مفهوم اتم را معرفی کرد. فرمول های الکترونیکی اتم ها ایزوتوپ های طبیعی و مصنوعی

اتم(از یونانی atomos - غیر قابل تقسیم) - یک ذره تک هسته ای، از نظر شیمیایی غیرقابل تقسیم یک عنصر شیمیایی، حامل خواص یک ماده. مواد از اتم ها تشکیل شده اند. خود اتم از یک هسته با بار مثبت و یک ابر الکترونی با بار منفی تشکیل شده است. به طور کلی، اتم از نظر الکتریکی خنثی است. اندازه یک اتم کاملاً با اندازه ابر الکترونی آن تعیین می شود، زیرا اندازه هسته در مقایسه با اندازه ابر الکترونی ناچیز است. هسته شامل زپروتون های با بار مثبت (بار پروتون مطابق با 1+ در واحدهای دلخواه است) و ننوترون هایی که بار حمل نمی کنند (تعداد نوترون ها ممکن است برابر، کمی بیشتر یا کمتر از پروتون ها باشد). پروتون ها و نوترون ها را نوکلئون، یعنی ذرات هسته ای می نامند. بنابراین، بار هسته تنها با تعداد پروتون ها تعیین می شود و برابر با عدد ترتیبی عنصر در جدول تناوبی است. بار مثبت هسته توسط الکترون هایی با بار منفی (بار الکترون -1 در واحدهای دلخواه) جبران می شود که یک ابر الکترونی را تشکیل می دهند. تعداد الکترون ها برابر با تعداد پروتون ها است. جرم پروتون ها و نوترون ها برابر است (به ترتیب 1 و 1 amu). جرم یک اتم عمدتاً با جرم هسته آن تعیین می شود، زیرا جرم یک الکترون تقریباً 1836 برابر کمتر از جرم پروتون و نوترون است و به ندرت در محاسبات در نظر گرفته می شود. تعداد دقیق نوترون ها را می توان با تفاوت بین جرم یک اتم و تعداد پروتون ها پیدا کرد. ن=آ-ز). نوعی از اتم یک عنصر شیمیایی با هسته ای متشکل از تعداد کاملاً مشخصی از پروتون ها (Z) و نوترون ها (N) نوکلید نامیده می شود (اینها می توانند عناصر مختلف با تعداد کل نوکلئون ها (ایزوبارها) یا نوترون ها باشند. (ایزوتون)، یا یک عنصر شیمیایی - یک تعداد پروتون، اما تعداد متفاوتی نوترون (ایزومر)).

از آنجایی که تقریباً تمام جرم در هسته یک اتم متمرکز است، اما ابعاد آن در مقایسه با حجم کل اتم ناچیز است، هسته به طور معمول به عنوان یک نقطه مادی که در مرکز اتم قرار دارد پذیرفته می شود و خود اتم نیز چنین است. به عنوان سیستمی از الکترون ها در نظر گرفته می شود. در طول یک واکنش شیمیایی، هسته یک اتم (به جز واکنش های هسته ای) مانند سطوح الکترونیکی داخلی تحت تأثیر قرار نمی گیرد، اما فقط الکترون های لایه الکترونی بیرونی درگیر هستند. به همین دلیل شناخت خواص الکترون و قوانین تشکیل لایه های الکترونی اتم ها ضروری است.

خواص الکترون

قبل از مطالعه خواص الکترون و قوانین تشکیل سطوح الکترونیکی، لازم است به تاریخچه شکل گیری ایده ها در مورد ساختار اتم بپردازیم. ما تاریخچه کامل شکل گیری ساختار اتمی را در نظر نخواهیم گرفت، بلکه فقط بر مرتبط ترین و "درست" ترین ایده ها تمرکز خواهیم کرد که می توانند به وضوح نشان دهند که الکترون ها چگونه در یک اتم قرار دارند. وجود اتم ها به عنوان اجزای اولیه ماده برای اولین بار توسط فیلسوفان یونان باستان پیشنهاد شد (اگر شما شروع به تقسیم یک جسم به نصف، نصف دوباره به نصف، و غیره کنید، این روند نمی تواند به طور نامحدود ادامه یابد، ما در یک ذره توقف خواهیم کرد. که ما دیگر نمی توانیم تقسیم کنیم - این و یک اتم وجود خواهد داشت). پس از آن تاریخ ساختار اتم مسیر پیچیده ای را طی کرد و ایده های مختلفی مانند تقسیم ناپذیری اتم، مدل تامسون اتم و غیره را طی کرد. نزدیکترین مدل اتم توسط ارنست رادرفورد در سال 1911 ارائه شد. او اتم را با منظومه شمسی مقایسه کرد، جایی که هسته اتم مانند خورشید عمل می کند و الکترون ها مانند سیارات در اطراف آن حرکت می کنند. قرار دادن الکترون ها در مدارهای ثابت قدم بسیار مهمی در درک ساختار اتم بود. با این حال، چنین مدل سیاره ای از ساختار اتم در تضاد با مکانیک کلاسیک بود. واقعیت این است که وقتی یک الکترون در امتداد مدار خود حرکت می کند، باید انرژی پتانسیل را از دست بدهد و در نهایت بر روی هسته "سقوط" کند و اتم باید وجود نداشته باشد. چنین پارادوکسی با معرفی فرضیات توسط نیلز بور از بین رفت. بر اساس این فرضیه ها، الکترون در مدارهای ثابت به دور هسته حرکت می کرد و در شرایط عادی، انرژی جذب یا ساطع نمی کرد. فرضیه ها نشان می دهند که قوانین مکانیک کلاسیک برای توصیف اتم مناسب نیستند. این مدل اتم را مدل بور- رادرفورد می نامند. ادامه ساختار سیاره ای اتم، مدل مکانیکی کوانتومی اتم است که بر اساس آن، الکترون را در نظر خواهیم گرفت.

الکترون یک شبه ذره است که دوگانگی موج-ذره را نشان می دهد: همزمان هم ذره (ذره) و هم موج است. خواص یک ذره شامل جرم الکترون و بار آن و خواص موج شامل توانایی پراش و تداخل است. ارتباط بین موج و خواص جسمی الکترون در معادله دو بروگل منعکس شده است:

جایی که λ (\displaystyle \lambda) - طول موج، - جرم ذرات، - سرعت ذرات، - ثابت پلانک = 6.63·10 -34 J·s.

برای یک الکترون، محاسبه مسیر حرکت آن غیرممکن است، ما فقط می توانیم در مورد احتمال یافتن الکترون در یک مکان خاص در اطراف هسته صحبت کنیم. به همین دلیل، آنها در مورد مدارهای حرکت الکترون به دور هسته صحبت نمی کنند، بلکه در مورد اوربیتال ها - فضای اطراف هسته که در آن احتمالحضور الکترون بیش از 95٪ است. برای یک الکترون، اندازه گیری دقیق موقعیت و سرعت به طور همزمان غیرممکن است (اصل عدم قطعیت هایزنبرگ).

جایی که Δ x (\displaystyle \Delta x) - عدم قطعیت مختصات الکترون، Δ v (\displaystyle \Delta v) - خطای اندازه گیری سرعت، ħ=h/2π=1.05·10 -34 J·s
هر چه مختصات یک الکترون را دقیق‌تر اندازه‌گیری کنیم، خطا در اندازه‌گیری سرعت آن بیشتر است و بالعکس: هرچه سرعت الکترون را دقیق‌تر بدانیم، عدم قطعیت در مختصات آن بیشتر است.
وجود خواص موجی یک الکترون به ما این امکان را می دهد که معادله موج شرودینگر را برای آن اعمال کنیم.

∂ 2 Ψ ∂ x 2 + ∂ 2 Ψ ∂ y 2 + ∂ 2 Ψ ∂ z 2 + 8 π 2 متر ساعت (E - V) Ψ = 0 (\displaystyle (\frac ((\ جزئی)^(2)\Psi )(\ x^(2)))+(\frac ((\جزئی )^(2)\Psi )(\جزئی ^(2)))+(\frac ((\جزئی )^(2) \Psi )(\ z^(2)))+(\frac (8(\pi ^(2))m)(h))\چپ(E-V\راست)\Psi =0)

انرژی کل الکترون، انرژی پتانسیل الکترون، معنای فیزیکی تابع کجاست Ψ (\displaystyle \Psi) - جذر احتمال یافتن یک الکترون در فضا با مختصات ایکس, yو z(هسته مبدأ در نظر گرفته می شود).
معادله ارائه شده برای یک سیستم تک الکترونی نوشته شده است. برای سیستم های حاوی بیش از یک الکترون، اصل توصیف یکسان است، اما معادله شکل پیچیده تری به خود می گیرد. راه حل گرافیکی معادله شرودینگر هندسه اوربیتال های اتمی است. بنابراین، اوربیتال s شکل یک توپ دارد، اوربیتال p شکل یک شکل هشت با یک "گره" در مبدا دارد (روی هسته، جایی که احتمال تشخیص یک الکترون به صفر می رسد).

در چارچوب نظریه مکانیک کوانتومی مدرن، یک الکترون با مجموعه ای از اعداد کوانتومی توصیف می شود: n , ل , m l , س و ام‌اس . طبق اصل پائولی، یک اتم نمی تواند دو الکترون با مجموعه ای کاملاً یکسان از تمام اعداد کوانتومی داشته باشد.
عدد کوانتومی اصلی n سطح انرژی الکترون را تعیین می کند، یعنی الکترون در کدام سطح الکترونیکی قرار دارد. عدد کوانتومی اصلی فقط می تواند مقادیر صحیح بزرگتر از 0 را بگیرد: n =1;2;3... حداکثر مقدار n برای یک اتم خاص از یک عنصر مربوط به تعداد دوره ای است که عنصر در جدول تناوبی مندلیف قرار دارد.
عدد کوانتومی مداری (مکمل). ل هندسه ابر الکترونی را تعیین می کند. می تواند مقادیر صحیح از 0 تا را بگیرد n -1. برای مقادیر عدد کوانتومی اضافی ل از نام حروف استفاده کنید:

اوربیتال S شکل یک توپ دارد، اوربیتال p به شکل شکل هشت است. اوربیتال های باقی مانده ساختار بسیار پیچیده ای دارند، مانند اوربیتال d که در شکل نشان داده شده است.

الکترون‌ها به‌طور تصادفی در سطوح و اوربیتال‌ها چیده نشده‌اند، اما طبق قانون کلچکوفسکی، که براساس آن پر شدن الکترون‌ها بر اساس اصل کمترین انرژی، یعنی به ترتیب افزایش مجموع اعداد کوانتومی اصلی و مداری اتفاق می‌افتد. n +ل . در صورتی که مجموع دو گزینه پر کردن یکسان باشد، ابتدا کوچکترین سطح انرژی پر می شود (به عنوان مثال: زمانی که n = 3 a ل =2 و n =4 a ل = 1 سطح 3 در ابتدا پر می شود). عدد کوانتومی مغناطیسی m l مکان اوربیتال را در فضا تعیین می کند و می تواند یک مقدار صحیح از آن بگیرد -l قبل از +l از جمله 0. فقط یک مقدار برای اوربیتال s امکان پذیر است m l =0. برای اوربیتال p از قبل سه مقدار -1، 0 و +1 وجود دارد، یعنی اوربیتال p را می توان در امتداد سه محور مختصات x، y و z قرار داد.

