Размерът на един атом е приблизително. Голяма енциклопедия на нефта и газа. На числата, свързани с атома

Атом (от гръцки άτομοσ - неделим) е най-малката частица от химичен елемент, която запазва всички свои химични свойства. Атомът се състои от плътно ядро ​​от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони, което е заобиколено от много по-голям облак от отрицателно заредени електрони. Когато броят на протоните съвпада с броя на електроните, атомът е електрически неутрален, в противен случай той е йон с определен заряд. Атомите се класифицират по броя на протоните и неутроните: броят на протоните определя химичния елемент, а броят на неутроните определя нуклида на елемента.

Образувайки връзки помежду си, атомите се комбинират в молекули и големи твърди тела.

Човечеството знае за съществуването на най-малките частици материя от древни времена, но потвърждение за съществуването на атомите е получено едва в края на 19 век. Но почти веднага стана ясно, че атомите от своя страна имат сложна структура, която определя техните свойства.

Концепцията за атома като най-малката неделима частица материя е предложена за първи път от древногръцките философи. През 17-ти и 18-ти век химиците установяват, че химикалите реагират в определени пропорции, които се изразяват в малки числа. Освен това те идентифицираха някои прости вещества, които нарекоха химични елементи. Тези открития доведоха до възраждане на идеята за неделимите частици. Развитието на термодинамиката и статистическата физика показа, че топлинните свойства на телата могат да се обяснят с движението на такива частици. В крайна сметка размерите на атомите бяха експериментално определени.

В края на 19-ти и началото на 20-ти век физиците откриват първата от субатомните частици, електрона, а малко по-късно и атомното ядро, като по този начин показват, че атомът не е неделим. Развитието на квантовата механика даде възможност да се обясни не само структурата на атомите, но и техните свойства: оптични спектри, способността да влизат в реакции и да образуват молекули, т.е.

Обща характеристика на структурата на атома

Съвременните представи за структурата на атома се основават на квантовата механика.

На популярно ниво структурата на атома може да бъде описана от гледна точка на вълновия модел, който се основава на модела на Бор, но също така взема предвид допълнителна информация за квантовата механика.

За този модел:

Атомите се състоят от елементарни частици (протони, електрони и неутрони). Масата на атома е концентрирана най-вече в ядрото, така че по-голямата част от обема е относително празна. Ядрото е заобиколено от електрони. Броят на електроните е равен на броя на протоните в ядрото, броят на протоните определя поредния номер на елемента в периодичната система. В неутрален атом общият отрицателен заряд на електроните е равен на положителния заряд на протоните. Атомите на един и същи елемент с различен брой неутрони се наричат ​​изотопи.
В центъра на атома е малко, положително заредено ядро, съставено от протони и неутрони.
Ядрото на атома е около 10 000 пъти по-малко от самия атом. Така, ако един атом се увеличи до размера на летище Бориспол, размерът на ядрото ще бъде по-малък от размера на топка за тенис на маса.
Ядрото е заобиколено от електронен облак, който заема по-голямата част от обема му. В електронен облак могат да се разграничат обвивки, за всяка от които има няколко възможни орбитали. Запълнените орбитали съставляват електронната конфигурация, характерна за всеки химичен елемент.
Всяка орбитала може да съдържа до два електрона, характеризиращи се с три квантови числа: основно, орбитално и магнитно.
Всеки електрон в орбитала има уникална стойност за четвъртото квантово число: спин.
Орбиталите се определят от специфично разпределение на вероятностите за това къде точно може да бъде намерен електрон. Примери за орбитали и техните обозначения са показани на фигурата вдясно. „Границата“ на една орбитала е разстоянието, при което вероятността един електрон да бъде извън нея е по-малка от 90%.
Всяка обвивка може да съдържа не повече от строго определен брой електрони. Например най-близката до ядрото обвивка може да има максимум два електрона, следващата - 8, третата от ядрото - 18 и т.н.
Когато електроните се присъединят към атом, те попадат в нискоенергийна орбитала. Само електроните от външната обвивка могат да участват в образуването на междуатомни връзки. Атомите могат да даряват и да получават електрони, превръщайки се в положително или отрицателно заредени йони. Химичните свойства на даден елемент се определят от лекотата, с която ядрото може да дарява или придобива електрони. Зависи както от броя на електроните, така и от степента на запълване на външната обвивка.
Размер на атома

Размерът на атома е величина, която е трудна за измерване, тъй като централното ядро ​​е заобиколено от размазан електронен облак. За атоми, които образуват твърди кристали, разстоянието между съседни места на кристалната решетка може да служи като приблизителна стойност на техния размер. За атомите не се образуват кристали, използват се други техники за оценка, включително теоретични изчисления. Например, размерът на водороден атом се оценява на 1,2 × 10-10 m. Тази стойност може да се сравни с размера на протона (който е ядрото на водороден атом): 0,87 × 10-15 m и се уверете, че че ядрото на водородния атом е 100 000 пъти по-малко от самия атом. Атомите на други елементи запазват приблизително същото съотношение. Причината за това е, че елементите с голямо положително заредено ядро ​​привличат по-силно електрони.

Друга характеристика на размера на атома е радиусът на Ван дер Ваалс - разстоянието, на което друг атом може да се доближи до даден атом. Междуатомните разстояния в молекулите се характеризират с дължината на химичните връзки или ковалентния радиус.

Ядро

Основната маса на атома е концентрирана в ядрото, което се състои от нуклони: протони и неутрони, свързани помежду си чрез силите на ядрено взаимодействие.

Броят на протоните в ядрото на атома определя неговия атомен номер и елемента, към който атомът принадлежи. Например въглеродните атоми съдържат 6 протона. Всички атоми с определен атомен номер имат еднакви физически характеристики и проявяват едни и същи химични свойства. Елементите са изброени в периодичната таблица във възходящ ред на атомния номер.

