомистика
Понятие атом, как и само слово, имеет древнегреческое происхождение, хотя истинность гипотезы о существовании атомов нашла свое подтверждение только в 20 веке. Основной идеей, которая стояла за данным понятием протяжении всех столетий, было представление о мире как о наборе огромного количества неделимых элементов, которые являются очень простыми по своей структуре и существуют от начала времен.

Первые проповедники атомистического учения

Первым начал проповедовать атомистическое учения в 5 веке до нашей эры философ Левкипп. Затем эстафету подхватил его ученик Демокрит. Сохранились лишь отдельные фрагменты их работ, из которых становится ясно, что они исходили из небольшого количества достаточно абстрактных физических гипотез:

«Сладость и горечь, жара и холод смысл определения, на самом же [только] атомы и пустота».

По Демокритом, вся природа состоит из атомов, мельчайших частиц вещества, которые покоятся или движутся в совершенно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы одного сорта тождественны; многообразие природы отражает многообразие форм атомов и многообразие способов, в которые атомы могут сцепляться между собой. И Демокрит, и Левкип считали, что атомы, начав двигаться, продолжают двигаться по законам природы.

Наиболее тяжелым для древних греков был вопрос о физической реальности основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности пустоты, если она, не имея материи, не может иметь никаких физических свойств? Идеи Левкипа и Демокрита не могли служить удовлетворительной основой теории вещества в физическом плане, поскольку не объясняли, не из чего состоят атомы, ни почему атомы неделимы.

Через поколение после Демокрита, Платон предложил свое решение этой проблемы: «мельчайшие частицы принадлежат не царству материи, а царству геометрии; они представляют собой различные телесные геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками».

Понятие атома в индийской философии

Через тысячу лет отвлеченные рассуждения древних греков проникли в Индию и были восприняты некоторыми школами индийской философии. Но если западная философия считала, что атомистическая теория должна стать конкретной и объективной основой теории материального мира, индийская философия всегда воспринимала вещественный мир как иллюзию. Когда атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой реальность в мире имеет процесс, а не субстанция, и что мы присутствуем в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества.

То есть и Платон, и индийские философы считали примерно так: если природа состоит из мелких, но конечных по размерам, долей, то почему их нельзя разделить, хотя бы в воображении, на еще более мелкие частицы, которые стали предметом дальнейшего рассмотрения?

Атомистическая теория в римской науке

Римский поэт Лукреций (96 - 55 годы до н.э.) был одним из немногих римлян, которые проявляли интерес к чистой науки. В своей поэме О природе вещей (De rerum natura) он подробно выстроил факты, свидетельствующие в пользу атомистической теории. Например, ветер, дующий с большой силой, хотя никто не может его видеть, наверное состоит из частиц, утечка чтобы их разглядеть. Мы можем чувствовать вещи на расстоянии по запаху, звука и теплу, которые распространяются, оставаясь невидимыми.

Лукреций связывает свойства вещей со свойствами их составляющих, т.е. атомов: атомы жидкости малы и имеют округлую форму, поэтому жидкость течет так легко и просачивается через пористую вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют крючки, которыми они сцеплены между собой. Так же и различные вкусовые ощущения и звуки разной громкости состоят из атомов соответствующих форм - от простых и гармоничных к извилистым и нерегулярных.

Но учение Лукреция были осуждены церковью, поскольку он дал довольно материалистическую их интерпретацию: например, представление о том, что Бог, запустив один раз атомный механизм, более не вмешивается в его работу, или то, что душа умирает вместе с телом.

Первые теории о строении атома

Одна из первых теорий о строении атома, которая имеет уже современные очертания, была описана Галилеем (1564-1642). По его теории вещество состоит из частиц, которые не находятся в состоянии покоя, а под воздействием тепла движутся во все стороны; тепло - является ничем иным как движением частиц. Структура частиц является сложной, и если лишить любую часть ее материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто, хотя и в фантастической форме, представил строение атома.

Научные основы

В 19 веке Джон Дальтон получил свидетельство существования атомов, но предполагал, что они неделимы. Эрнест Резерфорд показал экспериментально, что атом состоит из ядра, окруженного отрицательно заряженными частицами - электронами.

Начиная от периода античности и до средины 18-го века в науке господствовали представления о том, что атом - это частица материи, которую нельзя разделить. Английский ученый, а также и естествоиспытатель Д. Дальтон дал определение атома как наименьшей составной части химического элемента. М. В. Ломоносов в своем атомно-молекулярном учении смог дать определение атома и молекулы. Он был уверен в том, что молекулы, которые он называл «корпускулами», состоят из «элементов» - атомов - и находятся в постоянном движении.