ترتیب اوربیتال ها بسته به مقدار m l

یک الکترون دارای تکانه زاویه ای خاص خود است - اسپین که با یک عدد کوانتومی نشان داده می شود س . اسپین الکترون یک مقدار ثابت و برابر با 1/2 است. پدیده اسپین را می توان به طور معمول به عنوان حرکت حول محور خود نشان داد. در ابتدا، اسپین یک الکترون معادل حرکت یک سیاره حول محور خود بود، اما چنین مقایسه ای اشتباه است. اسپین یک پدیده کاملا کوانتومی است که در مکانیک کلاسیک مشابهی ندارد.

هر شی را بردارید، خوب، حداقل یک قاشق. آن را زمین بگذارید - آرام دراز می کشد، حرکت نمی کند. آن را لمس کنید - فلز سرد و بی حرکت.

اما در واقعیت، یک قاشق، مانند همه چیز در اطراف ما، از ذرات کوچک - اتم ها، با شکاف های بزرگ بین آنها تشکیل شده است. ذرات دائماً در حال نوسان و نوسان هستند.

چرا قاشق سفت است اگر اتم های موجود در آن آزادانه چیده شوند و همیشه حرکت کنند؟ واقعیت این است که آنها، همانطور که بود، توسط نیروهای ویژه محکم به یکدیگر گره خورده اند. و شکاف بین آنها، اگرچه بسیار بزرگتر از خود اتم ها است، اما هنوز ناچیز است، و ما نمی توانیم آنها را متوجه شویم.

اتم ها متفاوت هستند - 92 نوع اتم در طبیعت وجود دارد. همه چیز در جهان از آنها ساخته شده است، درست مانند 32 حرف - همه کلمات زبان روسی. دانشمندان 12 نوع اتم دیگر را به صورت مصنوعی به تنهایی ایجاد کردند.

مردم از مدت ها قبل از وجود اتم ها اطلاع داشتند. بیش از دو هزار سال پیش در یونان باستان دانشمند بزرگ دموکریتوس زندگی می کرد که معتقد بود کل جهان از ذرات ریز تشکیل شده است. او آنها را "اتوموس" نامید که در یونانی به معنای "تقسیم ناپذیر" است.

زمان زیادی طول کشید تا دانشمندان ثابت کنند که اتم ها واقعاً وجود دارند. این اتفاق در پایان قرن گذشته رخ داد. و سپس معلوم شد که نام آنها اشتباه بوده است. آنها تقسیم ناپذیر نیستند: یک اتم از ذرات حتی کوچکتر تشکیل شده است. دانشمندان آنها را ذرات بنیادی می نامند.

اینجا هنرمندی است که یک اتم را می کشد. در وسط هسته ای قرار دارد که مانند سیارات اطراف خورشید، توپ های کوچکی در اطراف آن حرکت می کنند - . هسته نیز جامد نیست. از ذرات هسته ای - پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است.

این چیزی است که ما اخیراً فکر می کردیم. اما پس از آن مشخص شد که ذرات اتمی مانند توپ نیستند. معلوم شد که اتم به روشی خاص ساختار یافته است. اگر بخواهید تصور کنید که ذرات چه شکلی هستند، می توانید بگویید که یک الکترون مانند یک ابر است. چنین ابرهایی هسته را به صورت لایه ای احاطه کرده اند. و ذرات هسته ای نیز نوعی ابر هستند.

انواع مختلف اتم ها دارای تعداد الکترون، پروتون و نوترون متفاوتی هستند. خواص اتم ها به این بستگی دارد.

تقسیم یک اتم آسان است. الکترون ها به راحتی از هسته جدا می شوند و زندگی مستقلی دارند. به عنوان مثال، جریان الکتریکی در یک سیم، حرکت چنین الکترون های مستقلی است.

اما هسته بسیار قوی است. پروتون ها و نوترون های موجود در آن توسط نیروهای ویژه محکم به هم متصل شده اند. بنابراین، شکستن هسته بسیار دشوار است. اما مردم این کار را یاد گرفتند و به آن رسیدند. ما یاد گرفتیم که تعداد ذرات را در هسته تغییر دهیم و در نتیجه برخی از اتم ها را به اتم های دیگر تبدیل کنیم و حتی اتم های جدیدی ایجاد کنیم.

مطالعه اتم دشوار است: دانشمندان به نبوغ و تدبیر خارق العاده ای نیاز دارند. از این گذشته، حتی تصور اندازه آن نیز دشوار است: در میکروبی که با چشم نامرئی است، میلیاردها اتم وجود دارد، بیشتر از تعداد افراد روی زمین. و با این حال دانشمندان در حال رسیدن به هدف خود هستند، آنها توانستند وزن همه اتم ها و ذرات تشکیل دهنده یک اتم را اندازه گیری و مقایسه کنند، آنها متوجه شدند که یک پروتون یا نوترون تقریبا دو هزار برابر جرم تر از یک الکترون است. و به کشف بسیاری از اسرار اتمی دیگر ادامه دهید.

اتم [فرانسوی اتم، از لاتین atomus، از یونانی?τομος (ουσ?α) - غیر قابل تقسیم (ذات)]، ذره ای از ماده، کوچکترین جزء یک عنصر شیمیایی، که حامل خواص آن است. اتم های هر عنصر از نظر ساختار و خواص فردی هستند و با نمادهای شیمیایی عناصر مشخص می شوند (به عنوان مثال اتم هیدروژن - H، آهن - آهن، جیوه - جیوه، اورانیوم - U و غیره). اتم ها می توانند هم در حالت آزاد و هم در حالت محدود وجود داشته باشند (به پیوند شیمیایی مراجعه کنید). همه تنوع مواد به دلیل ترکیبات مختلف اتم ها با یکدیگر است. خواص مواد گازی، مایع و جامد به خواص اتم های تشکیل دهنده آنها بستگی دارد. تمام خواص فیزیکی و شیمیایی یک اتم با ساختار آن تعیین می شود و از قوانین کوانتومی پیروی می کند. (برای تاریخچه توسعه دکترین اتم به مقاله فیزیک اتمی مراجعه کنید.)

مشخصات کلی ساختار اتم ها. یک اتم از یک هسته سنگین با بار الکتریکی مثبت و الکترون های سبک با بارهای الکتریکی منفی که آن را احاطه کرده اند تشکیل شده است که لایه های الکترونی اتم را تشکیل می دهند. ابعاد یک اتم با ابعاد لایه الکترونی بیرونی آن تعیین می شود و در مقایسه با ابعاد هسته اتم بزرگ است. ترتیب مشخصه قطرها، سطح مقطع و حجم یک اتم و هسته عبارتند از:

اتم 10 -8 سانتی متر 10 -16 سانتی متر 2 10 -24 سانتی متر 3

هسته 10 -12 سانتی متر 10 -24 سانتی متر 2 10 -36 سانتی متر 3

لایه های الکترونی یک اتم مرزهای کاملا مشخصی ندارند و اندازه یک اتم کم و بیش به روش های تعیین آنها بستگی دارد.

بار هسته ای مشخصه اصلی یک اتم است که تعلق آن به یک عنصر خاص را تعیین می کند. بار هسته همیشه مضربی صحیح از بار الکتریکی اولیه مثبت است که از نظر قدر مطلق برابر با بار الکترون -e است. بار هسته +Ze است که Z عدد اتمی (عدد اتمی) است. Z= 1, 2, 3,... برای اتمهای عناصر متوالی در جدول تناوبی عناصر شیمیایی یعنی برای اتمهای H، He، Li، .... در اتم خنثی، هسته ای با بار + Ze الکترون های Z را با بار کل نگه می دارد - Ze. یک اتم می تواند الکترون از دست بدهد یا به دست آورد و به یک یون مثبت یا منفی تبدیل شود (k = 1، 2، 3، ... - تعدد یونیزاسیون آن). یک اتم از یک عنصر خاص اغلب شامل یون های آن است. هنگام نوشتن، یون ها از یک اتم خنثی با شاخص k + و k - متمایز می شوند. به عنوان مثال، O یک اتم اکسیژن خنثی است، O +، O 2+، O 3+، ...، O 8+، O -، O 2- یون های مثبت و منفی آن هستند. از ترکیب یک اتم خنثی و یون های عناصر دیگر با تعداد الکترون یکسان، یک سری ایزوالکترونیک تشکیل می شود، مثلاً یک سری اتم هیدروژن مانند H، He +، Li 2+، Be 3+، ....

تعدد بار هسته یک اتم به بار اولیه e بر اساس ایده هایی در مورد ساختار هسته توضیح داده شد: Z برابر است با تعداد پروتون های هسته، بار پروتون +e است. . جرم یک اتم با افزایش Z افزایش می یابد. جرم هسته یک اتم تقریباً متناسب با عدد جرمی A است - تعداد کل پروتون ها و نوترون ها در هسته. جرم یک الکترون (0.91 x 10-27 گرم) به طور قابل توجهی کمتر (حدود 1840 برابر) از جرم یک پروتون یا نوترون (1.67 x 10-24 گرم) است، بنابراین جرم یک اتم عمدتاً با جرم تعیین می شود. از هسته آن

اتم های یک عنصر داده شده ممکن است در جرم هسته ای متفاوت باشند (تعداد پروتون های Z ثابت است، تعداد نوترون های A-Z می تواند متفاوت باشد). این گونه از اتم های یک عنصر، ایزوتوپ نامیده می شود. تفاوت در جرم هسته تقریباً هیچ تأثیری بر ساختار پوسته های الکترونیکی یک اتم معین که به Z و خواص اتم بستگی دارد ندارد. بیشترین تفاوت در خواص (اثرات ایزوتوپی) برای ایزوتوپ های هیدروژن (Z = 1) به دلیل تفاوت زیاد در جرم های اتم نور معمولی هیدروژن (A = 1)، دوتریوم (A = 2) و تریتیوم (A) به دست می آید. = 3).

جرم یک اتم از 1.67 × 10-24 گرم (برای ایزوتوپ اصلی، اتم هیدروژن، Z = 1، A = 1) تا تقریباً 4 × 10-22 گرم (برای اتم های عناصر فرااورانیوم) متغیر است. دقیق ترین مقادیر جرم اتمی را می توان با روش های طیف سنجی جرمی تعیین کرد. جرم یک اتم دقیقا برابر با مجموع جرم هسته و جرم الکترون ها نیست، اما تا حدودی کمتر است - با نقص جرم ΔM = W/c 2، که در آن W انرژی تشکیل یک اتم است. از هسته و الکترون ها (انرژی اتصال)، c سرعت نور است. این تصحیح از مرتبه جرم الکترون m e ​​برای اتم های سنگین و برای اتم های سبک ناچیز است (حدود 10-4 m e).

انرژی اتمی و کمی سازی آن. به دلیل اندازه کوچک و جرم بزرگ، می توان هسته اتم را تقریباً نقطه مانند و در مرکز جرم اتم در حالت استراحت در نظر گرفت (مرکز جرم مشترک هسته و الکترون ها در نزدیکی هسته قرار دارد و سرعت حرکت هسته نسبت به مرکز جرم اتم در مقایسه با سرعت حرکت الکترون ها کوچک است). بر این اساس، یک اتم را می توان سیستمی در نظر گرفت که در آن الکترون های N با بار e در اطراف یک مرکز جذب ساکن حرکت می کنند. حرکت الکترون ها در یک اتم در حجم محدودی اتفاق می افتد، یعنی محدود است. کل انرژی داخلی یک اتم E برابر است با مجموع انرژی های جنبشی T همه الکترون ها و انرژی پتانسیل U - انرژی جذب آنها توسط هسته و دفع آنها از یکدیگر.