Общият брой протони и неутрони в атома на даден елемент определя неговата атомна маса, тъй като протонът и неутронът имат маса приблизително 1 amu. Неутроните в ядрото не влияят на това към кой елемент принадлежи даден атом, но химическият елемент може да има атоми с еднакъв брой протони и различен брой неутрони. Такива атоми имат еднакъв атомен номер, но различна атомна маса и се наричат ​​изотопи на елемента. Когато се изписва името на изотоп, след него се изписва атомната маса. Например, изотопът въглерод-14 съдържа 6 протона и 8 неутрона, за обща атомна маса от 14. Друг популярен метод за отбелязване е надписът на атомната маса преди символа на елемента. Например въглерод-14 се нарича 14C.

Атомната маса на даден елемент, дадена в периодичната таблица, е средната стойност на масите на естествено срещащите се изотопи. Осредняването се извършва според изобилието на изотопа в природата.

С увеличаване на атомния номер се увеличава положителният заряд на ядрото и следователно кулоновото отблъскване между протоните. Все повече и повече неутрони са необходими, за да държат протоните заедно. Голям брой неутрони обаче са нестабилни и това обстоятелство налага ограничение върху възможния заряд на ядрото и броя на химичните елементи, които съществуват в природата. Химическите елементи с високи атомни числа имат много кратък живот, могат да бъдат създадени само чрез бомбардиране на ядрата на леките елементи с йони и се наблюдават само по време на експерименти с използване на ускорители. Към февруари 2008 г. унуноктиумът е най-тежкият синтезиран химичен елемент.

Много изотопи на химичните елементи са нестабилни и се разпадат с времето. Това явление се използва от радиоелементния тест за определяне на възрастта на обектите и е от голямо значение за археологията и палеонтологията.

Модел на Бор

Моделът на Бор е първият физически модел, който успя да опише правилно оптичните спектри на водородния атом. След разработването на точните методи на квантовата механика, моделът на Бор има само историческо значение, но поради своята простота той все още се преподава широко и се използва за качествено разбиране на структурата на атома.

Моделът на Бор се основава на планетарния модел на Ръдърфорд, който описва атома като малко положително заредено ядро ​​с отрицателно заредени електрони в орбити на различни нива, което наподобява структурата на слънчевата система. Ръдърфорд предложи планетарен модел, за да обясни резултатите от своите експерименти върху разсейването на алфа частици от метално фолио. Според планетарния модел атомът се състои от тежко ядро, около което се въртят електрони. Но фактът, че електроните, въртящи се около ядрото, не падат спираловидно върху него, беше непонятен за физиците от онова време. Всъщност, според класическата теория на електромагнетизма, електрон, който се върти около ядрото, трябва да излъчва електромагнитни вълни (светлина), което би довело до постепенна загуба на енергия и падане върху ядрото. И така, как изобщо може да съществува атом? Освен това изследването на електромагнитния спектър на атомите показа, че електроните в атома могат да излъчват светлина само с определена честота.

Тези трудности са преодолени в модела, предложен от Нилс Бор през 1913 г., който постулира, че:

Електроните могат да бъдат само в орбити, които имат дискретни квантувани енергии. Тоест не всички орбити са възможни, а само някои конкретни. Точните стойности на енергиите на допустимите орбити зависят от атома.
Законите на класическата механика не се прилагат, когато електроните се движат от една допустима орбита в друга.
Когато един електрон се движи от една орбита в друга, разликата в енергията се излъчва (или поглъща) от единичен квант светлина (фотон), чиято честота е пряко свързана с енергийната разлика между двете орбити.

където ν е честотата на фотона, E е енергийната разлика и h е константа на пропорционалност, известна също като константа на Планк.
Определете какво може да се напише

където ω е ъгловата честота на фотона.
Допустимите орбити зависят от квантуваните стойности на орбиталния ъглов момент L, описан от уравнението

където n = 1,2,3,...
и се нарича квантово число на ъгловия момент.
Тези предположения позволиха да се обяснят резултатите от тогавашните наблюдения, например защо спектърът се състои от дискретни линии. Предположение (4) гласи, че най-малката стойност на n е 1. Съответно най-малкият допустим атомен радиус е 0,526 Å (0,0529 nm = 5,28 10-11 m). Тази стойност е известна като радиус на Бор.

Моделът на Бор понякога се нарича полукласически, защото въпреки че включва някои идеи от квантовата механика, той не е пълно квантово механично описание на водородния атом. Моделът на Бор обаче беше значителна стъпка към такова описание.

При строго квантово-механично описание на водородния атом енергийните нива се намират от решението на стационарното уравнение на Шрьодингер. Тези нива се характеризират с трите квантови числа, споменати по-горе, формулата за квантуване на ъгловия импулс е различна, квантовото число на ъгловия момент е нула за сферични s-орбитали, едно за удължени p-орбитали с форма на дъмбел и т.н. (вижте снимката по-горе).

Енергията на атома и нейното квантуване

Енергийните стойности, които един атом може да има, се изчисляват и интерпретират въз основа на разпоредбите на квантовата механика. Това отчита такива фактори като електростатичното взаимодействие на електроните с ядрото и електроните помежду си, завъртанията на електроните, принципа на идентичните частици. В квантовата механика състоянието, в което се намира атомът, се описва с вълнова функция, която може да се намери от решението на уравнението на Шрьодингер. Има определен набор от състояния, всяко от които има определена енергийна стойност. Състоянието с най-ниска енергия се нарича основно състояние. Други състояния се наричат ​​възбудени. Атомът е във възбудено състояние за крайно време, излъчвайки рано или късно квант електромагнитно поле (фотон) и преминавайки в основно състояние. Един атом може да остане в основно състояние за дълго време. За да се възбуди, той се нуждае от външна енергия, която може да дойде при него само от външната среда. Атомът излъчва или поглъща светлина само при определени честоти, съответстващи на разликата в енергиите на неговите състояния.