Д. И. Менделеев считал, что эта субъединица веществ, составляющих материальный мир, сохраняет все свои свойства только в случае, если она не подвергается разделению. В данной статье мы дадим определение атома как объекта микромира и изучим его свойства.

Предпосылки создания теории строения атома

В 19 веке общепризнанным считалось утверждение о неделимости атома. Большинство ученых считали, что частицы одного химического элемента ни при каких условиях не могут превратиться в атомы другого элемента. Эти представления служили основой, на которой базировалось определение атома до 1932 года. В конце 19 столетия в науке были сделаны фундаментальные открытия, которые изменили эту точку зрения. Прежде всего в 1897 году английским физиком Д. Ж. Томсоном был открыт электрон. Этот факт в корне менял представления ученых о неделимости составной части химического элемента.

Как доказать, что атом сложно устроен

Еще до ученые единодушно сходились во мнении о том, что атомы не имеют зарядов. Потом было установлено, что электроны легко выделяются из какого угодно химического элемента. Их можно обнаружить в пламени, они являются переносчиками электрического тока, их выделяют вещества во время рентгеновского излучения.

Но если электроны входят в состав всех без исключения атомов и заряжены отрицательно, значит, в атоме есть еще какие-то частицы, которые обязательно имеют положительный заряд, в противном случае атомы не были бы электронейтральными. Помочь разгадать строение атома помогло такое физическое явление, как радиоактивность. Оно дало правильно определение атома в физике, а затем и в химии.

Невидимые лучи

Французским физиком А. Беккерелем было впервые описано явление испускания атомами некоторых химических элементов, визуально невидимых лучей. Они ионизируют воздух, проходят через вещества, вызывают почернение фотопластинок. Позже супруги Кюри и установили, что радиоактивные вещества превращаются в атомы других химических элементов (например, уран - в нептуний).

Радиоактивное излучение неоднородно по составу: альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи. Таким образом, явление радиоактивности подтвердило, что частицы элементов таблицы Менделеева имеют сложное строение. Этот факт послужил причиной изменений, внесенных в определение атома. Из каких частиц состоит атом, если учитывать полученные Резерфордом новые научные факты? Ответом на этот вопрос стала предложенная ученым ядерная модель атома, согласно которой вокруг положительно-заряженного ядра вращаются электроны.

Противоречия модели Резерфорда

Теория ученого, несмотря на ее выдающийся характер, не смогла объективно дать определение атома. Её выводы шли вразрез с фундаментальными законами термодинамики, согласно которым все электроны, вращающиеся вокруг ядра, теряют свою энергию и, как бы то ни было, рано или поздно должны упасть на него. Атом в этом случае разрушается. Этого на самом деле не происходит, так как химические элементы и частицы, из которых они состоят, существуют в природе очень долго. Необъяснимо такое определение атома, базирующиеся на теории Резерфорда, равно как и явление, возникающее при пропускании раскаленных простых веществ через дифракционную решетку. Ведь образующиеся при этом атомные спектры имеют линейную форму. Это вступало в противоречие с резерфордовской моделью атома, согласно которой спектры должны были бы быть сплошными. Согласно представлениям квантовой механики, в настоящее время электроны характеризуются в ядре не как точечные объекты, а как имеющие вид электронного облака.

Наибольшая его плотность в определенном локусе пространства вокруг ядра и считается местоположением частицы в данный момент времени. Также было выяснено, что в атоме электроны расположены послойно. Количество слоев можно определить, зная номер периода, в котором находится элемент в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, атом фосфора содержит 15 электроном и имеет 3 энергетических уровня. Показатель, определяющий количество энергетических уровней, называют главным квантовым числом.

Экспериментально было установлено, что электроны энергетического уровня, расположенного ближе всех к ядру, имеют наименьшую энергию. Каждая энергетическая оболочка делится на подуровни, а они, в свою очередь, на орбитали. Электроны, расположенные на различных орбиталях, имеют равную форму облака (s, p, d, f).

Исходя из вышесказанного следует, что форма электронного облака не может быть произвольной. Она строго определена согласно орбитального Добавим еще и то, что состояние электрона в макрочастице определяется еще двумя значениями - магнитным и спиновым квантовыми числами. Первое базируется на уравнении Шредингера и характеризует пространственную ориентацию электронного облака исходя из трехмерности нашего мира. Второй показатель - спиновое число, по нему определяют вращение электрона вокруг своей оси по или против часовой стрелки.

Открытие нейтрона

Благодаря работам Д. Чедвика, проведенным им в 1932 году, было дано новое определение атома в химии и физике. В своих опытах ученый доказал, что при расщеплении полония возникает излучение, вызванное частицами, не имеющими заряда, с массой 1,008665. Новая элементарная частица была названа нейтроном. Её открытие и изучение её свойств позволило советским ученым В. Гапону и Д. Иваненко создать новую теорию строения атомного ядра, содержащего протоны и нейтроны.

Согласно новой теории, определение атома вещества имело следующий вид: это структурная единица химического элемента, состоящая из ядра, содержащего протоны и нейтроны и электронов, движущихся вокруг него. Число положительных частиц в ядре всегда равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе.

В дальнейшем профессор А. Жданов в своих опытах подтвердил, что под влиянием жесткого космического излучения атомные ядра расщепляются на протоны и нейтроны. Кроме этого, было доказано, что силы, удерживающие эти элементарные частицы в ядре, чрезвычайно энергоемкие. Они действуют на очень коротких расстояниях (порядка 10 -23 см) и называются ядерными. Как было сказано ранее, еще М. В. Ломоносов смог дать определение атома и молекулы исходя из известных ему научных фактов.

В настоящее время общепризнанной считают следующую модель: атом состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг него по строго определенным траекториям - орбиталям. Электроны одновременно проявляют свойства и частицы, и волны, то есть, имеют дуальную природу. В ядре атома сосредоточена практически вся его масса. Она состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами.

Можно ли взвесить атом

Оказывается, каждый атом имеет массу. Например, у гидрогена она равна 1,67х10 -24 г. Даже трудно представить насколько мала эта величина. Чтобы найти вес такого объекта, используют не весы, а осциллятор, представляющий собой углеродную нанотрубку. Для расчета веса атома и молекулы более удобной величиной является относительная масса. Она показывает, во сколько раз вес молекулы или атома больше чем 1/12 часть атома карбона, которая составляет 1,66х10 -27 кг. Относительные атомные массы указаны в периодической системе химических элементов, и они не имеют размерности.

Ученые хорошо знают, что атомная масса химического элемента - это средняя величина массовых чисел всех его изотопов. Оказывается, в природе единицы одного химического элемента могут иметь различные массы. При этом заряды ядер таких структурных частиц одинаковы.

Учеными установлено, что изотопы различаются между собой количеством нейтронов в ядре, а заряд ядер у них одинаков. Например, у атома хлора, имеющего массу 35 содержится 18 нейтронов и 17 протонов, а с массой 37 - 20 нейтронов и 17 протонов. Многие химические элементы представляют собой смеси изотопов. Например, такие простые вещества, как калий, аргон, кислород содержат в своем составе атомы, представляющие 3 разных изотопа.

Определение атомарности

Оно имеет несколько трактовок. Рассмотрим, что понимают под этим термином в химии. Если атомы какого-либо химического элемента способны хотя бы кратковременно существовать обособленно, не стремясь к образованию более сложной частицы - молекулы, то говорят, что такие вещества имеют атомарное строение. Например, многостадийная реакция хлорирования метана. Она широко применяется в химии органического синтеза для получения важнейших галогеносодержащих производных: дихлорметана, четыреххлористого углерода. В ней происходит расщепление молекул хлора на атомы, обладающие высокой реакционной способностью. Они разрушают сигма-связи в молекуле метана, обеспечивая цепную реакцию замещения.

Еще один пример химического процесса, имеющего большое значение в промышленности - использование пероксида водорода в качестве дезинфицирующего и отбеливающего средства. Определение атомарного кислорода, как продукта расщепления перекиси водорода, происходит как в живых клетках (под действием фермента каталазы), так и в лабораторных условиях. качественно определяют по его высоким антиоксидантным свойствам, а также по способности разрушать патогенные агенты: бактерии, грибы и их споры.

Как устроена атомная оболочка

Нами было уже выяснено ранее, что структурная единица химического элемента имеет сложное строение. Вокруг положительно-заряженного ядра вращаются отрицательные частицы электроны. Лауреат Нобелевской премии Нильс Бор, основываясь на квантовой теории света, создал свое учение, в котором характеристика и определение атома имеют следующий вид: электроны двигаются вокруг ядра только по определенным стационарным траекториям, при этом не излучают энергию. Учение Бора доказало, что частицы микромира, к которым относятся атомы и молекулы, не подчиняются законам, справедливым для больших тел - объектов макрокосмоса.

Строение электронных оболочек макрочастиц было изучено в работах по квантовой физике таких ученых, как Хунд, Паули, Клечковский. Так стало известно, что электроны делают вращательные движения вокруг ядра не хаотично, а по определенным стационарным траекториям. Паули установил, что в пределах одного энергетического уровня на каждой из его орбиталей s, p, d, f в электронных ячейках может находиться не более двух отрицательно заряженных частиц с противоположным значением спина + ½ и - ½.

Правило Хунда объяснило, как правильно заполняются электронами орбитали с одинаковым уровнем энергии.