بر اساس نظریه اتم که در سال 1913 توسط نیلز بور ارائه شد، در یک اتم هیدروژن یک الکترون با بار -e در اطراف یک مرکز ساکن با بار +e حرکت می کند. مطابق با مکانیک کلاسیک، انرژی جنبشی چنین الکترونی برابر است با

که در آن v سرعت است، p = m e v تکانه (تکانه) الکترون است. انرژی پتانسیل (کاهش شده به انرژی جاذبه کولنی الکترون توسط هسته) برابر است با

و فقط به فاصله r الکترون از هسته بستگی دارد. از نظر گرافیکی، تابع U(r) با منحنی نشان داده می شود که با کاهش r، بدون محدودیت کاهش می یابد، یعنی با نزدیک شدن الکترون به هسته. مقدار U(r) در r→∞ صفر در نظر گرفته می شود. در مقادیر منفی انرژی کل E = T + U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U >0 حرکت الکترون آزاد است - می تواند با انرژی E = T = (1/2)m e v 2 به بی نهایت برود که مربوط به اتم هیدروژن یونیزه شده H + است. بنابراین، یک اتم هیدروژن خنثی، سیستمی از هسته و الکترون متصل به الکترواستاتیک با انرژی E است< 0.

کل انرژی داخلی یک اتم E مشخصه اصلی آن به عنوان یک سیستم کوانتومی است (به مکانیک کوانتومی مراجعه کنید). یک اتم می تواند برای مدت طولانی فقط در حالت هایی با انرژی معین - حالت های ساکن (غیر قابل تغییر در زمان) باقی بماند. انرژی داخلی یک سیستم کوانتومی متشکل از ریزذرات متصل (از جمله یک اتم) می تواند یکی از یک سری مقادیر گسسته (ناپیوسته) را داشته باشد.

هر یک از این مقادیر انرژی "مجاز" مربوط به یک یا چند حالت کوانتومی ثابت است. این سیستم نمی تواند دارای مقادیر متوسط ​​​​انرژی باشد (به عنوان مثال، آنهایی که بین E 1 و E 2، E 2 و E 3 و غیره قرار دارند، گفته می شود که چنین سیستمی دارای انرژی کوانتیزه است). هر تغییر در E با انتقال کوانتومی (پرش) سیستم از یک حالت کوانتومی ساکن به حالت دیگر مرتبط است (به زیر مراجعه کنید).

مقادیر گسسته احتمالی (3) انرژی یک اتم را می توان به صورت گرافیکی با قیاس با انرژی پتانسیل یک جسم بلند شده به ارتفاعات مختلف (به سطوح مختلف)، در قالب نمودار سطوح انرژی، که در آن هر انرژی به تصویر کشیده شد. مقدار مربوط به یک خط مستقیم است که در ارتفاع E i، i= 1، 2، 3، ... ترسیم شده است (شکل 1). پایین ترین سطح E 1 که مربوط به کمترین انرژی ممکن اتم است، سطح زمین نامیده می شود و بقیه (E i >E 1)، i = 2، 3، 4، ...) برانگیخته نامیده می شوند. زیرا برای انتقال به آنها ( انتقال به حالات برانگیخته ثابت مربوطه از زمین) لازم است سیستم تحریک شود - انرژی E i -E 1 از بیرون به آن منتقل شود.

کوانتیزاسیون انرژی اتمی نتیجه خاصیت موجی الکترون ها است. بر اساس اصل دوگانگی موج-ذره، حرکت یک ریزذره با جرم m با سرعت v مطابق با طول موج λ = h/mv است که h ثابت پلانک است. برای یک الکترون در یک اتم، λ از مرتبه 8-10 سانتی متر است، یعنی از ترتیب ابعاد خطی اتم، و در نظر گرفتن خواص موجی الکترون در اتم ضروری است. حرکت مرتبط یک الکترون در یک اتم شبیه به یک موج ایستاده است و باید آن را نه به عنوان حرکت یک نقطه مادی در طول یک مسیر، بلکه به عنوان یک فرآیند موج پیچیده در نظر گرفت. برای یک موج ایستاده در حجم محدود، فقط مقادیر مشخصی از طول موج λ (و در نتیجه، فرکانس نوسان v) امکان پذیر است. بر اساس مکانیک کوانتومی، انرژی یک اتم E با رابطه E = hν با v مرتبط است و بنابراین فقط می تواند مقادیر معینی به خود بگیرد. حرکت انتقالی آزاد یک ریزذره، بدون محدودیت در فضا، به عنوان مثال، حرکت الکترون جدا شده از یک اتم (با انرژی E> 0)، شبیه انتشار یک موج در حال حرکت در حجم نامحدود است، که برای آن هر مقادیر λ (و v) ممکن است. انرژی چنین ریزذره آزاد می تواند هر مقداری را به خود بگیرد (کوانتیزه نشده است، دارای طیف انرژی پیوسته است). این دنباله پیوسته مربوط به یک اتم یونیزه شده است. مقدار E ∞ = 0 مربوط به مرز یونیزاسیون است. تفاوت E ∞ -E 1 = E یون انرژی یونیزاسیون نامیده می شود (به مقاله پتانسیل یونیزاسیون مراجعه کنید). برای اتم هیدروژن 13.6 eV است.

توزیع چگالی الکترون. موقعیت دقیق یک الکترون در یک اتم در یک زمان معین را نمی توان به دلیل عدم قطعیت در رابطه تعیین کرد. وضعیت یک الکترون در یک اتم با تابع موج آن تعیین می شود که به طریق خاصی به مختصات آن بستگی دارد. مربع مدول تابع موج، چگالی احتمال یافتن یک الکترون در یک نقطه معین از فضا را مشخص می کند. تابع موج به طور صریح حل معادله شرودینگر است.

بنابراین، وضعیت یک الکترون در یک اتم را می توان با توزیع بار الکتریکی آن در فضا با چگالی مشخص - توزیع چگالی الکترون - مشخص کرد. الکترون ها، همانطور که بود، در فضا "لکه دار" می شوند و یک "ابر الکترونی" را تشکیل می دهند. این مدل الکترون‌های یک اتم را درست‌تر از مدل الکترون نقطه‌ای که در امتداد مدارهای کاملاً تعریف شده حرکت می‌کند (در نظریه اتمی بور) مشخص می‌کند. در عین حال، هر مدار بور می تواند با توزیع چگالی الکترونی خاصی مرتبط باشد. برای سطح انرژی زمین E 1، چگالی الکترون در نزدیکی هسته متمرکز است. برای سطوح انرژی برانگیخته E 2، E 3، E 4 ... در فواصل متوسط ​​فزاینده ای از هسته توزیع می شود. در یک اتم چندالکترونی، الکترون‌ها به پوسته‌هایی دسته‌بندی می‌شوند که هسته را در فواصل مختلف احاطه کرده‌اند و با توزیع‌های چگالی الکترونی مشخص مشخص می‌شوند. استحکام پیوند بین الکترون ها و هسته در لایه های بیرونی کمتر از لایه های داخلی است و ضعیف ترین الکترون ها در بیرونی ترین پوسته که بیشترین ابعاد را دارد، بسته می شوند.

محاسبه اسپین الکترون و اسپین هسته ای. در تئوری اتم، بسیار مهم است که اسپین الکترون را در نظر بگیریم - تکانه زاویه ای خود (اسپین) که از نقطه نظر بصری مربوط به چرخش الکترون حول محور خود است. اگر الکترون به عنوان یک ذره کوچک در نظر گرفته شود). اسپین الکترون با صد گشتاور مغناطیسی ذاتی (اسپین) مرتبط است. بنابراین، در یک اتم لازم است همراه با برهمکنش های الکترواستاتیک، برهمکنش های مغناطیسی تعیین شده توسط گشتاور مغناطیسی اسپین و گشتاور مغناطیسی مداری مرتبط با حرکت الکترون در اطراف هسته را در نظر بگیریم. فعل و انفعالات مغناطیسی در مقایسه با الکترواستاتیک کوچک هستند. مهم‌ترین تأثیر اسپین در اتم‌های چندالکترونی است: پر شدن لایه‌های الکترونی یک اتم با تعداد معینی الکترون به اسپین الکترون‌ها بستگی دارد.

هسته در یک اتم همچنین می تواند گشتاور مکانیکی خاص خود را داشته باشد - اسپین هسته ای که با یک گشتاور مغناطیسی هسته ای همراه است که صدها و هزاران بار کوچکتر از الکترونی است. وجود اسپین ها منجر به برهمکنش های اضافی و بسیار کوچک بین هسته و الکترون ها می شود (به زیر مراجعه کنید).

حالات کوانتومی اتم هیدروژن. مهمترین نقش را در نظریه کوانتومی اتم، نظریه ساده ترین اتم تک الکترونی، متشکل از یک هسته با بار +Ze و یک الکترون با بار -e، یعنی نظریه اتم هیدروژن H ایفا می کند. و یون های هیدروژن مانند He +, Li 2+, Be 3+,... که معمولاً نظریه اتم هیدروژن نامیده می شود. با استفاده از روش های مکانیک کوانتومی می توان مشخصات دقیق و کاملی از حالات یک الکترون در یک اتم تک الکترونی به دست آورد. مشکل اتم چند الکترونی را فقط می توان تقریباً حل کرد. در این مورد، آنها از نتایج حل مسئله یک اتم یک الکترون نتیجه می گیرند.

انرژی یک اتم یک الکترون در تقریب غیر نسبیتی (بدون در نظر گرفتن اسپین الکترون) برابر است با

عدد صحیح n = 1، 2، 3، ... مقادیر انرژی گسسته ممکن را تعریف می کند - سطوح انرژی - و به آن عدد کوانتومی اصلی می گویند، R ثابت Rydberg برابر با 13.6 eV است. سطوح انرژی اتم به مرز یونیزاسیون E ∞ = 0، مربوط به n = ∞ همگرا (تراکم) می شود. برای یون های هیدروژن مانند، تنها مقیاس مقادیر انرژی تغییر می کند (Z 2 برابر). انرژی یونیزاسیون یک اتم هیدروژن مانند (انرژی اتصال الکترون) (بر حسب eV) است.

که برای H، He +، Li 2+، ... مقادیر 13.6 eV، 54.4 eV، 122.4 eV، ... را می دهد.

فرمول اصلی (4) مربوط به عبارت U(r) = -Ze 2 /r برای انرژی پتانسیل یک الکترون در میدان الکتریکی یک هسته با بار +Ze است. این فرمول برای اولین بار توسط N. Bohr با در نظر گرفتن حرکت یک الکترون به دور یک هسته در مدار دایره ای به شعاع r به دست آمد و یک راه حل دقیق برای معادله شرودینگر برای چنین سیستمی است. سطوح انرژی (4) با مدارهای شعاع مطابقت دارد

که در آن ثابت a 0 = 0.529·10 -8 cm = = 0.529 A شعاع اولین مدار دایره ای اتم هیدروژن مربوط به سطح زمین آن است (این شعاع بور اغلب به عنوان یک واحد مناسب برای اندازه گیری طول در فیزیک اتمی استفاده می شود. ). شعاع مدارها با مربع عدد کوانتومی اصلی n 2 متناسب و با Z نسبت معکوس دارد. برای یون های هیدروژن مانند، مقیاس اندازه خطی با یک ضریب Z در مقایسه با اتم هیدروژن کاهش می یابد. یک توصیف نسبیتی از اتم هیدروژن، با در نظر گرفتن اسپین الکترون، توسط معادله دیراک ارائه شده است.

با توجه به مکانیک کوانتومی، وضعیت اتم هیدروژن به طور کامل توسط مقادیر گسسته چهار کمیت فیزیکی تعیین می شود: انرژی E. تکانه مداری Ml (تکانه حرکت الکترون نسبت به هسته). پیش بینی M lz از تکانه مداری بر روی یک جهت انتخاب شده دلخواه z. پیش بینی M sz گشتاور اسپین (تکانه زاویه ای ذاتی الکترون Ms). مقادیر ممکن این مقادیر فیزیکی به ترتیب با اعداد کوانتومی n، l، ml، m s تعیین می شوند. در تقریب، وقتی انرژی یک اتم هیدروژن با فرمول (4) توصیف می شود، تنها با عدد کوانتومی اصلی n تعیین می شود که مقادیر صحیح 1، 2، 3، ... را به خود می گیرد. یک سطح انرژی با n داده شده مربوط به چندین حالت است که در مقادیر عدد کوانتومی مداری (آزیموتال) l = 0، 1، ...، n-1 متفاوت است. حالت هایی با مقادیر داده شده n و l معمولاً به صورت 1s، 2s، 2р، 3s، ... نشان داده می شوند، که در آن اعداد نشان دهنده مقدار n و حروف s، р، d، f (از این پس در لاتین است. الفبا) - به ترتیب، مقادیر l = 0، 1، 2، 3. برای n و l داده شده، تعداد حالت های مختلف برابر است با 2 (2l + 1) - تعداد ترکیبات مقادیر عدد کوانتومی مداری مغناطیسی m L عدد اسپین مغناطیسی m s (اولی 2l + 1 مقدار می گیرد، دومی - 2 مقدار). تعداد کل حالت های مختلف با n و l داده شده برابر با 2n 2 است. بنابراین، هر سطح انرژی اتم هیدروژن مربوط به 2.8، 18،...2n2 (با n = 1، 2، 3، ...) حالت های کوانتومی ثابت مختلف است. اگر فقط یک حالت کوانتومی با یک سطح انرژی مطابقت داشته باشد، آن را غیر انحطاط، اگر دو یا بیشتر - انحطاط (نگاه کنید به انحطاط در نظریه کوانتومی) نامیده می شود، و تعداد چنین حالت هایی g را درجه یا کثرت انحطاط می نامند. سطوح انرژی غیر منحط g = 1). سطوح انرژی اتم هیدروژن منحط است و درجه انحطاط آنها gn = 2n 2 است.

برای حالت های مختلف اتم هیدروژن، توزیع های چگالی الکترون متفاوتی به دست می آید. بستگی به اعداد کوانتومی n، l و در این مورد، چگالی الکترون برای حالت های s (l=0) با صفر در مرکز، یعنی در محل هسته متفاوت است و به جهت بستگی ندارد ( کروی متقارن)، و برای حالت های باقی مانده (l>0) در مرکز برابر با صفر است و به جهت بستگی دارد. توزیع چگالی الکترون برای حالت های اتم هیدروژن با n = 1، 2، 3 در شکل 2 نشان داده شده است. ابعاد "ابر الکترونی" مطابق با فرمول (6) متناسب با n2 رشد می کند (مقیاس در شکل 2 هنگام حرکت از n = 1 به n = 2 و از n = 2 به n = 3 کاهش می یابد). حالت‌های کوانتومی یک الکترون در یون‌های هیدروژن مانند با همان چهار عدد کوانتومی n، l، ml و ms در اتم هیدروژن مشخص می‌شوند. توزیع چگالی الکترون نیز حفظ می شود، فقط Z برابر افزایش می یابد.

عمل میدان های خارجی بر روی اتم. یک اتم به عنوان یک سیستم الکتریکی در میدان های الکتریکی و مغناطیسی خارجی انرژی اضافی به دست می آورد. میدان الکتریکی اتم را قطبی می کند - ابرهای الکترونی را نسبت به هسته جابجا می کند (به قطبی شدن اتم ها، یون ها و مولکول ها مراجعه کنید)، و میدان مغناطیسی به روشی خاص، گشتاور مغناطیسی اتم را که با حرکت الکترون به اطراف مرتبط است، جهت می دهد. هسته (با تکانه مداری Ml) و اسپین آن. حالات مختلف یک اتم هیدروژن با انرژی یکسان En در یک میدان خارجی با مقادیر متفاوت انرژی اضافی ΔE مطابقت دارد و سطح انرژی زوال En به تعدادی زیرسطح تقسیم می شود. هم تقسیم سطوح انرژی در یک میدان الکتریکی - اثر استارک - و هم تقسیم آنها در یک میدان مغناطیسی - اثر زیمن - متناسب با قدرت میدان های مربوطه است.

فعل و انفعالات مغناطیسی کوچک درون یک اتم نیز منجر به تقسیم سطوح انرژی می شود. برای اتم هیدروژن و یون های هیدروژن مانند، یک برهمکنش اسپین-مدار وجود دارد - برهمکنش اسپین و گشتاورهای مداری الکترون. این به اصطلاح ساختار ظریف سطوح انرژی را تعیین می کند - تقسیم سطوح برانگیخته En (برای n>1) به سطوح فرعی. برای تمام سطوح انرژی اتم هیدروژن، یک ساختار فوق ظریف نیز مشاهده می شود که به دلیل برهمکنش های مغناطیسی بسیار کوچک اسپین هسته ای با گشتاورهای الکترونیکی است.

پوسته های الکترونی اتم های چند الکترونی. نظریه اتم حاوی 2 یا بیشتر الکترون اساساً با نظریه اتم هیدروژن متفاوت است ، زیرا در چنین اتمی ذرات یکسانی وجود دارد که با یکدیگر تعامل دارند - الکترون ها. دافعه متقابل الکترون ها در یک اتم چند الکترونی به طور قابل توجهی قدرت پیوند آنها با هسته را کاهش می دهد. به عنوان مثال، انرژی حذف یک الکترون منفرد در یک یون هلیوم (He +) 54.4 eV است، در حالی که در یک اتم هلیوم خنثی، در نتیجه دافعه الکترون ها، انرژی حذف یکی از آنها به 24.6 کاهش می یابد. eV. برای الکترون‌های بیرونی اتم‌های سنگین‌تر، کاهش استحکام پیوند آن‌ها به دلیل دافعه توسط الکترون‌های درونی بسیار مهم‌تر است. نقش مهمی در اتم‌های چندالکترونی توسط خواص الکترون‌ها به‌عنوان ریزذرات یکسان (به اصل هویت مراجعه کنید) با اسپین s=1/2 ایفا می‌کند که اصل پائولی برای آن معتبر است. طبق این اصل، در یک سیستم از الکترون‌ها نمی‌تواند بیش از یک الکترون در هر حالت کوانتومی وجود داشته باشد، که منجر به تشکیل لایه‌های الکترونی اتم می‌شود که با تعداد کاملاً مشخصی از الکترون‌ها پر شده است.

با توجه به غیرقابل تشخیص بودن الکترون ها در تعامل با یکدیگر، منطقی است که فقط در مورد حالات کوانتومی اتم به عنوان یک کل صحبت کنیم. با این حال، می توان به طور تقریبی حالت های کوانتومی تک تک الکترون ها را در نظر گرفت و هر یک از آنها را با مجموعه ای از اعداد کوانتومی n، l، ml و m s مشخص کرد، مشابه الکترون در اتم هیدروژن. در این مورد، معلوم می شود که انرژی الکترون نه تنها به n، مانند اتم هیدروژن، بلکه به l نیز بستگی دارد. هنوز به m l و m s بستگی ندارد. الکترون هایی با n و l داده شده در یک اتم چند الکترونی انرژی یکسانی دارند و یک پوسته الکترونی خاص را تشکیل می دهند. چنین الکترون های معادل و پوسته های تشکیل شده توسط آنها، مانند حالت های کوانتومی و سطوح انرژی با n و l داده شده، با نمادهای ns، nр، nd، nf، ... نشان داده می شوند (برای 1 = 0، 1، 2،3، ...) و در مورد الکترون های 2p، پوسته های 3s-o6 و غیره صحبت می کنند.

طبق اصل پائولی، هر 2 الکترون در یک اتم باید در حالت‌های کوانتومی مختلف باشد و بنابراین، حداقل در یکی از چهار عدد کوانتومی n، l، ml و m s و برای الکترون‌های معادل (n و l) متفاوت است. یکسان هستند) - در مقادیر m l و m s. تعداد جفت‌های ml، m s، یعنی تعداد حالت‌های کوانتومی مختلف یک الکترون با n و l داده شده، درجه انحطاط سطح انرژی آن است gl = 2 (2l+1) = 2، 6، 10، 14، .... تعداد الکترون ها را در پوسته های الکترونی کاملاً پر شده تعیین می کند. بنابراین، پوسته های s-، p-، d-، f-، ... بدون توجه به مقدار n با الکترون های 2، 6، 10، 14، ... پر می شوند. الکترون ها با n معین لایه ای متشکل از پوسته هایی با l = 0، 1، 2، ...، n - 1 تشکیل می دهند و با 2n 2 الکترون پر شده اند، به اصطلاح K-، L-، M، N-لایه. وقتی کاملا پر شد داریم:

در هر لایه، پوسته هایی با l کوچکتر با چگالی الکترون بالاتر مشخص می شوند. قدرت پیوند بین الکترون و هسته با افزایش n و برای n معین با افزایش l کاهش می یابد. هر چه الکترون در پوسته مربوطه ضعیف تر باشد، سطح انرژی آن بالاتر است. هسته‌ای با Z معین، الکترون‌ها را به ترتیب کاهش قدرت پیوندشان می‌چسباند: ابتدا دو الکترون 1s، سپس دو الکترون 2s، شش الکترون 2p، و غیره. پیکربندی، به عنوان مثال:

(تعداد الکترون ها در یک پوسته مشخص با شاخص در بالا سمت راست نشان داده می شود). تناوب در خواص عناصر با شباهت لایه های الکترونی بیرونی اتم تعیین می شود. به عنوان مثال، اتم های خنثی P، As، Sb، Bi (Z = 15، 33، 51، 83) مانند اتم N، دارای سه الکترون p در لایه الکترونی بیرونی هستند و از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی بسیار شبیه به آن هستند. .

هر اتم با یک پیکربندی الکترون نرمال مشخص می‌شود، که زمانی رخ می‌دهد که تمام الکترون‌های موجود در اتم محکم‌ترین پیوند را داشته باشند، و پیکربندی‌های الکترونیکی برانگیخته، زمانی که یک یا چند الکترون محدودتر محدود می‌شوند - در سطوح انرژی بالاتر یافت می‌شوند. به عنوان مثال، برای یک اتم هلیوم، همراه با 1s2 معمولی، تنظیمات الکترونیکی برانگیخته امکان پذیر است: 1s2s، 1s2p، ... (یک الکترون برانگیخته می شود)، 2s 2، 2s2p، ... (هر دو الکترون برانگیخته می شوند). یک پیکربندی الکترونیکی خاص مربوط به یک سطح انرژی اتم به عنوان یک کل است، اگر لایه های الکترونی کاملاً پر شده باشند (به عنوان مثال، پیکربندی عادی اتم Ne 1s 2 2s 2 2р 6) و تعدادی از سطوح انرژی اگر وجود داشته باشد. پوسته هایی تا حدی پر هستند (به عنوان مثال، پیکربندی معمولی اتم نیتروژن 1s 2 2s 2 2р 3 که پوسته 2р تا نیمه پر است). در حضور پوسته های d و f نیمه پر شده، تعداد سطوح انرژی مربوط به هر پیکربندی می تواند به صدها برسد، بنابراین طرح سطوح انرژی یک اتم با پوسته های نیمه پر بسیار پیچیده است. سطح انرژی زمین یک اتم پایین ترین سطح پیکربندی طبیعی الکترون است.

انتقال کوانتومی در اتم. در طول انتقال کوانتومی، یک اتم از یک حالت ساکن به حالت دیگر حرکت می کند - از یک سطح انرژی به سطح دیگر. هنگام انتقال از سطح انرژی بالاتر E i به سطح انرژی پایین تر E k، اتم انرژی E i - E k را از دست می دهد و در طول انتقال معکوس آن را دریافت می کند. همانطور که برای هر سیستم کوانتومی، برای یک اتم، انتقال کوانتومی می تواند دو نوع باشد: با تابش (انتقال نوری) و بدون تشعشع (انتقال غیر تابشی یا غیر نوری). مهم ترین مشخصه یک گذار کوانتومی احتمال آن است که تعیین می کند این انتقال چند بار ممکن است رخ دهد.

در انتقال کوانتومی با تشعشع، اتم تابش الکترومغناطیسی را جذب می کند (انتقال E k → E i) یا منتشر می کند (گذر E i → E k). انرژی الکترومغناطیسی توسط یک اتم به شکل یک کوانتوم نور - یک فوتون - جذب و گسیل می شود که با فرکانس نوسان خاصی v مطابق با رابطه مشخص می شود:

که در آن hv انرژی فوتون است. رابطه (7) بیانگر قانون بقای انرژی برای فرآیندهای میکروسکوپی مرتبط با تابش است.

یک اتم در حالت پایه فقط می تواند فوتون ها را جذب کند، اما در حالت های برانگیخته هم می تواند آنها را جذب و هم ساطع کند. یک اتم آزاد در حالت پایه می تواند به طور نامحدود وجود داشته باشد. مدت زمان ماندن یک اتم در حالت برانگیخته (طول عمر این حالت) محدود است، اتم به طور خود به خود (خود به خود) انرژی برانگیختگی خود را به طور جزئی یا کامل از دست می دهد، یک فوتون ساطع می کند و به سطح انرژی پایین تر می رود. همراه با چنین انتشار خود به خودی، انتشار تحریک شده نیز امکان پذیر است، که مانند جذب، تحت تأثیر فوتون های فرکانس یکسان رخ می دهد. هر چه احتمال انتقال خود به خودی بیشتر باشد، طول عمر یک اتم برانگیخته شده در حدود 10-8 ثانیه است.

مجموعه فرکانس‌های v انتقال‌های ممکن با تشعشع، طیف اتمی اتم مربوطه را تعیین می‌کند: مجموعه فرکانس‌های انتقال از سطوح پایین‌تر به سطوح بالا، طیف جذبی آن است، مجموعه فرکانس‌های انتقال از سطوح بالا به سطوح پایین‌تر، طیف انتشار است. . هر گذار از این قبیل در طیف اتمی مربوط به خط طیفی خاصی از فرکانس v است.

در گذارهای کوانتومی غیر تابشی، یک اتم هنگام برهم کنش با ذرات دیگری که در یک گاز با آنها برخورد می کند یا برای مدت طولانی در یک مولکول، مایع یا جامد محدود می شود، انرژی به دست می آورد یا از دست می دهد. در یک گاز، اتم را می توان در فواصل زمانی بین برخورد آزاد در نظر گرفت. در طی یک برخورد (ضربه)، یک اتم می تواند به سطح انرژی پایین تر یا بالاتر حرکت کند. چنین برخوردی غیرکشسان نامیده می شود (برخلاف برخورد الاستیک که در آن فقط انرژی جنبشی حرکت انتقالی اتم تغییر می کند و انرژی درونی آن بدون تغییر باقی می ماند). یک مورد خاص مهم، برخورد یک اتم آزاد با یک الکترون است. معمولاً الکترون سریعتر از اتم حرکت می کند، زمان برخورد بسیار کوتاه است و می توان در مورد برخورد الکترون صحبت کرد. برانگیختن یک اتم با برخورد الکترون یکی از روش‌های تعیین سطوح انرژی آن است.

خواص شیمیایی و فیزیکی اتم. بیشتر خواص یک اتم توسط ساختار و ویژگی های لایه های الکترونی بیرونی آن تعیین می شود، که در آن الکترون ها نسبتاً ضعیف به هسته متصل می شوند (انرژی های اتصال از چندین eV تا چند ده eV). ساختار لایه‌های داخلی اتم، که الکترون‌های آن بسیار محکم‌تر به هم متصل هستند (انرژی‌های اتصال صدها، هزاران و ده‌ها هزار ولت) تنها زمانی ظاهر می‌شوند که اتم با ذرات سریع و فوتون‌های پرانرژی تعامل داشته باشد (بیشتر از صدها eV). چنین فعل و انفعالاتی طیف پرتو ایکس اتم و پراکندگی ذرات سریع را تعیین می کند (به پراش ذرات مراجعه کنید). جرم یک اتم خواص مکانیکی آن را در طول حرکت اتم به عنوان یک کل تعیین می کند - تکانه، انرژی جنبشی. رزونانس های مختلف و سایر خواص فیزیکی اتم به گشتاورهای مکانیکی و مغناطیسی و الکتریکی مرتبط با اتم بستگی دارد (به تشدید پارامغناطیس الکترونی، رزونانس مغناطیسی هسته ای، رزونانس چهار قطبی هسته ای مراجعه کنید).

الکترون های موجود در لایه بیرونی یک اتم به راحتی تحت تأثیر تأثیرات خارجی قرار می گیرند. هنگامی که اتم ها به هم می رسند، برهمکنش های الکترواستاتیک قوی رخ می دهد که می تواند منجر به تشکیل یک پیوند شیمیایی شود. برهمکنش‌های الکترواستاتیک ضعیف‌تر دو اتم در قطبش متقابل آنها آشکار می‌شود - جابجایی الکترون‌ها نسبت به هسته‌ها، که برای الکترون‌های خارجی ضعیف‌تر قوی‌تر است. نیروهای جاذبه قطبش بین اتم ها بوجود می آیند که حتی در فواصل زیاد بین آنها باید در نظر گرفته شود. قطبش اتم نیز در میدان های الکتریکی خارجی رخ می دهد. در نتیجه، سطوح انرژی اتم جابجا شده و مهمتر از همه، سطوح انرژی منحط تقسیم می شود (اثر استارک). قطبش یک اتم می تواند تحت تأثیر میدان الکتریکی یک موج نور (الکترومغناطیسی) رخ دهد. این بستگی به فرکانس نور دارد که وابستگی به آن و ضریب شکست (نگاه کنید به پراکندگی نور) که با قطبش پذیری اتم مرتبط است را تعیین می کند. ارتباط نزدیک بین ویژگی های نوری یک اتم و خواص الکتریکی آن به ویژه در طیف های نوری آن آشکار می شود.

خواص مغناطیسی اتم ها عمدتاً توسط ساختار پوسته های الکترونیکی آنها تعیین می شود. گشتاور مغناطیسی یک اتم به گشتاور مکانیکی آن بستگی دارد (نگاه کنید به نسبت مغناطیسی مکانیکی در یک اتم با پوسته های الکترونی کاملاً پر شده، درست مانند ممان مکانیکی). اتم‌هایی با لایه‌های الکترونی بیرونی تا حدی پر شده معمولاً گشتاورهای مغناطیسی غیرصفر دارند و پارامغناطیس هستند. در یک میدان مغناطیسی خارجی، تمام سطوح اتم هایی که گشتاور مغناطیسی آنها برابر با صفر نیست، تقسیم می شوند - اثر زیمن رخ می دهد. همه اتم ها دارای دیامغناطیس هستند که به دلیل ظهور یک گشتاور مغناطیسی در آنها تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی (به اصطلاح گشتاور مغناطیسی القایی، شبیه به گشتاور دوقطبی الکتریکی یک اتم) ایجاد می شود.

با یونیزاسیون متوالی یک اتم، یعنی با حذف الکترون های آن، با شروع از بیرونی ترین ها به ترتیب افزایش استحکام پیوند آنها، تمام خواص اتم که توسط پوسته بیرونی آن تعیین می شود، بر این اساس تغییر می کند. الکترون‌های محکم‌تر و محکم‌تر بیرونی می‌شوند. در نتیجه، توانایی یک اتم برای پلاریزه شدن در یک میدان الکتریکی به شدت کاهش می‌یابد، فاصله بین سطوح انرژی و فرکانس‌های انتقال نوری بین این سطوح افزایش می‌یابد (که منجر به تغییر طیف‌ها به سمت طول‌موج‌های کوتاه‌تر می‌شود). تعدادی از خواص دوره تناوب را نشان می دهند: خواص یون هایی با الکترون های خارجی مشابه مشابه هستند. به عنوان مثال، N 3+ (دو الکترون 2s) شباهت به N 5+ (دو الکترون 1s) نشان می دهد. این در مورد ویژگی ها و موقعیت های نسبی سطوح انرژی و طیف های نوری، گشتاورهای مغناطیسی یک اتم و غیره صدق می کند. شگرف ترین تغییر در خواص زمانی رخ می دهد که آخرین الکترون از پوسته بیرونی حذف شود، زمانی که فقط پوسته های کاملاً پر شده باقی می مانند، برای مثال، هنگام رفتن از N 4+ به N 5+ (پیکربندی های الکترونیکی 1s 2 2s و 1s 2). در این حالت یون پایدارترین است و کل گشتاورهای مکانیکی و مغناطیسی کل آن برابر با صفر است.

خواص یک اتم در حالت محدود (مثلاً بخشی از یک مولکول) با خواص یک اتم آزاد متفاوت است. خواص یک اتم بیشترین تغییرات را متحمل می شود که توسط بیرونی ترین الکترون هایی تعیین می شود که در اتصال یک اتم معین به اتم دیگر شرکت می کنند. در همان زمان، خواص تعیین شده توسط الکترون های پوسته داخلی ممکن است تقریباً بدون تغییر باقی بماند، همانطور که در مورد طیف های پرتو ایکس وجود دارد. برخی از خواص یک اتم ممکن است تغییرات نسبتاً کوچکی را تجربه کنند، که از آنها می توان اطلاعاتی در مورد ماهیت برهمکنش اتم های پیوند خورده به دست آورد. یک مثال مهم، تقسیم سطوح انرژی اتمی در کریستال ها و ترکیبات پیچیده است که تحت تأثیر میدان های الکتریکی ایجاد شده توسط یون های اطراف رخ می دهد.

روش‌های آزمایشی برای مطالعه ساختار یک اتم، سطوح انرژی آن، برهم‌کنش‌های آن با اتم‌های دیگر، ذرات بنیادی، مولکول‌ها، میدان‌های خارجی و غیره متفاوت است، اما اطلاعات اصلی در طیف‌های آن موجود است. روش‌های طیف‌سنجی اتمی در تمام محدوده‌های طول موج، و به‌ویژه روش‌های طیف‌سنجی لیزری مدرن، مطالعه اثرات ظریف و فزاینده مرتبط با اتم را ممکن می‌سازد. از آغاز قرن نوزدهم، وجود اتم برای دانشمندان آشکار بود، اما آزمایشی برای اثبات واقعیت وجود آن توسط جی پرین در آغاز قرن بیستم انجام شد. با توسعه میکروسکوپ، به دست آوردن تصاویری از اتم ها در سطح جامدات ممکن شد. اتم اولین بار توسط E. Muller (ایالات متحده آمریکا، 1955) با استفاده از میکروسکوپ یونی میدانی که او اختراع کرد مشاهده شد. نیروی اتمی مدرن و میکروسکوپ های تونل زنی امکان به دست آوردن تصاویری از سطوح جامد با وضوح خوب در سطح اتمی را فراهم می کند (شکل 3 را ببینید).

برنج. 3. تصویر ساختار اتمی سطح سیلیکون توسط استاد دانشگاه آکسفورد M. Capstell با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی به دست آمده است.

به اصطلاح اتم های عجیب و غریب وجود دارند و به طور گسترده در مطالعات مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، به عنوان مثال اتم های مویونی، به عنوان مثال اتم هایی که در آن تمام یا بخشی از الکترون ها با میون های منفی، موونیوم، پوزیترونیوم و همچنین اتم های هادرونیک متشکل از پیون های باردار، کائون ها جایگزین می شوند. اولین مشاهدات اتم آنتی هیدروژن (2002) - اتمی متشکل از یک پوزیترون و یک پاد پروتون - نیز انجام شد.

Lit.: متولد M. فیزیک اتمی. ویرایش 3 م.، 1970; Fano U., Fano L. فیزیک اتم ها و مولکول ها. م.، 1980; Shpolsky E.V. فیزیک اتمی. ویرایش هفتم M., 1984. T. 1-2; Elyashevich M. A. طیف سنجی اتمی و مولکولی. ویرایش دوم م.، 2000.

اتم

(از یونانی atomos - غیر قابل تقسیم)، کوچکترین ذره یک ماده شیمیایی. عنصر، حامل مقدس آن. هر شیمی یک عنصر مربوط به مجموعه ای از A خاص است. برای مثال، با اتصال A. یک یا عناصر مختلف به یکدیگر، ذرات پیچیده تری را تشکیل می دهند. مولکول ها. انواع مواد شیمیایی. در داخل (جامد، مایع و گاز) به دلیل تجزیه. ترکیبات A. با یکدیگر. الف می تواند در شرایط آزاد وجود داشته باشد. حالت (در گاز، پلاسما). Saints of A.، از جمله مهمترین توانایی A. برای شیمی برای تشکیل مواد شیمیایی. conn.، با ویژگی های ساختار آن تعیین می شود.

مشخصات کلی ساختار اتم. A. شامل یک هسته با بار مثبت است که توسط ابری از الکترون های با بار منفی احاطه شده است. ابعاد یک اتم به طور کلی با ابعاد ابر الکترونی آن تعیین می شود و در مقایسه با ابعاد هسته اتم بزرگ است (ابعاد خطی یک اتم ~ 10 تا 8 سانتی متر، هسته آن ~ 10 اینچ -10 اینچ است. 13 سانتی متر). ابر الکترونی A. مرزهای کاملاً مشخصی ندارد، بنابراین اندازه A. به معنی است. درجه مشروط است و به روش های تعیین آنها بستگی دارد (نگاه کنید به. شعاع اتمی).هسته یک اتم از پروتون های Z و نوترون های N تشکیل شده است که توسط نیروهای هسته ای در کنار هم نگه داشته می شوند. هسته اتمی است).مثبت بار پروتون و منفی بار الکترون به صورت مطلق یکسان است. قدر و برابر e = 1.60 * 10 -19 C; برق ندارد شارژ. بار هسته ای +Ze - پایه. مشخصه A.، تعیین تعلق آن به یک ماده شیمیایی خاص. عنصر شماره سریال عنصر در دوره تناوبی. سیستم تناوبی (عدد اتمی) برابر با تعداد پروتون های هسته است.

در یک جو از نظر الکتریکی خنثی، تعداد الکترون های ابر برابر با تعداد پروتون های هسته است. با این حال، تحت شرایط خاص، می تواند به ترتیب الکترون ها را از دست بدهد یا به دست آورد. در مثبت یا تکذیب کنند. یون، به عنوان مثال Li +، Li 2+ یا O -، O 2-. وقتی از A. یک عنصر خاص صحبت می کنیم، هم A. خنثی و هم آن عنصر را منظور می کنیم.

جرم یک اتم با جرم هسته آن تعیین می شود. جرم یک الکترون (9.109 * 10-28 گرم) تقریباً 1840 برابر کمتر از جرم یک پروتون یا نوترون (1.67 * 10-24 گرم) است، بنابراین سهم الکترون ها در جرم الکترون ها ناچیز است. تعداد کل پروتون ها و نوترون ها A = Z + Nتماس گرفت عدد جرمی. عدد جرمی و بار هسته به ترتیب نشان داده شده است. بالانویس و زیرنویس در سمت چپ نماد عنصر، به عنوان مثال. 23 11 Na. نوع اتم های یک عنصر با مقدار مشخص Nname. هسته الف. همان عنصر با Z یکسان و Nهای متفاوت. ایزوتوپ های این عنصر تفاوت در جرم ایزوتوپ ها تأثیر کمی بر شیمی آنها دارد. و فیزیکی سنت واه مهمتر از همه، تفاوت ها ( اثرات ایزوتوپی) در ایزوتوپ های هیدروژن به دلیل نسبت نسبی زیاد مشاهده می شوند. تفاوت در جرم یک اتم معمولی (پروتیم)، دوتریوم D و تریتیوم T. مقادیر دقیق جرم A. با روش های طیف سنجی جرمی تعیین می شود.

حالات کوانتومی اتم با توجه به اندازه کوچک و جرم بزرگ، هسته یک اتم را می توان تقریباً نقطه ای و در حالت استراحت در مرکز جرم اتم در نظر گرفت، و اتم را می توان سیستمی از الکترون ها در نظر گرفت که در اطراف یک مرکز ثابت - هسته حرکت می کنند. . انرژی کل چنین سیستمی برابر است با مجموع جنبشی. انرژی T همه الکترون ها و انرژی پتانسیل U که متشکل از انرژی جذب الکترون ها توسط هسته و انرژی دفع متقابل الکترون ها از یکدیگر است. الف. از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کند. اصلی آن مشخصه به عنوان یک سیستم کوانتومی - انرژی کل E -می تواند تنها یکی از مقادیر یک سری گسسته را بگیرد E 1< Е 2 < Е 3 <> ...; متناوب الف نمی تواند ارزش انرژی داشته باشد. هر یک از مقادیر "مجاز" E مربوط به یک یا چند است. حالت های ساکن (با انرژی که در زمان تغییر نمی کند). با استفاده از روش های مکانیک کوانتومی، می توان E برای اتم های تک الکترونی - هیدروژن و هیدروژن مانند به طور دقیق محاسبه کرد: E = ХhcRZ 2 /n 2،>جایی که h-ثابت پلانک با-سرعت نور، عدد صحیح n = 1، 2، 3، ... مقادیر گسسته انرژی را تعیین می کند و فراخوانی می کند. عدد کوانتومی اصلی؛ ثابت رایدبرگ ( hcR = 13.6 ولت). هنگام استفاده از f-la برای بیان سطوح انرژی گسسته تک الکترون A. به این شکل نوشته شده است:

جایی که t e ->جرم الکترون، -الکتریک. مقادیر "مجاز" احتمالی انرژی الکترون در الکترون ها به شکل نمودار سطوح انرژی - خطوط مستقیم افقی نشان داده شده است که فاصله بین آنها با تفاوت در این مقادیر انرژی مطابقت دارد (شکل 1). حداکثر سطح پایین E 1، مربوط به حداقل انرژی ممکن، نامیده می شود. اساسی، بقیه - هیجان زده. شبیه به اسم حالت (زمین و برانگیخته) با سطوح انرژی نشان داده شده مطابقت دارد با رشد، سطوح نزدیکتر می شوند و زمانی که انرژی الکترون به مقدار مربوط به الکترون آزاد (در حال استراحت) حذف شده از A نزدیک می شود. حالت کوانتومی A با انرژی E. به طور کامل با تابع موج توصیف می شود، جایی که r بردار شعاع الکترون نسبت به هسته است. dV،یعنی چگالی احتمال ( چگالی الکترون).تابع موج با معادله شرودینگر =، که در آن R عملگر کل انرژی است (همیلتونی) تعیین می شود.

همراه با انرژی، حرکت یک الکترون به دور هسته (حرکت مداری) با تکانه زاویه ای مداری (تکانه زاویه مکانیکی مداری) M 1 مشخص می شود. مربع قدر آن می تواند مقادیر تعیین شده توسط عدد کوانتومی مداری l = 0، 1، 2، ... را بگیرد. ، جایی که . برای یک عدد داده شده و کوانتومی l می تواند مقادیری از 0 تا (و H 1) بگیرد. طرح ریزی تکانه مداری بر روی یک محور z خاص نیز یک سری مقادیر گسسته به خود می گیرد M lz =، که در آن ml یک عدد کوانتومی مغناطیسی با مقادیر گسسته از H l تا +l(-l،... - 1، O، 1، .. + l)، کل 2 لیتر+ 1 مقدار. محور Z برای A. در غیاب خارجی قدرت به طور خودسرانه و در ماگ انتخاب می شود. میدان با جهت بردار قدرت میدان منطبق است. الکترون نیز تکانه زاویه ای خاص خود را دارد -چرخشو آهنربای اسپین مرتبط. لحظه خز چرخدار مربعی. لحظه М S 2 =S(S>+ + 1) با عدد کوانتومی اسپین S= 1/2 و پیش بینی این گشتاور بر روی محور z تعیین می شود. sz = =-عدد کوانتومی s ,>گرفتن مقادیر نیم عدد صحیح s = 1/2 >و س=

برنج. 1. نمودار سطوح انرژی اتم هیدروژن (خطوط افقی) و نوری. انتقال (خطوط عمودی). در زیر بخشی از طیف اتمی انتشار هیدروژن - دو سری از خطوط طیفی است. خط نقطه چین مطابقت خطوط و انتقال الکترون را نشان می دهد.

حالت ساکن یک الکترون تک الکترونی به طور منحصر به فردی با چهار عدد کوانتومی مشخص می شود: n، l، ml و m s. انرژی هیدروژن A. فقط به پ،و یک سطح با یک p معین مربوط به تعدادی از حالت های متفاوت در مقادیر l، m l، س >حالت هایی با pi l داده شده معمولاً به صورت 1s، 2s نشان داده می شوند. 2p، 3sو غیره، که در آن اعداد نشان دهنده مقادیر l و حروف s هستند، p، d، f وبیشتر در الفبای لاتین آنها با مقادیر d = 0، 1، 2، 3، ... تعداد غواصان مطابقت دارند. حالات با pi d داده شده برابر است با 2(2l+1) تعداد ترکیب مقادیر m l و m s. تعداد کل غواصان حالات با تنظیم راست ، یعنی سطوح با مقادیر n = 1، 2، 3، ... مطابق با 2، 8، 18، ...، 2n 2 decomp هستند. حالات کوانتومی سطحی که فقط یک (یک تابع موج) با آن مطابقت دارد فراخوانی می شود. غیر منحط اگر سطحی با دو یا چند حالت کوانتومی مطابقت داشته باشد، نامیده می شود. منحط (نگاه کنید به انحطاط سطوح انرژی).در اتم های هیدروژن، سطوح انرژی در مقادیر l و ml تخریب می شود. انحطاط در m s فقط در صورتی اتفاق می افتد که تعامل در نظر گرفته نشود. آهنربای چرخشی ممان الکترون با آهنربا میدان ناشی از حرکت مداری الکترون در الکتریکی. میدان هسته ای (نگاه کنید به تعامل اسپین-مدار).این یک اثر نسبیتی است، در مقایسه با اثر متقابل کولن کوچک، اما اساساً مهم است، زیرا منجر به مکمل می شود. تقسیم سطوح انرژی، که خود را در طیف های اتمی در قالب به اصطلاح نشان می دهد. ساختار خوب

برای n، l و ml داده شده، مجذور مدول تابع موج، توزیع متوسط ​​چگالی الکترون را برای ابر الکترونی در A تعیین می کند. تفاوت حالت های کوانتومی هیدروژن A. به طور قابل توجهی با یکدیگر در توزیع چگالی الکترون متفاوت است (شکل 2). بنابراین، در l = 0 (وضعیت s)، چگالی الکترون با صفر در مرکز A متفاوت است و به جهت آن بستگی ندارد (به عنوان مثال، برای حالت های دیگر برابر با صفر است). مرکز A و به جهت بستگی دارد.

برنج. 2. شکل ابرهای الکترونی برای حالات مختلف اتم هیدروژن.

در چند الکترون A. به دلیل الکترواستاتیک متقابل. دافعه الکترون ها ارتباط آنها با هسته را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. برای مثال، انرژی انتزاع الکترون از یون He + 54.4 eV در اتم He خنثی است - 24.6 eV. برای اتصال خارجی A. شدیدتر. الکترون های دارای هسته حتی ضعیف تر هستند. ویژگی نقش مهمی در اتم های چند الکترون ایفا می کند. تعامل تبادلی،مرتبط با غیر قابل تشخیص بودن الکترون ها و این واقعیت است که الکترون ها اطاعت می کنند اصل پائولی،طبق نظر کروم، در هر حالت کوانتومی که با چهار عدد کوانتومی مشخص می شود، نمی توان بیش از یک الکترون وجود داشته باشد. برای یک چند الکترون A. منطقی است که فقط در مورد حالات کوانتومی کل A. به عنوان یک کل صحبت کنیم. با این حال، تقریبا، در به اصطلاح. با تقریب یک الکترونی، می‌توان حالات کوانتومی تک تک الکترون‌ها را در نظر گرفت و هر حالت تک‌الکترونی را مشخص کرد. مداری،توصیف شده توسط تابع مربوطه) توسط مجموعه ای از چهار عدد کوانتومی n، l، m l و s .>مجموعه ای از 2(2l+1) الکترون در حالتی با پی l معین، یک پوسته الکترونی را تشکیل می دهد (که زیرسطح، زیر پوسته نیز نامیده می شود). اگر تمام این حالت ها توسط الکترون ها اشغال شود، پوسته نامیده می شود. پر شده (بسته شده). کلیت حالت هایی با n یکسان، اما l متفاوت، یک لایه الکترونیکی را تشکیل می دهد (که سطح، پوسته نیز نامیده می شود). برای n=لایه های 1، 2، 3، 4، ... با نمادها نشان داده می شوند به، L، M، N،... تعداد الکترون های پوسته و لایه ها در صورت پر شدن کامل در جدول آورده شده است:

استحکام پیوند یک الکترون در یک الکترون، یعنی انرژی ای که باید به الکترون داده شود تا آن را از الکترون جدا کند، با افزایش n کاهش می یابد و برای یک مقدار معین p - sافزایش l. ترتیبی که الکترون‌ها پوسته‌ها و لایه‌های یک آلومینیوم پیچیده را پر می‌کنند، پیکربندی الکترونیکی آن را تعیین می‌کند، یعنی توزیع الکترون‌ها بین پوسته‌ها در حالت زمین (تحریک‌نشده) این آلومینیوم و یون‌های آن. با این پر کردن، الکترون هایی با مقادیر افزایشی u و / به طور متوالی مرتبط می شوند. به عنوان مثال، برای نیتروژن A. (Z = 7) و یون های آن N + , N 2+ , N 3+ , N 4+ , ​​N 5+ و N 6+ به ترتیب تنظیمات الکترونیکی است: Is 2 2s 2 2p 3 ; آیا 2 2s 2 2p 2 ; آیا 2 2s 2 2p; آیا 2 2s 2 ; 2 2 ثانیه است; 2 است؛ Is (تعداد الکترون ها در هر پوسته با شاخص در بالا سمت راست نشان داده می شود). عناصر خنثی A با تعداد الکترون یکسان دارای تنظیمات الکترونیکی مشابه با یون های نیتروژن هستند: C، B، Be، Li، He، H (Z = 6، 5، 4، 3، 2، 1). با شروع از n = 4، ترتیب پر کردن پوسته ها تغییر می کند: الکترون ها با بزرگتر پ،اما معلوم می‌شود که l کوچک‌تر محکم‌تر از الکترون‌هایی با l کوچک‌تر و بزرگ‌تر (قانون کلچکوفسکی) پیوند می‌خورد. الکترون‌های 4s محکم‌تر از الکترون‌های 3d متصل می‌شوند و ابتدا پوسته 4s پر می‌شود و سپس 3 بعدیهنگام پر کردن پوسته ها 3d، 4d، 5dگروه هایی از عناصر انتقال مربوطه به دست می آیند. هنگام پر کردن 4f-و 5f-shells - به ترتیب. لانتانیدها و . ترتیب پر کردن معمولاً با مجموع فزاینده ای از اعداد کوانتومی (n+l) مطابقت دارد ); اگر این مجموع برای دو یا چند پوسته برابر باشد، ابتدا پوسته ها با پوسته کوچکتر پر می شوند. موارد زیر صورت می گیرد. دنباله پر کردن لایه های الکترونی:

برای هر دوره، پیکربندی الکترونی گاز نجیب، حداکثر. تعداد الکترون ها و خط آخر مقادیر n + l را نشان می دهد. با این حال، انحرافاتی از این ترتیب پر کردن وجود دارد (برای اطلاعات بیشتر در مورد پر کردن پوسته ها، نگاه کنید به جدول تناوبی عناصر شیمیایی).

بین حالت های ساکن در A. امکان پذیر است انتقال کوانتومیهنگام انتقال از سطح انرژی بالاتر E i به E k پایین تر، A. انرژی می دهد (E i × E k)، و در طول انتقال معکوس آن را دریافت می کند. در طول انتقال تابشی، اتم یک کوانتوم الکترومغناطیسی ساطع یا جذب می کند. تشعشع (فوتون). همچنین زمانی ممکن است که A. در حین تعامل انرژی بدهد یا دریافت کند. با سایر ذرات که با آنها برخورد می کند (مثلاً در گازها) یا برای مدت طولانی (در مولکول ها، مایعات و جامدات) در ارتباط است. در گازهای اتمی، در نتیجه برخورد آزاد. A. با یک ذره دیگر می تواند به سطح انرژی دیگری حرکت کند - یک برخورد غیر کشسان را تجربه کند. در طول یک برخورد الاستیک، تنها مقدار جنبشی تغییر می کند. فرض انرژی حرکات A. و درونی کامل او. انرژی E بدون تغییر باقی می ماند. بدون برخورد غیر کشسان. الف با یک الکترون سریع حرکت می کند که به این A. جنبشی می دهد. انرژی، - تحریک A. توسط برخورد الکترون - یکی از روش های تعیین سطوح انرژی A.

ساختار اتمی و خواص مواد.شیمی. مقدسین توسط ساختار بیرونی تعیین می شوند. لایه‌های الکترونی الکترون‌ها، که در آن‌ها الکترون‌ها نسبتاً ضعیف محدود می‌شوند (انرژی‌های اتصال از چندین eV به چند ده eV). ساختار خارجی پوسته A. شیمیایی عناصر یک گروه (یا زیر گروه) دوره ای. سیستم ها مشابه هستند، که شباهت مواد شیمیایی را تعیین می کند. مقدس این عناصر با افزایش تعداد الکترون ها در یک پوسته پرکننده، انرژی اتصال آنها، به عنوان یک قاعده، افزایش می یابد. حداکثر الکترون ها در یک پوسته بسته دارای انرژی اتصال هستند. بنابراین الف با یک یا چند. الکترون ها در قسمتی پر شده پوسته به ماده شیمیایی داده می شود. r-tions. الف.، کریمه یک یا چند مورد از دست داده است. الکترون ها برای تشکیل یک خارجی بسته پوسته ها معمولا آنها را می پذیرند. الف گازهای نجیب با خارجی بسته. پوسته ها در شرایط عادی وارد واکنش های شیمیایی نمی شوند. مناطق

ساختار داخلی A. پوسته ها، که الکترون های آنها بسیار محکم تر متصل هستند (انرژی اتصال 10 2 -10 4 eV)، فقط در طول برهمکنش خود را نشان می دهد. الف با ذرات سریع و فوتون های پر انرژی. چنین تعاملاتی تعیین ماهیت طیف های پرتو ایکس و پراکندگی ذرات (الکترون ها، نوترون ها) در طیف (نگاه کنید به). روشهای پراش).جرم A. خواص فیزیکی آن را تعیین می کند. مقدس، مانند یک تکانه، جنبشی. انرژی. از آهنرباهای مکانیکی و مرتبط. و برقی لحظات هسته A. برخی از عوامل فیزیکی ظریف بستگی دارد. اثرات (NMR، NQR، ساختار فوق ظریف خطوط طیفی، سانتی متر طیف سنجی).

در مقایسه با مواد شیمیایی ضعیف تر است اتصال الکترواستاتیک اثر متقابل دو A. خود را در قطبش پذیری متقابل خود نشان می دهند - جابجایی الکترون ها نسبت به هسته ها و وقوع قطبش ها. نیروهای جاذبه بین A. (نگاه کنید به فعل و انفعالات بین مولکولی). A. در خارج قطبی شده است. برقی زمینه های؛ در نتیجه، سطوح انرژی جابه‌جا می‌شوند و مهمتر از همه، سطوح منحط تقسیم می‌شوند (نگاه کنید به. اثر استارک).الف نیز می تواند تحت تأثیر الکتریسیته قطبی شود. میدان های امواج الکترومغناطیسی تابش - تشعشع؛ به فرکانس تابش بستگی دارد، که وابستگی ضریب شکست ماده مرتبط با قطبش پذیری A را به آن تعیین می کند. سنت الف با برقش. سنت شما به ویژه در نوری آشکار است. طیف

خارج الکترون A. آهنربا را تعیین می کند. sv-va. در الف با قسمت پر شده. پوسته های مغناطیسی آن ممان، مانند تکانه کل زاویه ای (گشتاور مکانیکی)، برابر با صفر است. الف با قسمت خارجی پر شده پوسته ها معمولا میدان مغناطیسی دائمی دارند. لحظاتی غیر از صفر؛ چنین موادی پارامغناطیس هستند (نگاه کنید به. پارامغناطیس).در خارج ماگ میدان تمام سطوح انرژی A.، که برای آن مغناطیسی. لحظه برابر با صفر نیست، آنها تقسیم می شوند (نگاه کنید به. اثر زیمن).همه A دارای دیامغناطیس هستند که به دلیل وقوع مغناطیس القایی در آنها است. لحظه ای تحت تأثیر عوامل خارجی ماگ زمینه ها (نگاه کنید به دی الکتریک).

خواص A. که در حالت محدود هستند (مثلاً در ترکیب مولکول ها گنجانده شده است) با خواص آزاد متفاوت است. زیاد تغییرات توسط خواص تعیین شده از خارج انجام می شود. الکترون های شرکت کننده در شیمی ارتباطات؛ خواص مقدس توسط الکترون های داخلی تعیین می شود. ممکن است پوسته ها تقریباً بدون تغییر باقی بمانند. برخی از خواص اتم ها ممکن است بسته به تقارن محیط یک اتم معین تغییراتی را تجربه کنند. به عنوان مثال تقسیم سطوح انرژی A. در بلورها و ترکیبات پیچیده است که تحت تأثیر الکتریسیته رخ می دهد. میدان های ایجاد شده توسط یون ها یا لیگاندهای اطراف.

روشن: Karapetyants M. X., Drakin S. I., Structure, 3rd ed., M., 1978; Shloliekiy E.V., Atomic Physics, 7th ed., vol 1-2, M., 1984. M. A. Elyashevich.

دایره المعارف شیمی. - م.: دایره المعارف شوروی. اد. I. L. Knunyants. 1988 .

ببینید "ATOM" در سایر لغت نامه ها چیست:

اتم- اتم و ... فرهنگ لغت املای روسی

- (یونانی atomos، از جزء منفی.، و توم، توموس بخش، بخش). ذره ای بی نهایت کوچک و غیر قابل تقسیم که مجموع آن هر جسم فیزیکی را می سازد. فرهنگ لغات کلمات خارجی موجود در زبان روسی. Chudinov A.N.، 1910. ATOM یونانی ... فرهنگ لغات واژگان خارجی زبان روسی

اتم- یک اتم m. 1. کوچکترین ذره تقسیم ناپذیر ماده. اتم ها نمی توانند ابدی باشند. Cantemir درباره طبیعت. آمپر معتقد است که هر ذره غیرقابل تقسیم ماده (اتم) حاوی مقداری الکتریسیته است. OZ 1848 56 8 240. بگذار... ... فرهنگ لغت تاریخی گالیسم های زبان روسی

اتم، کوچکترین ذره یک ماده که می تواند وارد واکنش های شیمیایی شود. هر ماده دارای مجموعه منحصر به فردی از اتم ها است. زمانی اعتقاد بر این بود که اتم غیرقابل تقسیم است، اما از یک هسته با بار مثبت تشکیل شده است،... ... فرهنگ دانشنامه علمی و فنی

- (از یونانی atomos - غیر قابل تقسیم) کوچکترین ذرات سازنده ماده که از آنها هر چیزی که وجود دارد تشکیل شده است، از جمله روح که از بهترین اتم ها (Leucippus، Democritus، Epicurus) تشکیل شده است. اتم ها ابدی هستند، نه پدید می آیند و نه ناپدید می شوند، در ثابت بودن... ... دایره المعارف فلسفی

اتم- اتم ♦ اتم از نظر ریشه شناسی، اتم یک ذره تقسیم ناپذیر یا ذره ای است که فقط در معرض تقسیم نظری است. عنصر تقسیم ناپذیر (اتم) ماده. دموکریتوس و اپیکور اتم را به این معنا درک می کنند. دانشمندان مدرن به خوبی می دانند که این ... ... فرهنگ لغت فلسفی اسپونویل

- (از یونانی atomos غیر قابل تقسیم) کوچکترین ذره یک عنصر شیمیایی که خواص خود را حفظ می کند. در مرکز اتم یک هسته با بار مثبت وجود دارد که تقریباً کل جرم اتم در آن متمرکز است. الکترون ها به اطراف حرکت می کنند و الکترون را تشکیل می دهند ... فرهنگ لغت دایره المعارفی بزرگ

اتم کوچکترین بخش شیمیایی غیر قابل تقسیم یک عنصر شیمیایی است که حامل خواص آن است. یک اتم از الکترون ها و یک هسته اتمی تشکیل شده است که به نوبه خود از نوترون های بدون بار و همچنین پروتون های دارای بار مثبت تشکیل شده است. اگر تعداد الکترون ها و پروتون ها یکسان باشد، اتم از نظر الکتریکی خنثی است. در غیر این صورت دارای بار منفی یا مثبت است که در این صورت یون نامیده می شود.

اتم ها بر اساس تعداد نوترون ها و پروتون ها در هسته طبقه بندی می شوند: تعداد نوترون ها تعلق آن را به هر ایزوتوپ یک عنصر شیمیایی تعیین می کند، تعداد پروتون ها - مستقیماً به این عنصر. اتم های انواع مختلف در مقادیر مختلف که توسط پیوندهای بین اتمی خاصی به هم متصل می شوند، مولکول ها را تشکیل می دهند.

مفهوم اتم اولین بار توسط فیلسوفان یونان باستان و هند باستان بیان شد. در قرن هفدهم و هجدهم، شیمیدانان توانستند این فرضیه را تأیید کنند که برخی از مواد را نمی‌توان با استفاده از روش‌های شیمیایی خاص، متعاقباً به عناصر کوچک‌تر تجزیه کرد. اما در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20، فیزیکدانان ذرات زیر اتمی را کشف کردند، پس از آن مشخص شد که اتم در واقع یک "ذره تقسیم ناپذیر" نیست. در سال 1860 کنگره بین المللی شیمیدانان در شهر کارلسروهه آلمان برگزار شد که در آن تصمیمات متعددی در مورد تعریف مفاهیم اتم و مولکول اتخاذ شد. در نتیجه اتم کوچکترین ذره یک عنصر شیمیایی است که بخشی از مواد پیچیده و ساده است.

مدل های اتمی

مدل اتم تامسون او پیشنهاد کرد که اتم را به عنوان جسمی با بار مثبت حاوی الکترون در نظر بگیریم. این فرضیه سرانجام توسط دانشمند معروف رادرفورد پس از انجام آزمایش معروف خود که در آن ذرات آلفا را پراکنده کرد، رد شد.

تکه های ماده. دموکریتوس دانشمند یونان باستان معتقد بود که خواص یک ماده را می توان با جرم، شکل و ویژگی های مشابه اتم هایی که از آن تشکیل شده است تعیین کرد. مثلاً آتش دارای اتم های تیز است که در نتیجه می تواند سوزانده شود و در اجسام جامد خشن هستند، به همین دلیل است که به یکدیگر محکم می چسبند، در آب صاف هستند و بنابراین می توانند جریان داشته باشند. دموکرتی همچنین معتقد بود که روح انسان از اتم تشکیل شده است.

مدل سیاره ای اولیه ناگائوکا از اتم. فیزیکدانان ژاپنی هانتارو ناگائوکا در سال 1904 چنین مدلی از اتم را پیشنهاد کردند که در قیاس مستقیم با زحل ساخته شده بود. در این مدل، الکترون ها در مدارهایی به دور یک هسته کوچک مثبت می چرخیدند و به صورت حلقه ترکیب می شدند. اما این مدل اشتباه بود.

مدل سیاره ای اتم بور- رادرفورد. ارنست رادرفورد در سال 1911 چندین آزمایش انجام داد و پس از آن به این نتیجه رسید که اتم نوعی سیستم سیاره‌ای است که در آن الکترون‌ها در مدارهایی به دور یک هسته سنگین و با بار مثبت که در مرکز اتم قرار دارد حرکت می‌کنند. اما چنین توصیفی با الکترودینامیک کلاسیک در تضاد بود. به گفته دومی، یک الکترون در حالی که با شتاب مرکزی حرکت می کند، باید امواج الکترومغناطیسی ساطع کند که در نتیجه مقداری انرژی از دست می دهد. محاسبات او نشان داد که زمان سقوط یک الکترون بر روی هسته در چنین اتمی کاملاً ناچیز است.

برای توضیح پایداری اتم ها، نیلز بور مجبور شد تعدادی فرضیه خاص را معرفی کند، که به این واقعیت تقلیل یافتند که الکترون یک اتم، زمانی که در حالت های انرژی خاصی قرار دارد، انرژی ساطع نمی کند ("بور-رادرفورد" مدل اتم»). فرضیه های بور نشان داد که مکانیک کلاسیک برای توصیف خواص اتم و تعریف آن غیرقابل استفاده است. مطالعه بعدی تابش اتمی منجر به ایجاد چنین شاخه ای از فیزیک به عنوان مکانیک کوانتومی شد که امکان توضیح تعداد زیادی از حقایق مشاهده شده را فراهم کرد.

مدل مکانیکی کوانتومی اتم

مدل اتمی مدرن توسعه ای از مدل سیاره ای است. هسته یک اتم حاوی نوترون های بدون بار و پروتون های با بار مثبت است و توسط الکترون هایی احاطه شده است که بار منفی دارند. اما مفاهیم مکانیک کوانتومی این امکان را فراهم نمی‌کند که الکترون‌ها در طول هر مسیر مشخصی در اطراف هسته حرکت کنند.
خواص شیمیایی یک اتم توسط مکانیک کوانتومی توصیف می شود و با پیکربندی لایه الکترونی آنها تعیین می شود. مکان یک اتم در جدول عناصر شیمیایی دوره ای مندلیف بر اساس بار الکتریکی هسته آن تعیین می شود. تعداد پروتون‌ها و تعداد نوترون‌ها تأثیر اساسی بر خواص شیمیایی ندارد. بخش عمده ای از اتم در هسته متمرکز است. جرم یک اتم در واحدهای جرم اتمی ویژه برابر با.

خواص اتم

هر دو اتم که تعداد پروتون یکسانی داشته باشند به یک عنصر شیمیایی تعلق دارند. اتم هایی با تعداد پروتون یکسان اما تعداد نوترون های متفاوت را ایزوتوپ های آن عنصر می نامند. به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن حاوی یک پروتون است، اما ایزوتوپ هایی هستند که حاوی نوترون یا یک نوترون (دوتریوم) یا دو نوترون (تریتیوم) نیستند. با شروع اتم هیدروژن که دارای یک پروتون است و با اتم ununoctium که حاوی 118 پروتون است، پایان می یابد، عناصر شیمیایی یک سری طبیعی پیوسته را با توجه به تعداد پروتون های هسته تشکیل می دهند. ایزوتوپ های رادیواکتیو عناصر با عدد 83 جدول تناوبی شروع می شوند.

بقیه جرم یک اتم بر حسب واحد جرم اتمی (دالتون) بیان می شود. جرم یک اتم تقریباً برابر است با حاصل ضرب واحد جرم اتمی ضربدر عدد جرمی. سنگین ترین ایزوتوپ سرب-208 است که جرم آن 207.976 a است. خوردن
پوسته الکترونی بیرونی یک پوسته اتمی، اگر کاملاً پر نباشد، لایه ظرفیتی و الکترون های آن را الکترون های ظرفیتی می نامند.