Как найти размер атома формула

Размер атома определяется радиусом его внешней электронной оболочки. Размеры всех атомов ~ 10^‑10 м. А размер ядра на 5 порядков меньше, всего — 10^-15 м. Наглядно это можно представить так: если атом увеличить до размеров 20-этажного дома, то ядро атома будет выглядеть как миллиметровая пылинка в центральной комнате этого дома. Однако трудно вообразить дом, масса которого прак­тически полностью сосредоточена в этой пылинке. А атом именно таков.

Атомы очень маленькие и очень легкие. Атом во столько раз легче яблока, во сколько раз яблоко легче земного шара. Если мир «потяжелеет» так, что атом станет весить как капля воды, то люди в таком мире станут тяже­лыми, как планеты: дети — как Меркурий и Марс, а взрослые — как Венера и Земля.

Рассмотреть атом нельзя даже с помощью микро­скопа. Лучшие оптиче­ские микроскопы позво­ляют различить детали объекта, если расстояние между ними ~0,2 мкм. В электронном микроско­пе это расстояние уда­лось уменьшить до ~2-3 Å. Различить и сфо­тографировать отдель­ные атомы впервые уда­лось с помощью ионного проектора. Но никто не видел, как устроен атом внутри. Все данные о строении атомов полу­чены из опытов по рассе­янию частиц.

Масса атомного ядра в несколько тысяч раз больше массы его электронной оболочки. Это связано с тем, что ядра атомов состоят из очень тяжелых, по сравнению с электроном, частиц — протонов p и нейтронов n. Их массы почти одинаковы и примерно в 2000 раз больше массы элек­трона. При этом протон — положительно заряженная части­ца, а нейтрон — нейтральная. Заряд протона по величине ра­вен заряду электрона. Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке, это и обеспечивает электрическую нейтральность атома. Число нейтронов может быть различ­ным, в ядре атома легкого водорода нейтронов нет совсем, а в ядре атома углерода их может быть и 6, и 7, и 8.

Масса электрона m_e ≈ 0,91 • 10^-30 кг, масса протона m_p ≈ 1,673 • 10^-27 кг = 1836 m_e, мас­са нейтрона m_n = 1,675 • 10^‑27кг ≈ 1840 m_e.

Масса атома меньше суммы масс ядра и электронов на ве­личину Δm, называемую дефектом масс, который возника­ет из-за кулоновского взаимодействия ядра и электронов. Дефект масс у атомов (в отличие от ядер) очень мал, и, хотя он увеличивается с ростом Z, ни у одного атома не превы­шает массы электрона. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Конечно, атом нельзя по­ложить на весы и взвесить, он слишком мал. Массы атомов сначала определи­ли химики. Причем изме­рили они их в относитель­ных единицах, приняв за единицу массу атома водо­рода и воспользовавшись законом Дальтона, соглас­но которому химические вещества образуются при соединении атомов хими­ческих элементов в строго определенной пропорции. И сейчас массы атомов ча­ще всего измеряют в отно­сительных единицах, но в качестве атомной единицы массы (а. е. м.) используют ¹/₁₂ массы атома углерода C¹²,1 а. е. м. = 1,66057 • 10^-27 кг.

Одной из важных постоянных атомной физики является постоянная Авогадро (см. том I, § 242) — число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и т. п.) в моле вещества. Зная постоянную Авогадро, можно найти величины, характеризующие отдельный атом: массу и размеры атома, заряд иона и т. п.

Существует ряд способов измерения постоянной Авогадро. В них используются физические явления различного рода. К числу таких явлений относятся броуновское движение частиц, взвешенных в жидкости или газе (см. том I, §219), радиоактивность (см. гл. XXII), рассеяние света в газах и др. Наиболее точным методом определения этой постоянной является метод, основанный на дифракции рентгеновского излучения.

Из оптики (см. гл. XVII) мы знаем, что рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, отличающиеся от видимого света значительно меньшей длиной волны. Волновая природа рентгеновского излучения была установлена впервые в опытах по дифракции на кристаллах. Эти опыты одновременно подтвердили справедливость представления о кристаллах как о совокупности правильно расположенных атомов, образующих пространственную решетку (см. том I, §266).