Правило Клечковского, называемое еще правилом n+l, объяснило, как заполняются орбитали многоэлектронных атомов (элементов 5, 6, 7 периодов). Все вышеперечисленные закономерности послужили теоретическим обоснованием системы химических элементов, созданной Дмитрием Менделеевым.

Степень окисления

Она является фундаментальным понятием в химии и характеризует состояние атома в молекуле. Современное определение степени окисления атомов звучит следующим образом: это условный заряд атома в молекуле, который рассчитывают исходя из представлений, что молекула имеет только ионный состав.

Степень окисления может выражаться целым или дробным числом, с положительным, отрицательным или нулевым значениями. Чаще всего атомы химических элементов имеют несколько степеней окисления. Например, у азота это -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. А вот такой химический элемент, как фтор, во всех своих соединениях имеет только одну степень окисления, равную -1. Если он представлен простым веществом, то его степень окисления равна нулю. Этой химической величиной удобно пользоваться для классификации веществ и для описания их свойств. Чаще всего степенью окисления атома пользуются в химии при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Свойства атомов

Благодаря открытиям квантовой физики, современное определение атома, базирующееся на теории Д. Иваненко и Е. Гапона, дополняется следующими научными фактами. Строение ядра атома не изменяется во время химических реакций. Изменению подвергаются только стационарные электронные орбитали. Их строением можно объяснить очень много физических и химических свойств веществ. Если электрон покидает стационарную орбиту и переходит на орбиталь с более высоким показателем энергии, такой атом называется возбужденным.

Нужно отметить, что электроны не могут длительное время находиться на таких несвойственных им орбиталях. Возвращаясь на свою стационарную орбиту, электрон излучает квант энергии. Изучение таких характеристик структурных единиц химических элементов, как сродство к электрону, электроотрицательность, энергия ионизации, позволило ученым не только дать определение атома, как важнейшей частице микромира, но также позволило им объяснить способность атомов образовывать стойкое и энергетически более выгодное молекулярное состояние материи, возможное вследствие создания различных типов устойчивой химической связи: ионной, ковалентно-полярной и неполярной, донорно-акцепторной (как разновидности ковалентной связи) и металлической. Последняя обуславливает важнейшие физические и химические свойства всех металлов.

Экспериментально установлено, что размер атома может изменяться. Всё будет зависеть от того, в какую молекулу он входит. Благодаря рентгеноструктурному анализу можно рассчитать расстояние между атомами в химическом соединении, а также узнать радиус структурной единицы элемента. Владея закономерностями изменения радиусов атомов, входящих в период или в группу химических элементов, можно спрогнозировать их физические и химические свойства. Например, в периодах с увеличением заряда ядра атомов их радиусы уменьшаются («сжатие атома»), поэтому металлические свойства соединений ослабевают, а неметаллические усиливаются.

Таким образом, знания о позволяют точно определить физические и химические свойства всех элементов, входящих в периодическую систему Менделеева.

от гр. а - отрицательная частица и temnein - разделять): наименьший элемент тела, являющийся, как показывает само слово, неделимым (по крайней мере так считалось вплоть до начала нашего века).

Отличное определение

Неполное определение ↓

АТОМ

(греч. ?????? - неделимый) - мельчайшая частица хим. элемента, сохраняющая его свойства. Понятие «А.» как мельчайшей неделимой частицы вещества (материи) было введено в V в. до н.э. Демокритом. Философы и естествоиспытатели XVI- XVIII вв. использовали это понятие наряду с терминами «корпускула» (лат. corpuscula - маленькое тельце) и «индивид» (лат. individuum - букв. неделимый) примерно в том же смысле. До конца XIX в. в физике и химии господствовало представление о неделимости А., но после открытия Дж.Дж.Томсоном электрона (1897) стало ясно, что А. имеет сложную структуру. В результате опытов Э.Резерфорда (1909-11) была установлена ядерная модель А. Первая квантовая теория А. была разработана Н.Бором (1911-13). По совр. представлениям А. состоит из ядра и электронных оболочек. Ядро состоит из протонов и нейтронов; в нем сосредоточена практически вся масса А. и весь положительный заряд: qя = Ze, где Z - порядковый номер элемента в табл. Менделеева, e = 1,6 · 10-19 Кл - элементарный заряд. Число протонов в ядре Np = Z. Электроны движутся вокруг ядра, образуя электронные оболочки. Число электронов в А. также равно Z. Их отрицательный заряд -Ze нейтрализует положительный заряд ядра, что и приводит к нейтральности А. Число нейтронов в ядре Nн = A–Z, где A - массовое число (целое число, ближайшее к массе А. в табл. Менделеева). Электроны по энергетическим состояниям и оболочкам распределяются в соответствии с принципом Паули. Средний размер А. равен ~10-10 м, его ядра ~10-15 м. Ф.М.Дягилев