Възможните състояния на атома се индексират с квантови числа като въртене, квантово число на орбитален импулс, квантово число на пълен импулс. Можете да прочетете повече за тяхната класификация в статията електронен термин

Електронни обвивки на сложни атоми

Сложните атоми имат десетки, а за много тежките елементи дори стотици електрони. Съгласно принципа на идентичните частици, електронните състояния на атомите се формират от всички електрони и е невъзможно да се определи къде се намира всеки от тях. Но в така нареченото едноелектронно приближение може да се говори за определени енергийни състояния на отделните електрони.

Според тези идеи има определен набор от орбитали, които са запълнени с електроните на атома. Тези орбитали образуват определена електронна конфигурация. Всяка орбитала може да съдържа не повече от два електрона (принцип на изключване на Паули). Орбиталите са групирани в обвивки, всяка от които може да има само определен фиксиран брой орбитали (1, 4, 10 и т.н.). Орбиталите се делят на вътрешни и външни. В основното състояние на атома вътрешните обвивки са напълно запълнени с електрони.

Във вътрешните орбитали електроните са много близо до ядрото и са силно прикрепени към него. За да извадите електрон от вътрешната орбита, трябва да му осигурите много енергия, до няколко хиляди електронволта. Електрон на вътрешната обвивка може да получи такава енергия само чрез поглъщане на рентгенов квант. Енергиите на вътрешните обвивки на атомите са индивидуални за всеки химичен елемент и следователно атомът може да бъде идентифициран чрез спектъра на рентгенова абсорбция. Това обстоятелство се използва в рентгеновия анализ.

Във външната обвивка електроните са далеч от ядрото. Именно тези електрони участват в образуването на химични връзки, така че външната обвивка се нарича валентна, а електроните на външната обвивка се наричат ​​валентни електрони.

Квантови преходи в атома

Възможни са преходи между различни състояния на атомите, причинени от външно смущение, по-често от електромагнитно поле. Поради квантуването на атомните състояния, оптичните спектри на атомите се състоят от отделни линии, ако енергията на светлинния квант не надвишава йонизационната енергия. При по-високи честоти оптичните спектри на атомите стават непрекъснати. Вероятността за възбуждане на атом от светлина намалява с по-нататъшно увеличаване на честотата, но се увеличава рязко при определени честоти, характерни за всеки химичен елемент в рентгеновия диапазон.

Възбудените атоми излъчват светлинни кванти със същите честоти, при които се извършва абсорбцията.

Преходите между различни състояния на атомите също могат да бъдат причинени от взаимодействия с бързо заредени частици.

Химични и физични свойства на атома

Химичните свойства на атома се определят главно от валентните електрони - електроните във външната обвивка. Броят на електроните във външната обвивка определя валентността на атома.

Атомите от последната колона на периодичната таблица на елементите имат напълно запълнена външна обвивка и за прехода на електрона към следващата обвивка трябва да се предостави много голямо количество енергия на атома. Следователно тези атоми са инертни, не са склонни да влизат в химични реакции. Инертните газове се разреждат и кристализират само при много ниски температури.

Атомите от първата колона на периодичната таблица на елементите имат един електрон на външната обвивка и са химически активни. Тяхната валентност е 1. Характерен вид химична връзка за тези атоми в кристализирано състояние е металната връзка.

Атомите от втората колона на периодичната таблица в основно състояние имат 2 s-електрона на външната обвивка. Външната им обвивка е запълнена, затова трябва да са инертни. Но преходът от основното състояние с конфигурация на електронна обвивка s2 към състояние с конфигурация s1p1 изисква много малко енергия, така че тези атоми имат валентност 2, но показват по-малко активност.

Атомите от третата колона на периодичната таблица на елементите имат електронна конфигурация s2p1 в основно състояние. Те могат да показват различни валентности: 1, 3, 5. Последната възможност възниква, когато електронната обвивка на атома е завършена до 8 електрона и стане затворена.

Атомите в четвъртата колона на периодичната таблица на елементите имат валентност 4 (например въглероден диоксид CO2), въпреки че е възможна и валентност 2 (например въглероден оксид CO). Преди тази колона принадлежи въглеродът - елемент, който образува голямо разнообразие от химични съединения. Специален клон на химията е посветен на въглеродните съединения - органичната химия. Други елементи от тази колона - силиций, германий при нормални условия са полупроводници в твърдо състояние.

Елементите от петата колона имат валентност 3 или 5.

Елементите от шестата колона на периодичната таблица в основно състояние имат конфигурация s2p4 и общ спин 1. Следователно те са двувалентни. Съществува също така възможността атом да премине във възбудено състояние s2p3s" със спин 2, в който валентността е 4 или 6.

На елементите от седмата колона на периодичната таблица липсва един електрон във външната обвивка, за да я запълнят. Те са предимно едновалентни. Въпреки това, те могат да влизат в химични съединения във възбудени състояния, показвайки валенции от 3,5,7.

Преходните елементи се характеризират със запълване на външната s-обвивка преди d-обвивката да бъде напълно запълнена. Следователно те най-често имат валентност 1 или 2, но в някои случаи един от d-електроните участва в образуването на химични връзки и валентността става равна на три.

Когато се образуват химични съединения, атомните орбитали се модифицират, деформират и стават молекулни орбитали. В този случай протича процесът на хибридизация на орбиталите - образуване на нови орбитали, като специфичен сбор от базовите.

История на понятието атом

Прочетете повече в статията атомистика
Концепцията за атом, както и самата дума, има древногръцки произход, въпреки че истинността на хипотезата за съществуването на атомите е потвърдена едва през 20 век. Основната идея зад тази концепция през всички векове беше идеята за света като набор от огромен брой неделими елементи, които са много прости по структура и съществуват от началото на времето.

Първите проповедници на атомистичното учение

Философът Левкип е първият, който проповядва атомистични учения през 5 век пр.н.е. Тогава щафетата поема ученикът му Демокрит. От техните произведения са оцелели само фрагменти, от които става ясно, че те изхождат от малък брой доста абстрактни физически хипотези:

„Сладост и горчивина, топлина и студ са смисълът на определението, всъщност [само] атоми и празнота.“

Според Демокрит цялата природа се състои от атоми, най-малките частици материя, които почиват или се движат в напълно празно пространство. Всички атоми имат проста форма, а атомите от един и същи вид са идентични; разнообразието на природата отразява разнообразието от форми на атоми и разнообразието от начини, по които атомите могат да се свързват един с друг. И Демокрит, и Левкип вярваха, че атомите, след като са започнали да се движат, продължават да се движат според законите на природата.