Пучок рентгеновских лучей, падающих на кристалл, рассеивается по преимуществу в некоторых избранных направлениях (см. § 154). Углы рассеяния определяются длиной волны рентгеновского излучения и расстоянием между соседними атомами в кристалле. Если одна из этих величин известна, то, измерив углы рассеяния, можно определить вторую.

Длину волны рентгеновского излучения измеряют с большой точностью по дифракции на обыкновенной штриховой решетке, подобной решеткам, применяемыми оптике (см. §§ 135 и 138). Зная же длину волны рентгеновского излучения, мы можем определить межатомное расстояние в кристалле. В кристаллах типа каменной соли

 атомы расположены по вершинам куба со стороной, равной кратчайшему межатомному расстоянию

. Объем кристалла, приходящийся на один атом, составляет

, на одну молекулу

. Пусть объем кристаллического вещества, количество которого равно 1 молю, есть

. Тогда постоянную Авогадро можно найти по формуле

Все разнообразные способы измерения постоянной Авогадро приводят к одному и тому же значению. По современным измерениям значение это равно

Согласие различных способов определения постоянной Авогадро (равно как и согласие различных способов измерения масс, размеров и скоростей атомов) является убедительным доказательством справедливости атомистической теории вещества.

Обратим внимание на резкое различие сжимаемости газов, с одной стороны, и жидкостей и твердых тел, с другой стороны.

Согласно закону Бойля — Мариотта (см. том I, §226) для уменьшения объема газа на

 достаточно на

 увеличить давление. В твердых же телах и жидкостях уменьшение объема на

 требует увеличения давления в десятки и сотни раз (исходное давление предполагается атмосферным). Это различие объясняется тем, что молекулы газов находятся на расстояниях, которые во много раз превосходят размеры молекул. Их сближению препятствует тепловое движение. Силы же взаимодействия между молекулами газа, находящимися на больших расстояниях друг от друга, настолько слабы, что их можно не учитывать. Наоборот, в жидкостях и в твердых телах атомы (или молекулы) можно рассматривать как расположенные почти «вплотную». При сближении атомов (молекул) возникают огромные силы отталкивания, которые и затрудняют уменьшение объема этих тел.

Таким образом, среднее расстояние между центрами соседних атомов твердого или жидкого тела можно приближенно считать линейным размером атома. Зная постоянную Авогадро, легко вычислить это расстояние.

Моль вещества содержит

 атомов и занимает объем

, где

 — плотность вещества,

 — его молярная масса. Придадим молю вещества форму куба. На ребре куба уложится

 атомов; длина ребра будет равна корню кубическому из объема куба, т. е.

. Поделив длину ребра на число атомов на нем, получим среднее расстояние между центрами соседних атомов, которое мы принимаем за приближенный размер атома. Это расстояние

Для жидкого водорода (при температуре

), подставляя

 и

, находим

Для других элементов расчет дает сходные значения. Мы можем заключить, что линейные размеры всех атомов близки к

.

Зная постоянную Авогадро, можно также определить массу атома:

.

Эта формула дает нам среднее значение массы атома. Вопрос о том, одинаковы ли все атомы данного элемента по массе или нет, должен быть решен опытом (см. § 195).

Легчайшим из атомов является атом водорода, относительная атомная масса которого равна

 и, следовательно,

. Разделив это значение

 на

 получим массу атома водорода:

Радиус атома

Размер атома определяется радиусом наиболее удаленной от ядра электронной орбиты.
Он имеет величину порядка 0.1 нанометра (нм), или 10^-10 м. Приближенно его можно вычислить, используя атомную массу.

Если

то

[ r_{а} approx 0.5 cdot sqrt[3]{frac{m_{а}}{ρ}} ]

Радиус атома	стр. 743

У этого термина существуют и другие значения, см. Атом (значения).

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый^[1], не разрезаемый^[2]») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств^[1][3].

Атомы состоят из ядра и электронов (точнее, электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом^[1]. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам^[3][4].

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Z×e) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер^[5].

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

История становления понятия[править | править код]

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.

На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Модели атомов[править | править код]

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов^[6].
• Модель атома Томсона 1904 г. (модель «Пудинг с изюмом»). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
• Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году^[7] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Необходимость введения постулатов Бора была следствием осознания того, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

Квантово-механическая модель атома[править | править код]

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы (дальтонах), равных ¹⁄₁₂ от массы атома стабильного изотопа углерода ¹²C.

Строение атома[править | править код]

Субатомные частицы[править | править код]

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11⋅10⁻³¹ кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами^[8]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻¹⁸ м^[9][10].

Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726⋅10⁻²⁷ кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749⋅10⁻²⁷ кг)^[11].

При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5⋅10⁻¹⁵ м, хотя размеры этих частиц определены плохо^[12].

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +²⁄₃ или (−¹⁄₃) элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами^[13][14].

Электроны в атоме[править | править код]

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон в атоме может перейти на уровень с большей энергией при столкновении данного атома с другим атомом, электроном, ионом, или же поглотив фотон соответствующей энергии. При переходе на более низкий уровень электрон отдаёт энергию путём излучения фотона, либо путём передачи энергии другому электрону (безызлучательный переход, удары второго рода). Как и в случае поглощения, при излучательном переходе энергия фотона равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). Частота испускаемого излучения ν связана с энергией фотона E соотношением E = hν, где h — постоянная Планка.

Свойства атома[править | править код]

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий)^[15]. Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом оганесона, в ядре которого 118 протонов^[16] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны^[17][18].

Масса[править | править код]

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как ¹⁄₁₂ часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66⋅10⁻²⁴ г.^[19] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м.^[20] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы^[21] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208^[17] с массой 207,9766521 а. е. м.^[22]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022⋅10²³). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.^[19]

Размер[править | править код]

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами одинаковых атомов, которые образовали химическую связь (ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин^[23]. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо^[24]. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм)^[25]. Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода^[26]. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2⋅10²¹) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода^[27]. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода^[28]. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока^[29].

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра^[30].

Радиоактивный распад[править | править код]

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

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

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

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

Магнитный момент[править | править код]

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

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

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

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

Энергетические уровни[править | править код]

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

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

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

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

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

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

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

Валентность[править | править код]

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

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

Дисперсионное притяжение[править | править код]

Важным свойством атома является его склонность к дисперсионному притяжению. Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Ф. Лондоном. Межатомное взаимодействие возникает вследствие флуктуаций заряда в двух атомах, находящихся близко друг от друга. Поскольку электроны движутся, каждый атом обладает мгновенным дипольным моментом, отличным от нуля. Если бы флуктуации электронной плотности в двух атомах были бы несогласованными, то не было бы результирующего притяжения между атомами. Однако мгновенный диполь на одном атоме наводит противоположно направленный диполь в соседнем атоме. Эти диполи притягиваются друг к другу за счёт возникновения силы притяжения, которая называется дисперсионной силой, или силой Лондона. Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости атома α и обратно пропорциональна r⁶, где r — расстояние между двумя атомами^[50].

Деформационная поляризация атома[править | править код]

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

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

Ионизация атома[править | править код]

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

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

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

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

Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I₁, I₂, I₃… соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Взаимодействие атома с электроном[править | править код]

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

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

Энергетический эффект процесса присоединения к нейтральному атому (Э) принято называть энергией сродства к электрону:

Э + e^– → Э^–.

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

Электроотрицательность атома[править | править код]

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

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

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

Символизм[править | править код]

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

См. также[править | править код]

• Физика атомов и молекул
• Молекула
• Электрон
• Протон
• Нейтрон

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами. — М.: Физматгиз, 1960. — 562 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. М.: Мир, 2001. — 532 c.
• Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек. — М.: Наука, 1986. — 328 с. Архивная копия от 31 июля 2013 на Wayback Machine
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1 — М.: ГИТТЛ, 1956.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2 — М.: ГИТТЛ, 1956.
• Шпольский Э. В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома 4-е изд. — М.: Наука, 1974.