Най-труден за древните гърци бил въпросът за физическата реалност на основните концепции на атомизма. В какъв смисъл би могло да се говори за реалността на празнотата, ако, като няма материя, тя не може да има никакви физически свойства? Идеите на Левкип и Демокрит не могат да послужат като задоволителна основа за теорията за материята на физическия план, тъй като те не обясняват от какво не са направени атомите, нито защо атомите са неделими.

Едно поколение след Демокрит, Платон предлага своето решение на този проблем: „най-малките частици не принадлежат към царството на материята, а към царството на геометрията; те са различни телесни геометрични фигури, ограничени от плоски триъгълници.

Концепцията за атома в индийската философия

Хиляда години по-късно абстрактните разсъждения на древните гърци проникнали в Индия и били възприети от някои школи на индийската философия. Но ако западната философия вярваше, че атомистичната теория трябва да стане конкретна и обективна основа за теорията за материалния свят, индийската философия винаги е възприемала материалния свят като илюзия. Когато атомизмът се появи в Индия, той прие формата на теория, според която реалността в света има процес, а не субстанция, и че ние присъстваме в света като връзки в процес, а не като съсиреци от материя.

Тоест, както Платон, така и индийските философи са мислили нещо подобно: ако природата се състои от малки, но ограничени по размер дялове, тогава защо те не могат да бъдат разделени, поне във въображението, на още по-малки частици, които станаха предмет за допълнително разглеждане?

Атомистичната теория в римската наука

Римският поет Лукреций (96 - 55 пр. н. е.) е един от малкото римляни, които проявяват интерес към чистата наука. В поемата си За природата на нещата (De rerum natura) той изгражда подробно фактите, които свидетелстват в полза на атомистичната теория. Например, вятър, който духа с голяма сила, въпреки че никой не може да го види, вероятно е съставен от частици, които изтичат, за да ги видят. Можем да усетим нещата от разстояние чрез миризма, звук и топлина, които се разпространяват, без да бъдат видими.

Лукреций свързва свойствата на нещата със свойствата на техните съставни части, т.е. атоми: течните атоми са малки и заоблени, поради което течността тече толкова лесно и се просмуква през пореста материя, докато твърдите атоми имат куки, които ги държат заедно. По същия начин различни вкусови усещания и звуци с различна сила са съставени от атоми с подходяща форма - от прости и хармонични до криволичещи и неправилни.

Но ученията на Лукреций бяха осъдени от църквата, тъй като той им даде доста материалистично тълкуване: например идеята, че Бог, след като веднъж е задействал атомния механизъм, вече не се намесва в неговата работа или че душата умира с тяло.

Първите теории за структурата на атома

Една от първите теории за структурата на атома, която вече има съвременни очертания, е описана от Галилей (1564-1642). Според неговата теория материята се състои от частици, които не са в покой, а се движат във всички посоки под въздействието на топлина; топлината не е нищо друго освен движението на частиците. Структурата на частиците е сложна и ако лишите която и да е част от материалната й обвивка, тогава светлината ще бликне отвътре. Галилей е първият, който представя, макар и във фантастична форма, структурата на атома.

Научни основи

През 19 век Джон Далтън получава доказателства за съществуването на атомите, но приема, че те са неделими. Ърнест Ръдърфорд експериментално показа, че атомът се състои от ядро, заобиколено от отрицателно заредени частици - електрони.

АТОМ(от гръцки атомос - неделим), най-малката частица от хим. елемент, неговият св. Всяка хим. елементът съответства на набор от определени атоми. Свързвайки се един с друг, атомите на един или различни елементи образуват по-сложни частици, например. . Всички разновидности на хим. в-в (твърдо, течно и газообразно) поради разг. комбинации от атоми. Атомите могат да съществуват в свободното. състояние (в , ). Светите острови на атома, включително най-важните за способността на атома да образува химикал. Comm., се определят от характеристиките на неговата структура.

Обща характеристика на структурата на атома. Атомът се състои от положително заредено ядро, заобиколено от облак от отрицателно заредени. Размерите на атома като цяло се определят от размерите на неговия електронен облак и са големи в сравнение с размерите на ядрото на атома (линейните размери на атома са ~ 10 ~ 8 cm, неговите ядра са ~ 10 cm). " -10" 13 см). Електронният облак на атома няма строго определени граници, така че размерът на атома в означава. степени са условни и зависят от това как се определят (виж). Ядрото на атома се състои от Z и N, държани от ядрени сили (виж). Положителен заряд и отрицателен. таксата са еднакви в абс. стойността и са равни на e = 1,60 * 10 -19 C; няма електричество. зареждане. Ядрен заряд +Ze - основен. характеристика на атома, която определя принадлежността му към определен химикал. елемент. елемент в периодичния периодична система () е равно на числото в ядрото.

В електрически неутрален атом числото в облака е равно на числото в ядрото. Въпреки това, при определени условия, той може да загуби или да се прикрепи, обръщайки респ. в положение. или отричам. , напр. Li +, Li 2+ или O -, O 2-. Говорейки за атоми на определен елемент, те имат предвид както неутралните атоми, така и този елемент.

Масата на атома се определя от масата на неговото ядро; масата (9,109 * 10 -28 g) е приблизително 1840 пъти по-малка от масата или ( 1,67 * 10 -24 g), така че приносът към масата на атома е незначителен. Общият брой и A \u003d Z + N извикани. . и зарядът на ядрото са посочени съответно. горен и долен индекс отляво на символа на елемента, напр. 23 11 Na. Типът атоми на един елемент с определена стойност N се нарича. . Наричат ​​се атоми на един и същ елемент с еднакво Z и различно N. този елемент. Разликата в масите има малък ефект върху тяхната химия. и физически св. уа. Повечето средства, разликите () се наблюдават поради големия относителен. разлики в масите на обикновен атом (), D и T. Точните стойности на масите на атомите се определят чрез методи.

Стационарното състояние на едноелектронен атом се характеризира еднозначно с четири квантови числа: n, l, m l и m s. Енергията на атома зависи само от n, а ниво с дадено n съответства на редица състояния, различаващи се в стойностите l, m l, m s. Състоянията с дадени n и l обикновено се обозначават като 1s, 2s, 2p, 3s и т.н., където числата показват стойностите на l, а буквите s, p, d, f и по-нататък на латиница съответстват на стойностите ​​q = 0, 1, 2, 3, ... Брой разл. състояния с дадени n и q е 2(2l + 1) броят на комбинациите от стойности m l и m s. Общият брой на дек. състояния с дадено n е , т.е. нива със стойности n = 1, 2, 3, ... съответстват на 2, 8, 18, ..., 2n 2 дек. . Нивото, на което отговаря само едно (една вълнова функция), т.нар. неизродени. Ако нивото отговаря на две или повече, то се извиква. изродени (вижте). В атома енергийните нива са изродени по отношение на l и m l ; израждането в m s се извършва само приблизително, ако не се вземе предвид взаимодействието. въртящ се магнит. въртящ момент с магнитен поле поради орбитално движение в електрическо. поле на ядрото (виж). Това е релативистичен ефект, малък в сравнение с взаимодействието на Кулон, но е фундаментално значим, т.к води до допълнителни разцепване на енергийните нива, което се проявява под формата на т.нар. фина структура.

Дадени n, l и m l, квадратът на модула на вълновата функция определя средното разпределение за електронния облак в атома. разл. атомите се различават значително един от друг по разпределение (фиг. 2). По този начин, за l = 0 (s-състояния) тя е различна от нула в центъра на атома и не зависи от посоката (т.е. тя е сферично симетрична), за други състояния е равна на нула в центъра на атома и зависи от посоката.

Ориз. 2. Формата на електронните облаци за различните състояния на атома.

В многоелектронните атоми поради взаимното електростатично. отблъскването значително намалява връзката им с ядрото. Например, енергията на отделяне от He + е 54,4 eV, в неутрален атом He е много по-малко - 24,6 eV. При по-тежките атоми връзката е външна. с ядрото е още по-слаб. Важна роля в многоелектронните атоми играе специфичността. , свързани с неразличимостта, и факта, че се подчиняват, според Кром, във всеки, характеризиращ се с четири квантови числа, не може да има повече от едно. За многоелектронен атом има смисъл да се говори само за целия атом като цяло. Въпреки това, приблизително, в т.нар. едноелектронно приближение, може да се разглежда отделно и да се характеризира всяко едноелектронно състояние (определена орбитала, описана от съответната функция) чрез набор от четири квантови числа n, l, m l и m s. Множеството 2(2l + 1) в състояние с дадени n и l образува електронна обвивка (наричана още подниво, подобвивка); ако всички тези състояния са заети, черупката се извиква. запълнен (затворен). Набор от 2p 2 състояния с едно и също n, но различно l образува електронен слой (наричан още ниво, обвивка). За n = 1, 2, 3, 4, ... слоевете се означават със символите K, L, M, N, ... Броят на черупките и слоевете, когато са напълно запълнени, е даден в таблицата:

Възможни са между стационарни състояния в атома. При прехода от по-високо енергийно ниво E i към по-ниско E k атомът отдава енергия (E i - E k), при обратния преход той я получава. По време на радиационни преходи атомът излъчва или поглъща електромагнитни кванти. радиация (фотон). Възможно е и когато атомът отдава или получава енергия при взаимодействието. с други частици, с които се сблъсква (например в) или е дълготрайно свързан (в. Химичните свойства се определят от структурата на външните електронни обвивки на атомите, в които те са относително слабо свързани (енергии на свързване от няколко eV до няколко десетки eV) Структурата на външните обвивки на атомите на химични елементи от една група (или подгрупа) на периодична система е подобна, което причинява сходството на химичните свойства в тези елементи. С увеличаване на номер в запълваща обвивка, тяхната енергия на свързване, като правило, се увеличава, имат най-висока енергия на свързване в затворена обвивка Следователно атомите с един или повече в частично запълнена външна обвивка ги отдават в химически разтвори. черупки, обикновено вземете ги. Атомите със затворени външни обвивки при нормални условия не влизат в хим.

Структурата на вътрешния обвивки на атоми, които са свързани много по-силно (енергия на свързване 10 2 -10 4 eV), се появява само когато взаимодействието. атоми с бързи частици и фотони с висока енергия. Такива взаимодействия определя естеството на рентгеновите спектри и разсейването на частици ( , ) от атоми (виж ). Масата на атома определя такава физическа. Ст-ва, като импулс, кинетичен. енергия. От механични и свързани магн. и електрически моментите на ядрото на атома зависят от някои фини физически. ефекти (зависи от честотата на излъчването, което определя зависимостта на индекса на пречупване на веществото, свързано с атома, от него. Тясната връзка между оптичните свойства на атома и неговите електрически свойства е особено изразена в оптичните спектри.

===
Използвайте литература към статията "АТОМ": Карапетянц М. Х., Дракин С. И., Структура, 3-то изд., М., 1978; Е. В. Шлоки, Атомна физика, 7-мо издание, том 1-2, М., 1984. М. А. Еляшевич.

Страница "АТОМ"приготвени от материали.

„Наистина ли е възможно у дома?“ - ти питаш. Това е напълно възможно, само за да изчислите диаметъра на атома, трябва да знаете нещо. Например, че атомите на много метали могат да бъдат представени като малки, плътно опаковани сфери. В този случай атомите на топката заемат 74% от цялото пространство, а останалите 26% се падат на празнините между тях. Трябва също така да знаете как обемът на топка (Y) е свързан с нейния диаметър UD - тази формула може да се намери в учебник или в справочник по математика: V-m/b. където k = 3,14. И накрая, човек трябва да знае една много важна величина за химията, която се нарича константа на Авогадро (L/l) в чест на италианския учен от 19 век Амедео Авогадро (1776-1856). Тази константа показва колко частици - атоми, йони или молекули се съдържат в един воден мол от дадено вещество. Един мол е много удобна мерна единица за химиците, тъй като един мол от всяко вещество съдържа същия брой частици. Например. 1 mol вода (18 g), или 1 mol захар (343 g), или 1 mol кислород (32 g) съдържа същия брой молекули, равен на L "d \u003d 6,02 ¦! 0". Точно същия брой атоми съдържа 1 мол алуминий (27 г), или 1 мол мед (64 г), или 1 мол сребро (108 г). И един мол сол (58,5 g) съдържа 6,02 10 "положително заредени йони (катиони) на натрий и отрицателно заредени йони (аниони) на хлор. Концепцията за "мол" (по-рано се наричаше "грам молекула" и дори по-рано, по времето на Менделеев, - „химически дял“) е удобно с това, че може да се използва, без да се знае числената стойност на константата на Авогадро, тъй като веществата реагират помежду си в съответствие с броя на моловете в тях.
Ще говорим за това как учените са определили това огромно число, но засега нека се върнем към нашата лъжица. И така, нека имаме късмет в предишния експеримент и лъжицата се оказа направена от висококачествено сребро с плътност 10,5 g/cm1. Сега имаме всички данни, за да определим размера на "сребърния атом". В I cm "среброто съдържа 10,5 g: 108 g / mol \u003d 0,097 mol, или 0,097 ¦ 6,02 ¦ I0J1 \u003d 5,84 10" сребърни атоми. Ако не броим празнините между атомите, тогава делът на самите атоми-топки няма да бъде 1 cm3, а малко по-малко - 0,74 cm3. Това означава, че обемът на един атом е 0,74 s.m3 / 5,84-10 "= 1,27-10" cm3. Остава само да се изчисли диаметърът на сребърния атом, като се използва горната формула. Ще се окаже, че е много малък: d \u003d 3 10 4 cm или 0,3 nm (нанометър - една милиардна част от метър - най-подходящата единица за измерване на такива малки количества).
Всички атоми са много малки. Верига от милион сребърни атома, плътно опаковани един към друг, ще се разтегне само 0,3 mm. За сравнение: ако поставите милион макови семена с диаметър 1 мм във верига, тогава такава верига ще се простира на 1 км! Поради малкия размер на атомите, те не могат да се видят дори с най-мощния оптичен микроскоп. Но учените са измислили други устройства, които ви позволяват да получавате изображения на отделни атоми.
Приблизително със същия размер като атома на среброто, имат малки молекули - кислород, азот, метан, вода; всички те съдържат няколко малки тома. Има молекули, които са много по-големи: те съдържат много атоми или големи агоми (например йодни атоми). В следващия раздел ще представим един от методите за измерване на размера на молекулите. А сега - малко интересна и полезна информация за Авогадро и константата, кръстена на него.
Италианският химик Авогадро е живял много дълъг живот според стандартите на онова време. Той е роден през 1776 г. в Торино, Северна Италия. Получава диплома по право и на 20-годишна възраст е назначен за секретар на префектурата. Това са годините, когато славата на младия френски командир Наполеон гърми в Италия. Авогадро обаче не е привлечен нито от военната, нито от юридическата кариера. С времето все повече се увлича по природните науки – физика и химия, които изучава самостоятелно. През 1809 г. той започва да преподава физика в град Вертшли, близо до Торино, а през 1820 г. е назначен за професор по математическа физика в университета в Торино. Авогадро работи в университета до дълбока старост и го напуска едва през 1850 г. Авогадро умира в Торино през 1856 г. Има много малко информация за личния му живот. Авогадро е прославен от две статии, публикувани през 1811 и 1814 г. Първоначално те не предизвикаха интерес и бяха почти забравени. Днес името на Авогадро е известно на учениците от всички страни, ако учат физика и химия. Законът на Авогадро звучи много просто: „Еднакви обеми газообразни вещества при едно и също налягане и температура съдържат еднакъв брой молекули, така че плътността на различните газове служи като мярка за масата на техните молекули.“ От този закон следва, че чрез измерване на плътността на различни газове могат да се определят относителните маси, както и съставът на молекулите на газообразните съединения. Благодарните потомци нарекоха броя на частиците в един мол вещество константата на Авогадро, която беше обозначена като JVa. Между другото, самата дума "къртица" е от италиански или по-скоро латински произход. Преведено от латински, моловете означават "тегло, блок, обем". Съвременна италианска монета от два цента изобразява купол с шпил на „обемът на Антонели“ (mole A/ilonelliana), най-високата структура в Италия (167,5 м); интересно е, че тази сграда се смята за символ на Торино, родния град на Авогадро. Съответно, молекулата (с умалителна наставка -si / o) е „малка маса“, както корпускулата е „малко тяло“ (както се наричат ​​молекулите по времето на Ломоносов). В допълнение към посоченото значение, думата motes на латински означава „язовир, насип, укрепен с големи камъни“ (запомнете думата „кей“ - структура в пристанищата за защита на кораби от морски вълни) - Същият корен в латинската дума mola - „воденичен камък“ („огромен камък“) и в глагола to / o - „смила“. Оттук и чукът с чук, и кътникът - зъб, който смила твърда храна, като воденичен камък в мелница, и дори вреден молец - насекомо, което смила, изтрива нещата в брашно
Константата на Авогадро е огромно число, трудно за представяне; то е например 4 милиарда пъти по-голямо от разстоянието от Земята до Слънцето, изразено в милиметри! Това означава, че атомите и молекулите са много малки - тъй като има толкова много от тях в сравнително малко количество материя. Дори през 19 век за учените е било очевидно, че. тъй като атомите и молекулите са много малки и никой все още не ги е виждал, константата на Авогадро трябва да е много голяма. Постепенно физиците се научиха да определят размера на молекулите и стойността на константата на Авогадро - отначало много грубо, приблизително, а след това все по-точно. Първо, за тях беше ясно, че и двете величини са взаимосвързани: колкото по-малки са атомите и молекулите, толкова по-голяма ще бъде константата на Авогадро.
Преподавателите и промоутърите по химия са измислили много впечатляващи начини да визуализират огромността на това число. Ето някои от тях.
Пустинята Сахара съдържа по-малко от три мола от най-фините пясъчни зърна.
Ако обемът на една футболна топка се увеличи Λ пъти, тогава земното кълбо ще се побере в такава топка. Ако диаметърът на топката се увеличи с NA пъти, тогава най-голямата галактика, съдържаща стотици милиарди звезди, ще се побере в нея. Между другото, броят на звездите във Вселената е приблизително равен на константата на Авогадро.
Ако вземем 100 g багрило, маркираме всичките му молекули по някакъв начин, изсипем това багрило в морето и изчакаме, докато се разпредели равномерно по всички морета и океани до самото дъно, след което, като загребваме чаша вода навсякъде на земното кълбо определено ще открием, че съдържа повече от дузина „маркирани“ молекули.
При всяко вдишване на човек в дробовете му влизат поне няколко молекули кислород и азот, които се съдържат в последното издишване на Юлий Цезар (44 г. пр. н. е.).
Ако вземете един мол доларови банкноти, те ще покрият всички континенти с двукилометров плътен слой,
В древни времена на Изток измислиха такава легенда. В приказното кралство има огромна гранитна скала. Представете си, че има формата на куб с ръб, равен на 1 km. Веднъж на век гарван сяда на камък и почиства клюна си върху него. Ако приемем, че в този случай скалата е изтрита с 0,0001 години, тогава броят на годините, в които нито една песъчинка не остава от скалата, е по-малък от константата на Авогадро.

Размер на атомаопределя се от радиуса на външната му електронна обвивка. Размерите на всички атоми са ~ 10 -10 м. А размерът на ядрото е с 5 порядъка по-малък, общо - 10 -15 м. Визуално това може да бъде представено по следния начин: ако атомът се увеличи до размера на 20-етажна сграда, тогава ядрото на атома ще изглежда като милиметрова прашинка в централната стая на тази къща. Въпреки това е трудно да си представим къща, чиято маса е почти изцяло концентрирана в тази прашинка. А атомът е точно това.

Атомите са много малки и много леки. Един атом е толкова пъти по-лек от ябълка, колкото една ябълка е по-лека от глобус. Ако светът "натежи", така че един атом да започне да тежи като капка вода, тогава хората в такъв свят ще станат тежки, като планетите: децата - като Меркурий и Марс, а възрастните - като Венера и Земята.

Не можете да видите атом дори с микроскоп. Най-добрите оптични микроскопи позволяват да се разграничат детайлите на обекта, ако разстоянието между тях е ~0,2 µm. В електронен микроскоп това разстояние беше намалено до ~ 2-3 Å. За първи път беше възможно да се разграничат и заснемат отделни атоми с помощта на йонен проектор. Но никой не видя как е подреден атомът вътре. Всички данни за структурата на атомите са получени от експерименти върху разсейването на частиците.

Маса на атомното ядроняколко хиляди пъти масата на неговата електронна обвивка. Това се дължи на факта, че ядрата на атомите се състоят от много тежки, в сравнение с електроните, частици - протони. стри неутрони н.Техните маси са почти еднакви и около 2000 пъти по-големи от масата на електрона. При което протон- положително заредени частици, и неутрон- неутрален. Зарядът на протона е равен по големина на заряда на електрона. Броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката и това осигурява електрическата неутралност на атома. Броят на неутроните може да бъде различен, в ядрото на лек водороден атом изобщо няма неутрони, а в ядрото на въглероден атом може да има 6, 7 и 8.

Маса на електронааз ≈ 0,91. 10 -30 kg, протонна масаm p≈ 1,673. 10 -27 кг = 1836m e , неутронна масаm n \u003d 1,675. 10 -27 кг≈ 1840 аз

маса на атомпо-малко от сумата от масите на ядрото и електроните за размер ∆m,Наречен масов дефект, което възниква поради кулоновото взаимодействие на ядрото и електроните. Дефектът на масата на атомите (за разлика от ядрата) е много малък и въпреки че се увеличава с увеличаване З, нито един атом не надвишава масата на електрона. материал от сайта

Разбира се, един атом не може да се постави на кантар и да се претегли, твърде малък е. Масите на атомите са определени за първи път от химиците. Освен това те ги измерват в относителни единици, приемайки масата на водородния атом за единица и използвайки закона на Далтон, според който химикалите се образуват, когато атомите на химичните елементи се комбинират в строго определено съотношение. И сега масите на атомите най-често се измерват в относителни единици, но 1/12 от масата на въглеродния атом C 12.1 a.m. се използва като единица за атомна маса (a.m.u.). e.m. = 1,66057. 10 -27 кг.

Атомът е най-малката частица от химичен елемент, която запазва всички свои химични свойства. Атомът се състои от положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени електрони. Зарядът на ядрото на всеки химичен елемент е равен на произведението на Z от e, където Z е поредният номер на този елемент в периодичната система от химични елементи, e е стойността на елементарния електрически заряд.

Електрон- това е най-малката частица от вещество с отрицателен електричен заряд e=1,6·10 -19 кулона, взет за елементарен електричен заряд. Електроните, въртящи се около ядрото, са разположени върху електронните обвивки K, L, M и т.н. K е обвивката, която е най-близо до ядрото. Размерът на атома се определя от размера на неговата електронна обвивка. Един атом може да загуби електрони и да се превърне в положителен йон или да получи електрони и да стане отрицателен йон. Зарядът на един йон определя броя на загубените или получените електрони. Процесът на превръщане на неутрален атом в зареден йон се нарича йонизация.

атомно ядро(централната част на атома) се състои от елементарни ядрени частици - протони и неутрони. Радиусът на ядрото е около сто хиляди пъти по-малък от радиуса на атома. Плътността на атомното ядро ​​е изключително висока. протони- Това са стабилни елементарни частици с единичен положителен електрически заряд и маса 1836 пъти по-голяма от масата на електрона. Протонът е ядрото на най-лекия елемент, водорода. Броят на протоните в ядрото е Z. Неутроне неутрална (без електрически заряд) елементарна частица с маса, много близка до масата на протона. Тъй като масата на ядрото е сумата от масата на протоните и неутроните, броят на неутроните в ядрото на атома е A - Z, където A е масовото число на даден изотоп (виж). Протонът и неутронът, които изграждат ядрото, се наричат ​​нуклони. В ядрото нуклоните са свързани от специални ядрени сили.

Атомното ядро ​​има огромен запас от енергия, която се освобождава по време на ядрени реакции. Ядрените реакции възникват, когато атомните ядра взаимодействат с елементарни частици или с ядрата на други елементи. В резултат на ядрените реакции се образуват нови ядра. Например неутронът може да се трансформира в протон. В този случай бета-частица, т.е. електрон, се изхвърля от ядрото.

Преходът в ядрото на протон в неутрон може да се извърши по два начина: или частица с маса, равна на масата на електрона, но с положителен заряд, наречена позитрон (разпад на позитрон), се излъчва от ядрото или ядрото улавя един от електроните от най-близката K-обвивка (K -захващане).

Понякога образуваното ядро ​​има излишък от енергия (то е във възбудено състояние) и, преминавайки в нормално състояние, освобождава излишната енергия под формата на електромагнитно излъчване с много къса дължина на вълната -. Енергията, освободена по време на ядрени реакции, се използва практически в различни индустрии.

Атом (на гръцки atomos - неделим) е най-малката частица от химичен елемент, която има неговите химични свойства. Всеки елемент е изграден от определени видове атоми. Структурата на атома включва ядрото, носещо положителен електрически заряд, и отрицателно заредени електрони (виж), образувайки неговите електронни черупки. Стойността на електрическия заряд на ядрото е равна на Z-e, където e е елементарният електрически заряд, равен по големина на заряда на електрона (4,8 10 -10 е.-ст. единици), а Z е атомният номер на този елемент в периодичната система на химичните елементи (виж .). Тъй като нейонизираният атом е неутрален, броят на включените в него електрони също е равен на Z. Съставът на ядрото (виж. Атомно ядро) включва нуклони, елементарни частици с маса приблизително 1840 пъти по-голяма от масата на електрон (равен на 9,1 10 - 28 g), протони (виж), положително заредени и незаредени неутрони (виж). Броят на нуклоните в ядрото се нарича масово число и се обозначава с буквата А. Броят на протоните в ядрото, равен на Z, определя броя на електроните, влизащи в атома, структурата на електронните обвивки и хим. свойства на атома. Броят на неутроните в ядрото е A-Z. Изотопите се наричат ​​разновидности на един и същи елемент, чиито атоми се различават един от друг по масово число А, но имат еднакъв Z. По този начин в ядрата на атомите на различни изотопи на един елемент има различен брой неутрони с същия брой протони. При обозначаване на изотопи масовото число А се изписва в горната част на символа на елемента, а атомното число в долната част; например изотопите на кислорода се обозначават:

Размерите на атома се определят от размерите на електронните обвивки и за всички Z са около 10 -8 см. Тъй като масата на всички електрони на атома е няколко хиляди пъти по-малка от масата на ядрото, масата на атомът е пропорционален на масовото число. Относителната маса на атом на даден изотоп се определя по отношение на масата на атом на въглеродния изотоп C 12, взета като 12 единици, и се нарича изотопна маса. То се оказва близко до масовото число на съответния изотоп. Относителното тегло на атом на химичен елемент е средната (като се вземе предвид относителното изобилие на изотопите на даден елемент) стойност на изотопното тегло и се нарича атомно тегло (маса).

Атомът е микроскопична система и неговата структура и свойства могат да бъдат обяснени само с помощта на квантовата теория, създадена главно през 20-те години на 20 век и предназначена да опише явления в атомен мащаб. Експериментите показват, че микрочастиците - електрони, протони, атоми и др. - освен корпускулярни имат вълнови свойства, които се проявяват в дифракция и интерференция. В квантовата теория определено вълново поле, характеризиращо се с вълнова функция (Ψ-функция), се използва за описание на състоянието на микрообекти. Тази функция определя вероятностите за възможни състояния на микрообект, т.е. характеризира потенциалните възможности за проява на едни или други негови свойства. Законът за изменение на функцията Ψ в пространството и времето (уравнението на Шрьодингер), който позволява намирането на тази функция, играе същата роля в квантовата теория като законите на Нютон за движение в класическата механика. Решението на уравнението на Шрьодингер в много случаи води до дискретни възможни състояния на системата. Така, например, в случай на атом се получава поредица от вълнови функции за електрони, съответстващи на различни (квантувани) енергийни стойности. Системата от енергийни нива на атома, изчислена по методите на квантовата теория, получи блестящо потвърждение в спектроскопията. Преходът на атом от основното състояние, съответстващо на най-ниското енергийно ниво E 0, към някое от възбудените състояния E i възниква, когато определена част от енергията E i - E 0 се абсорбира. Възбуден атом преминава в по-малко възбудено или основно състояние, обикновено с излъчване на фотон. В този случай енергията на фотона hv е равна на разликата между енергиите на атома в две състояния: hv= E i - E k където h е константата на Планк (6,62·10 -27 erg·sec), v е честотата на светлината.

В допълнение към атомните спектри, квантовата теория направи възможно обяснението на други свойства на атомите. По-специално бяха обяснени валентността, природата на химичната връзка и структурата на молекулите и беше създадена теорията за периодичната система от елементи.