На английском языке

• Michael F. L’Annunziata. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. — ISBN 0-12-436603-1.
• H. F. Beyer, V. P. Shevelko. Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN 0-75-030481-2.
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. Radiochemistry and Nuclear Chemistry. — Elsevier, 2001. — ISBN 0-75-067463-6.
• J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy, Part 1. — London and Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtröder. Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. — 1st ed. — Springer, 2002. — ISBN 3-540-20631-0.
• Richard Feynman. Six Easy Pieces. — The Penguin Group, 1995. — ISBN 978-0-140-27666-4.
• Grant R. Fowles. Introduction to Modern Optics. — Courier Dover Publications, 1989. — ISBN 0-48-665957-7.
• Mrinalkanti Gangopadhyaya. Indian Atomism: History and Sources. — Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. — ISBN 0-391-02177-X.
• David L. Goodstein. States of Matter. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN 0-48-649506-X.
• Edward Robert Harrison. Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN 0-52-177351-2.
• Tatjana Jevremovic. Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN 0-38-723284-2.
• James Lequeux. The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN 3-540-21326-0.
• Z.-P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging / J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 1999. — P. 412—26. — ISBN 0-47-113946-7.
• Malcolm H. MacGregor. The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN 0-19-521833-7.
• Oliver Manuel. Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN 0-30-646562-0.
• Robert M. Mazo. Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0-19-851567-7.
• Ian Mills, Tomislav Cvitaš, Klaus Homann, Nikola Kallay, Kozo Kuchitsu. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. — 2nd ed. — Oxford: International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on Physiochemical Symbols Terminology and Units, Blackwell Scientific Publications, 1993. — ISBN 0-632-03583-8.
• Richard Myers. The Basics of Chemistry. — Greenwood Press, 2003. — ISBN 0-31-331664-3.
• Michael J. Padilla, Ioannis Miaoulis, Martha Cyr. Prentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. — Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, 2002. — ISBN 0-13-054091-9.
• Linus Pauling. The Nature of the Chemical Bond. — Cornell University Press, 1960. — ISBN 0-80-140333-2.
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN 1-860-94250-4.
• Leonid Ivanovich Ponomarev. The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN 0-75-030251-8.
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN 0-82-470834-2.
• Robert Siegfried. From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN 0-87-169924-9.
• Alan D. Sills. Earth Science the Easy Way. — Barron’s Educational Series, 2003. — ISBN 0-76-412146-4.
• Boris M. Smirnov. Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN 0-38-795550-X.
• Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science. — Simon & Schuster, 2003. — P. 213—214. — ISBN 0-74-324379-X.
• Graham Woan. The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 0-52-157507-9.
• Charles Adolphe Wurtz. The Atomic Theory. — New York: D. Appleton and company, 1881.
• Marco Zaider, Harald H. Rossi. Radiation Science for Physicians and Public Health Workers. — Springer, 2001. — ISBN 0-30-646403-9.
• Steven S. Zumdahl. Introductory Chemistry: A Foundation. — 5th ed. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN 0-618-34342-3.

Ссылки[править | править код]

• Атом в Физической энциклопедии
• Eden Francis. Atomic Size. Clackamas Community College (2002). Дата обращения: 9 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Craig C. Freudenrich. How Atoms Work. How Stuff Works. Дата обращения: 9 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• The atom. Science aid+ (2007). — A guide to the atom for teens. Дата обращения: 9 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Atoms and Atomic Structure. Би-би-си (3 января 2006). Дата обращения: 11 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Physics 2000. University of Colorado (3 января 2006). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Почему электрон не падает на ядро? Научный журнал ARI
• Украинские ученые впервые сфотографировали атом (16 сентября 2009).
• Ученые изолировали, захватили и сфотографировали атом Рубидия 85 (1 октября 2010). Дата обращения: 1 октября 2010. Архивировано 2 февраля 2012 года.
• Строение атома
• Строение атома (учебный фильм)
• Спектры атомов. Дата обращения: 10 октября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Структура атомов, учебный фильм. Дата обращения: 10 октября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.

Размеры атомов и молекул

Туннельные
микроскопы обеспечивают увеличение в
100 млн раз. Это позволяет измерять размеры
атомов с очень большой точностью. Так,
диаметр атома углерода оказался равным
1,4·10^-8
см. Такой же порядок имеют и размеры
других атомов.

Размеры атомов и
молекул, найденные другими методами,
оказываются примерно такими же.

Эти
размеры так малы, что их невозможно себе
представить. Что вам может сказать,
например, число 2,3·10^-8см
— размер молекулы водорода? В таких
случаях прибегают к помощи сравнений.
Если, например, вашу голову увеличить
до размеров средней звезды типа Солнца,
то молекула при этом увеличится до
размеров головы.

А
вот еще сравнение. Если представить
себе, что все размеры в мире возросли в
10⁸
раз, то молекула водорода будет выглядеть
как шарик диаметром всего в 2,3 см (средних
размеров слива), а рост человека стал
бы равным 170 000 км, размер мухи — 10 000 км,
толщина волоса — 10км, размер красного
кровяного тельца (эритроцита) — 700 м.

Число молекул

При
столь малых размерах молекул число их
в любом макроскопическом теле чрезвычайно
велико. Подсчитаем приблизительное
число молекул в капле воды массой 1 г и,
следовательно, объемом 1 см³.
Диаметр молекулы воды равен приблизительно
3·10^-8см.
Считая, что каждая молекула воды при
плотной упаковке молекул занимает объем
(3·10^-8
см)³,
можно найти число молекул в капле,
разделив объем капли (1 см³)
на объем, приходящийся на одну молекулу:

Представьте
себе, что поверхность земного шара
твердая и гладкая. На всей поверхности
вплотную друг к другу стоят люди. Число
людей при этом будет чуть меньше числа
молекул в 1 см³
воздуха при нормальном атмосферном
давлении и температуре 0 °С.

Надо
помнить основные положения
молекулярно-кинетической теории. Атомы
имеют размеры порядка 10^-8см.
Изображения
атомов, полученные с помощью туннельного
микроскопа, не оставляют никаких сомнений
в их существовании,

§ 2.2. Масса молекул. Постоянная Авогадро

Массы молекул
очень малы, если выражать их в граммах
или килограммах, а число молекул в
макроскопических телах огромно. С очень
маленькими и очень большими числами
иметь дело неудобно. Ученые нашли
довольно простой способ избежать этого
неудобства и характеризовать массы
молекул и их число вполне обозримыми
числами, не выходящими далеко за пределы
сотни. Сейчас вы познакомитесь с тем,
как это делается.

Масса молекулы воды

В
предыдущем параграфе мы выяснили, что
в 1 г воды содержится 3,7·10²²
молекул. Следовательно, масса одной
молекулы равна:

Массы такого же
порядка имеют и молекулы других веществ,
исключая огромные молекулы органических
соединений. Например, масса молекулы
гемоглобина превышает массу молекулы
воды в несколько десятков тысяч раз.

Относительная молекулярная масса

Так
как массы молекул очень малы, удобно
использовать не абсолютные значения
масс, а относительные. По международному
соглашению, принятому в 1961 г., массы всех
молекул сравнивают с
массы атома углерода* (так называемая
углеродная шкала атомных масс). Главная
причина выбора углеродной шкалы атомных
масс состоит в том, что углерод входит
в огромное число различных органических
соединений. Этот выбор позволяет очень
точно сравнивать массы атомов тяжелых
элементов с массой атома углерода.
Множительвведен для того, чтобы относительные
массы атомов были близки к целым числам.
Относительная масса атома углерода
точно равна 12, а атома водорода примерно
равна единице.

*
Точнее, с

массы атома наиболее
распространенного изотопа углерода-12.

Относительной
молекулярной (или атомной) массой
вещества М_r
называют
отношение массы молекулы (или атома)
данного вещества к

массы
атома углерода т_0С:

(2.2.1)

Относительные
атомные массы всех химических элементов
точно измерены. Складывая относительные
атомные массы, можно вычислить
относительную молекулярную массу.
Например, относительная молекулярная
масса воды Н₂О
приближенно равна 18, так как относительные
атомные массы водорода и кислорода
примерно равны 1 и 16:2-1 + 16=18.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #