Atom je. kvantni brojevi

Svaki dan koristimo neke predmete: uzimamo ih u ruke, vršimo bilo kakve manipulacije na njima - okrećemo ih, pregledavamo i na kraju razbijamo. Da li ste se ikada zapitali od čega su napravljeni ovi predmeti? "O čemu razmišljati? Od metala / drveta / plastike / tkanine!" - odgovoriće mnogi od nas zbunjeno. Ovo je djelimično tačan odgovor. A od čega se ti materijali sastoje - metal, drvo, plastika, tkanina i mnoge druge tvari? Danas ćemo razgovarati o ovom pitanju.

Molekul i atom: definicija

Za upućenu osobu, odgovor je jednostavan i banalan: od atoma i molekula. Ali neki ljudi se zbune i počnu postavljati pitanja: "Šta su atom i molekul? Kako izgledaju?" itd. Odgovorimo na ova pitanja redom. Pa, prvo, šta su atom i molekul? Odmah da vam kažemo da ove definicije nisu ista stvar. Štaviše, to su potpuno različiti pojmovi. Dakle, atom je najmanji dio kemijskog elementa, koji je nosilac njegovih svojstava, čestica materije oskudne mase i veličine. Molekula je električki neutralna čestica koju formira nekoliko povezanih atoma.

Šta je atom: struktura

Atom se sastoji od elektronske ljuske i (fotografija). Zauzvrat, jezgro se sastoji od protona i neutrona, a ljuska - od elektrona. U atomu su protoni pozitivno nabijeni, elektroni negativno, a neutroni uopće nisu nabijeni. Ako broj protona odgovara, onda je atom električno neutralan, tj. ako dodirnemo supstancu formiranu od molekula s takvim atomima, nećemo osjetiti ni najmanji električni impuls. A čak ni računari za teške uslove rada ga neće uhvatiti zbog nedostatka potonjeg. Ali dešava se da ima više protona nego elektrona, i obrnuto. Tada bi bilo ispravnije takve atome nazvati jonima. Ako u njemu ima više protona, onda je električno pozitivno, ali ako prevladavaju elektroni, električno je negativno. Svaki određeni atom ima strogi broj protona, neutrona i elektrona. I to se može izračunati. Predložak za rješavanje problema pronalaženja broja ovih čestica izgleda ovako:

Chem. element - R (umetnuti naziv elementa)
Protoni (p) - ?
Elektroni (e) - ?
Neutroni (n) - ?
Rješenje:
p = serijski broj kem. element R u periodnom sistemu po imenu D.I. Mendeljejev
e = p
n \u003d A r (R) - br. R

Šta je molekul: struktura

Molekul je najmanja čestica hemijske supstance, odnosno već je direktno uključena u njen sastav. Molekul određene tvari sastoji se od nekoliko identičnih ili različitih atoma. Strukturne karakteristike molekula zavise od fizičkih svojstava supstance u kojoj se nalaze. Molekule se sastoje od elektrona i atoma. Lokacija potonjeg može se pronaći pomoću strukturne formule. omogućava vam da odredite tok hemijske reakcije. Obično su neutralni (nemaju električni naboj) i nemaju nesparene elektrone (sve valencije su zasićene). Međutim, oni također mogu biti nabijeni, u tom slučaju njihov pravi naziv je joni. Molekuli također mogu imati nesparene elektrone i nezasićene valence - u ovom slučaju se nazivaju radikali.

Zaključak

Sada znate šta je atom i sve supstance, bez izuzetka, sastoje se od molekula, a potonje su, zauzvrat, izgrađene od atoma. Fizička svojstva tvari određuju raspored i vezu atoma i molekula u njoj.

Od antičkog perioda do sredine 18. veka u nauci je dominirala ideja da je atom čestica materije koja se ne može podeliti. Engleski naučnik, kao i prirodnjak D. Dalton, definirali su atom kao najmanju komponentu hemijskog elementa. M. V. Lomonosov je u svojoj atomskoj i molekularnoj teoriji mogao definirati atom i molekul. Bio je siguran da su molekuli, koje je nazvao "telešćima", sastavljeni od "elemenata" - atoma - i da su u stalnom kretanju.

D. I. Mendelejev je vjerovao da ova podjedinica tvari koje čine materijalni svijet zadržava sva svoja svojstva samo ako nije podvrgnuta razdvajanju. U ovom članku ćemo definirati atom kao objekt mikrosvijeta i proučavati njegova svojstva.

Preduvjeti za stvaranje teorije strukture atoma

U 19. veku tvrdnja o nedeljivosti atoma smatrana je opšteprihvaćenom. Većina naučnika je vjerovala da se čestice jednog kemijskog elementa ni pod kojim uvjetima ne mogu pretvoriti u atome drugog elementa. Ove ideje poslužile su kao osnova na kojoj se zasnivala definicija atoma do 1932. godine. Krajem 19. stoljeća došlo je do temeljnih otkrića u nauci koja su promijenila ovo gledište. Prije svega, 1897. godine, engleski fizičar J. J. Thomson otkrio je elektron. Ova činjenica je radikalno promijenila ideje naučnika o nedjeljivosti sastavnog dijela hemijskog elementa.

Kako dokazati da je atom kompleksan

Čak i ranije, naučnici su se jednoglasno složili da atomi nemaju naboj. Tada je otkriveno da se elektroni lako oslobađaju iz bilo kojeg kemijskog elementa. Mogu se naći u plamenu, oni su nosioci električne struje, oslobađaju ih supstance tokom rendgenskih zraka.

Ali ako su elektroni dio svih atoma bez izuzetka i negativno su nabijeni, onda u atomu još uvijek postoje neke čestice koje nužno imaju pozitivan naboj, inače atomi ne bi bili električno neutralni. Da bi se razotkrila struktura atoma, pomogao je takav fizički fenomen kao što je radioaktivnost. Dao je tačnu definiciju atoma u fizici, a potom i u hemiji.

Nevidljivi zraci

Francuski fizičar A. Becquerel prvi je opisao fenomen emisije atoma određenih hemijskih elemenata, vizuelno nevidljivih zraka. Joniziraju zrak, prolaze kroz tvari, uzrokuju zacrnjenje fotografskih ploča. Kasnije su supružnici Curie otkrili da se radioaktivne tvari pretvaraju u atome drugih kemijskih elemenata (na primjer, uranijum u neptunijum).

Radioaktivno zračenje je heterogeno po sastavu: alfa čestice, beta čestice, gama zraci. Tako je fenomen radioaktivnosti potvrdio da čestice elemenata periodnog sistema imaju složenu strukturu. Ova činjenica je bila razlog za promjene u definiciji atoma. Od kojih se čestica sastoji atom, s obzirom na nove naučne činjenice do kojih je došao Rutherford? Odgovor na ovo pitanje bio je nuklearni model atoma koji je predložio naučnik, prema kojem se elektroni okreću oko pozitivno nabijenog jezgra.

Kontradikcije Rutherfordovog modela

Teorija naučnika, uprkos svom izvanrednom karakteru, nije mogla objektivno da definiše atom. Njeni zaključci bili su protiv temeljnih zakona termodinamike, prema kojima svi elektroni koji se okreću oko jezgra gube svoju energiju i, kako god bilo, prije ili kasnije moraju u nju pasti. Atom je u ovom slučaju uništen. To se zapravo ne dešava, jer hemijski elementi i čestice od kojih se sastoje postoje u prirodi veoma dugo. Takva definicija atoma, zasnovana na Rutherfordovoj teoriji, je neobjašnjiva, kao i fenomen koji se javlja kada se vruće jednostavne tvari prođu kroz difrakcijsku rešetku. Na kraju krajeva, rezultirajući atomski spektri imaju linearni oblik. Ovo je bilo u suprotnosti s Rutherfordovim modelom atoma, prema kojem su spektri trebali biti kontinuirani. Prema konceptima kvantne mehanike, elektroni u jezgri se trenutno ne okarakterišu kao tačkasti objekti, već kao da imaju oblik elektronskog oblaka.

Njegova najveća gustoća je u određenom lokusu prostora oko jezgre i smatra se lokacijom čestice u datom trenutku. Također je utvrđeno da su elektroni u atomu raspoređeni u slojevima. Broj slojeva se može odrediti poznavanjem broja perioda u kojem se element nalazi u periodičnom sistemu D. I. Mendeljejeva. Na primjer, atom fosfora sadrži 15 elektrona i ima 3 energetska nivoa. Indikator koji određuje broj energetskih nivoa naziva se glavni kvantni broj.

Eksperimentalno je utvrđeno da elektroni energetskog nivoa najbližeg jezgru imaju najmanju energiju. Svaka energetska ljuska podijeljena je na podnivoe, a oni, zauzvrat, na orbitale. Elektroni koji se nalaze na različitim orbitalama imaju jednak oblik oblaka (s, p, d, f).

Na osnovu prethodnog proizilazi da oblik elektronskog oblaka ne može biti proizvoljan. Ona je striktno definisana prema orbitali.Također dodajemo da je stanje elektrona u makročestici određeno još dve vrednosti - magnetnim i spinskim kvantnim brojem. Prvi je zasnovan na Schrödingerovoj jednadžbi i karakteriše prostornu orijentaciju elektronskog oblaka na osnovu trodimenzionalnosti našeg sveta. Drugi indikator je spin broj, koristi se za određivanje rotacije elektrona oko njegove ose u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu.

Otkriće neutrona

Zahvaljujući radu D. Chadwicka, koji je on izvršio 1932. godine, u hemiji i fizici je data nova definicija atoma. Naučnik je u svojim eksperimentima dokazao da prilikom cijepanja polonijuma dolazi do zračenja, uzrokovanog česticama koje nemaju naboj, mase 1,008665. Nova elementarna čestica nazvana je neutron. Njegovo otkriće i proučavanje njegovih svojstava omogućilo je sovjetskim naučnicima V. Gaponu i D. Ivanenku da stvore novu teoriju strukture atomskog jezgra koja sadrži protone i neutrone.

Prema novoj teoriji, definicija atoma materije bila je sljedeća: to je strukturna jedinica kemijskog elementa, koja se sastoji od jezgra koje sadrži protone i neutrone i elektrone koji se kreću oko njega. Broj pozitivnih čestica u jezgru je uvijek jednak rednom broju hemijskog elementa u periodnom sistemu.

Kasnije je profesor A. Ždanov u svojim eksperimentima potvrdio da su se atomska jezgra pod uticajem jakog kosmičkog zračenja raspala na protone i neutrone. Osim toga, dokazano je da su sile koje drže ove elementarne čestice u jezgru izuzetno energetski intenzivne. Djeluju na vrlo malim udaljenostima (od 10 do 23 cm) i nazivaju se nuklearnim. Kao što je ranije pomenuto, čak je i M. V. Lomonosov bio u stanju da definiše atom i molekul na osnovu njemu poznatih naučnih činjenica.

Trenutno se općenito prihvaćenim smatra sljedeći model: atom se sastoji od jezgre i elektrona koji se kreću oko njega po strogo definiranim putanjama - orbitalama. Elektroni istovremeno pokazuju svojstva i čestica i talasa, odnosno imaju dvostruku prirodu. Gotovo sva njegova masa koncentrirana je u jezgru atoma. Sastoji se od protona i neutrona vezanih nuklearnim silama.

Da li je moguće izvagati atom

Ispostavilo se da svaki atom ima masu. Na primjer, za vodonik je 1,67x10 -24 g. Čak je teško i zamisliti koliko je ova vrijednost mala. Da bi pronašli težinu takvog objekta, ne koriste vagu, već oscilator, koji je ugljikova nanocijev. Za izračunavanje težine atoma i molekula, prikladnija vrijednost je relativna masa. Pokazuje koliko je puta težina molekule ili atoma veća od 1/12 atoma ugljika, što je 1,66x10 -27 kg. Relativne atomske mase su date u periodičnom sistemu hemijskih elemenata i nemaju dimenzije.

Naučnici su dobro svjesni da je atomska masa hemijskog elementa prosjek masenih brojeva svih njegovih izotopa. Ispada da u prirodi jedinice jednog hemijskog elementa mogu imati različite mase. U ovom slučaju, naboji jezgara takvih strukturnih čestica su isti.

Naučnici su otkrili da se izotopi razlikuju po broju neutrona u jezgri, a naboj njihovih jezgara je isti. Na primjer, atom hlora mase 35 sadrži 18 neutrona i 17 protona, a mase 37 - 20 neutrona i 17 protona. Mnogi hemijski elementi su mešavine izotopa. Na primjer, takve jednostavne tvari kao što su kalij, argon, kisik sadrže u svom sastavu atome koji predstavljaju 3 različita izotopa.

Definicija atomičnosti

Ima nekoliko tumačenja. Razmotrite šta se u hemiji podrazumijeva pod ovim pojmom. Ako atomi bilo kojeg kemijskog elementa mogu postojati barem kratko vrijeme odvojeno, a da ne nastoje formirati složeniju česticu - molekulu, onda kažu da takve tvari imaju atomsku strukturu. Na primjer, višestepena reakcija hloriranja metana. Široko se koristi u hemiji organske sinteze za dobijanje najvažnijih derivata koji sadrže halogene: dihlorometan, ugljen-tetrahlorid. Ona dijeli molekule hlora na visoko reaktivne atome. Oni razbijaju sigma veze u molekulu metana, osiguravajući lančanu reakciju supstitucije.

Još jedan primjer hemijskog procesa od velikog industrijskog značaja je upotreba vodikovog peroksida kao dezinficijensa i izbjeljivača. Određivanje atomskog kiseonika, kao produkta razgradnje vodikovog peroksida, odvija se kako u živim ćelijama (pod dejstvom enzima katalaze) tako iu laboratorijskim uslovima. kvalitativno određena svojim visokim antioksidativnim svojstvima, kao i sposobnošću uništavanja patogenih agenasa: bakterija, gljivica i njihovih spora.

Kako je atomska ljuska

Ranije smo već saznali da strukturna jedinica hemijskog elementa ima složenu strukturu. Elektroni se okreću oko pozitivno nabijenog jezgra. Dobitnik Nobelove nagrade Niels Bohr je na osnovu kvantne teorije svjetlosti osmislio svoje učenje u kojem su karakteristike i definicija atoma sljedeća: elektroni se kreću oko jezgra samo duž određenih stacionarnih putanja, a ne zrače energiju. Borova doktrina je dokazala da čestice mikrokosmosa, koje uključuju atome i molekule, ne poštuju zakone koji vrijede za velika tijela – objekte makrokosmosa.

Strukturu elektronskih omotača makročestica proučavali su naučnici kao što su Hund, Pauli, Klečkovski u radovima o kvantnoj fizici. Tako je postalo poznato da elektroni čine rotacijske pokrete oko jezgre ne nasumično, već duž određenih stacionarnih putanja. Pauli je otkrio da unutar jednog energetskog nivoa na svakoj od njenih orbitala s, p, d, f u elektronskim ćelijama ne može biti više od dvije negativno nabijene čestice sa suprotnim spinovima + ½ i - ½.

Hundovo pravilo je objasnilo kako su orbitale sa istim energetskim nivoom ispravno ispunjene elektronima.

Pravilo Klečkovskog, koje se naziva i pravilo n + l, objašnjava kako se popunjavaju orbitale atoma više elektrona (elementi od 5, 6, 7 perioda). Svi gore navedeni obrasci poslužili su kao teorijsko opravdanje za sistem hemijskih elemenata koji je stvorio Dmitrij Mendeljejev.

Oksidacijsko stanje

To je temeljni koncept u hemiji i karakterizira stanje atoma u molekuli. Moderna definicija oksidacijskog stanja atoma je sljedeća: ovo je uvjetni naboj atoma u molekuli, koji se izračunava na osnovu ideje da molekul ima samo jonski sastav.

Oksidacijsko stanje se može izraziti kao cijeli ili razlomak, s pozitivnim, negativnim ili nultim vrijednostima. Najčešće atomi hemijskih elemenata imaju nekoliko oksidacionih stanja. Na primjer, dušik ima -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Ali takav hemijski element kao što je fluor, u svim svojim spojevima, ima samo jedno stanje oksidacije, jednako -1. Ako je predstavljen jednostavnom tvari, tada je njegovo oksidacijsko stanje nula. Ova hemijska veličina je pogodna za klasifikaciju supstanci i za opisivanje njihovih svojstava. Najčešće se oksidacijsko stanje atoma koristi u hemiji kada se sastavljaju jednadžbe za redoks reakcije.

svojstva atoma

Zahvaljujući otkrićima kvantne fizike, moderna definicija atoma, zasnovana na teoriji D. Ivanenka i E. Gapona, dopunjena je sljedećim naučnim činjenicama. Struktura jezgra atoma se ne mijenja tokom hemijskih reakcija. Promjeni su podložne samo stacionarne orbitale elektrona. Njihova struktura može objasniti mnoga fizička i hemijska svojstva supstanci. Ako elektron napusti stacionarnu orbitu i krene u orbitu s većim energetskim indeksom, takav atom se naziva pobuđenim.

Treba napomenuti da elektroni ne mogu dugo ostati na tako neobičnim orbitalama. Vraćajući se u svoju stacionarnu orbitu, elektron emituje određeni kvant energije. Proučavanje takvih karakteristika strukturnih jedinica hemijskih elemenata kao što su afinitet elektrona, elektronegativnost, energija ionizacije, omogućilo je naučnicima ne samo da definiraju atom kao najvažniju česticu mikrosvijeta, već im je omogućilo i da objasne sposobnost atoma da se formiraju. stabilno i energetski povoljnije molekularno stanje materije, koje je moguće stvaranjem različitih tipova stabilnih hemijskih veza: ionske, kovalentno-polarne i nepolarne, donor-akceptorske (kao vrsta kovalentne veze) i metalne. Potonji određuje najvažnija fizička i hemijska svojstva svih metala.

Eksperimentalno je utvrđeno da veličina atoma može varirati. Sve će zavisiti od toga u koji je molekul uključen. Zahvaljujući analizi rendgenske difrakcije moguće je izračunati udaljenost između atoma u hemijskom spoju, kao i saznati radijus strukturne jedinice elementa. Poznavajući obrasce promjene polumjera atoma uključenih u period ili grupu hemijskih elemenata, moguće je predvidjeti njihova fizička i hemijska svojstva. Na primjer, u periodima s povećanjem naboja jezgra atoma, njihovi radijusi se smanjuju („kompresija atoma“), pa metalna svojstva spojeva slabe, a nemetalna se povećavaju.

Dakle, znanje o vam omogućava da tačno odredite fizička i hemijska svojstva svih elemenata uključenih u periodični sistem Mendeljejeva.

Odgovor uredništva

1913. danski fizičar Niels Bohr predložio svoju teoriju strukture atoma. Za osnovu je uzeo planetarni model atoma, koji je razvio fizičar Rutherford. U njemu je atom upoređen sa objektima makrokosmosa - planetarnog sistema, gdje se planete kreću u orbitama oko velike zvijezde. Slično, u planetarnom modelu atoma, elektroni se kreću po orbitama oko teškog jezgra smještenog u centru.

Bohr je uveo ideju kvantizacije u teoriju atoma. Prema njemu, elektroni se mogu kretati samo u fiksnim orbitama koje odgovaraju određenim energetskim nivoima. Upravo je Borov model postao osnova za stvaranje modernog kvantnomehaničkog modela atoma. U ovom modelu, jezgro atoma, koje se sastoji od pozitivno nabijenih protona i nenabijenih neutrona, također je okruženo negativno nabijenim elektronima. Međutim, prema kvantnoj mehanici, za elektron je nemoguće odrediti bilo kakvu tačnu putanju ili orbitu kretanja - postoji samo oblast u kojoj se nalaze elektroni sa sličnim energetskim nivoom.

Šta je unutar atoma?

Atomi se sastoje od elektrona, protona i neutrona. Neutroni su otkriveni nakon što su fizičari razvili planetarni model atoma. Tek 1932. godine, dok je provodio niz eksperimenata, James Chadwick je otkrio čestice koje nemaju naboj. Odsustvo naboja je potvrđeno činjenicom da ove čestice nisu ni na koji način reagirale na elektromagnetno polje.

Jezgro samog atoma formiraju teške čestice - protoni i neutroni: svaka od ovih čestica je skoro dvije hiljade puta teža od elektrona. Protoni i neutroni su također slične veličine, ali protoni imaju pozitivan naboj, a neutroni uopće nemaju naboj.

Zauzvrat, protoni i neutroni se sastoje od elementarnih čestica zvanih kvarkovi. U modernoj fizici, kvarkovi su najmanja, osnovna čestica materije.

Veličina samog atoma je mnogo puta veća od veličine jezgra. Ako se atom poveća na veličinu fudbalskog terena, tada se veličina njegovog jezgra može uporediti s teniskom loptom u središtu takvog terena.

U prirodi postoji mnogo atoma koji se razlikuju po veličini, masi i drugim karakteristikama. Grupa atoma istog tipa naziva se hemijski element. Do danas je poznato više od stotinu hemijskih elemenata. Njihovi atomi se razlikuju po veličini, masi i strukturi.

Elektroni unutar atoma

Negativno nabijeni elektroni kreću se oko jezgra atoma, formirajući neku vrstu oblaka. Masivno jezgro privlači elektrone, ali energija samih elektrona omogućava im da "pobjegnu" dalje od jezgre. Dakle, što je energija elektrona veća, to je udaljeniji od jezgra.

Vrijednost energije elektrona ne može biti proizvoljna, ona odgovara dobro definiranom skupu energetskih nivoa u atomu. To jest, energija elektrona se postepeno mijenja s jednog nivoa na drugi. Shodno tome, elektron se može kretati samo unutar ograničene elektronske ljuske koja odgovara određenom energetskom nivou - ovo je značenje Borovih postulata.

Primivši više energije, elektron "skače" na sloj viši od jezgre, gubeći energiju, naprotiv, na niži sloj. Tako je oblak elektrona oko jezgra uređen u obliku nekoliko "prerezanih" slojeva.

Istorija ideja o atomu

Sama riječ "atom" dolazi od grčke riječi "nedjeljiv" i seže do ideja starogrčkih filozofa o najmanjem nedjeljivom dijelu materije. U srednjem vijeku, hemičari su postali uvjereni da se određene tvari ne mogu dalje razgraditi na sastavne elemente. Ove najmanje čestice materije nazivaju se atomi. 1860. godine, na međunarodnom kongresu hemičara u Njemačkoj, ova definicija je službeno ugrađena u svjetsku nauku.

Krajem 19. i početkom 20. stoljeća, fizičari su otkrili subatomske čestice i postalo je jasno da atom zapravo nije nedjeljiv. Odmah su iznesene teorije o unutrašnjoj strukturi atoma, jedna od prvih među kojima je bio Thomsonov model ili model „pudinga od grožđica“. Prema ovom modelu, mali elektroni su bili unutar masivnog pozitivno nabijenog tijela, poput grožđica u pudingu. Međutim, praktični eksperimenti kemičara Rutherforda opovrgnu ovaj model i dovedu ga do stvaranja planetarnog modela atoma.

Borov razvoj planetarnog modela, zajedno sa otkrićem neutrona 1932. godine, formirao je osnovu za modernu teoriju strukture atoma. Sljedeće faze u razvoju znanja o atomu već su povezane sa fizikom elementarnih čestica: kvarkova, leptona, neutrina, fotona, bozona i dr.

ATOM, najmanja čestica supstance koja može podvrgnuti hemijskim reakcijama. Svaka supstanca ima svoj skup atoma. Nekada se vjerovalo da je atom nedjeljiv, međutim, sastoji se od pozitivno nabijene NUKLEARE, oko koje se vrte negativno nabijeni elektroni. Jezgro (čije je postojanje 1911. ustanovio Ernst RUTHERFORD) sastoji se od gusto zbijenih protona i neutrona. Zauzima samo mali dio prostora unutar atoma, ali čini gotovo cijelu masu atoma. Godine 1913. Niels BOR je predložio da se elektroni kreću u fiksnim orbitama. Od tada su istraživanja u KVANTNOJ MEHANICI dovela do novog razumijevanja orbita: prema Hajzenbergovom PRINCIPU NESIGURNOSTI, tačan položaj i TRENUTAK kretanja subatomske čestice ne mogu biti poznati istovremeno. Broj elektrona u atomu i njihov raspored određuju hemijska svojstva elementa. Kada se jedan ili više elektrona doda ili oduzme, stvara se jon.

Masa atoma zavisi od veličine jezgra. Ona predstavlja najveći dio težine atoma, budući da elektroni nemaju nikakvu težinu. Na primjer, atom uranijuma je najteži atom koji se pojavljuje u prirodi.Ima 146 neutrona, 92 protona i 92 elektrona. S druge strane, najlakši je atom vodika, koji ima 1 proton i elektron. Međutim, atom urana, iako je 230 puta teži od atoma vodika, samo je tri puta veći. Težina atoma izražava se u jedinicama atomske mase i označava se sa u. Atomi se sastoje od još manjih čestica koje se nazivaju subatomske (elementarne) čestice. Glavni su protoni (pozitivno nabijeni), neutroni (električno neutralni) i >lsktroni (negativno "nabijeni). Klasteri prounona i neutrona formiraju Jezgro u središtu atoma svih >msmstonea (s izuzetkom vodika, koji ima samo jedan proton). jezgra na nekoj udaljenosti od nje, srazmjerno pa (mjere atoma. | (Kada bi, na primjer, jezgro atoma helija bilo veličine teniske loptice, tada bi elektroni bili na udaljenosti od 6 km od nje Postoji 112 različitih vrsta atoma, koliko i elemenata u periodnom sistemu. Atomi elemenata se razlikuju po atomskom broju i atomskoj masi NUKLEARA ATOMA Masa atoma je uglavnom zbog relativno gustog jezgra. I (rotoni a neutroni imaju masu otprilike 1K4() puta veću od elektrona.Pošto su trnovi pozitivno nabijeni, dok su neutroni neutralni, jezgro atoma je uvijek pozitivno naelektrisano.Pošto se suprotna naelektrisanja međusobno privlače, jezgro drži elektrone u svojim orbitama. Runovi i neutroni sastoje se od još manjih čestica, kvarkova. određuje njegovo hemijsko neznanje H oshichis od planeta Sunčevog sistema, neuropi se nasumično vrte oko jezgra, oiMiiMi nema fiksne udaljenosti od jezgra, obraz-ivh "o Syulochki. Što više energije ima elek-ipon. li "M, može se dalje udaljavati, prevazilazeći privlačenje pozitivno nabijenog jezgra. U neutralnom atomu, pozitivni naboj elektrona uravnotežuje pozitivni naboj protona jezgra. Stoga, uklanjanje ili dodavanje jednog elektrona u agomu dovodi do pojave nabijenog jona.Elektronske ljuske se nalaze na fiksnim udaljenostima od jezgra u zavisnosti od njihovog energetskog nivoa.Svaka ljuska je numerisana, računajući od jezgra.Na agomu nema više od sedam ljuski , a svaki od njih može sadržavati samo određeni broj elektrona. Ako ima dovoljno energije, elektron može skočiti s jedne ljuske na drugu, višu. Kada ponovo udari u donju školjku, emituje zračenje u obliku fotona. Elektron pripada klasi čestica koje se nazivaju leptoni, a njegova antičestica se naziva pozitron.

NUKLEARNA LANČANA REAKCIJA. U nuklearnoj eksploziji, na primjer, ayumnoi oomba, neutron udara u jezgro urana 23b (to jest, jezgro s ukupnim brojem protona i neutrona jednakim 35). Na: nom, neutron se apsorbuje i stvara se uranijum.236 Veoma je nestabilan i cepa se na dva manja jezgra, pri čemu se oslobađa ogromna količina energije i nekoliko neutrona.zvani kritični uslovi (količina uranijuma-235 prelazi kritičnu masu ), tada će broj neutronskih sudara biti dovoljan da se reakcija razvije brzinom munje, tj. dolazi do lančane reakcije. U nuklearnom reaktoru, heplo koji se oslobađa tokom EUM procesa koristi se za zagrijavanje pare, koja pokreće turbinski generator za proizvodnju električne energije.

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik.

Sinonimi:

Pogledajte šta je "ATOM" u drugim rječnicima:

atom atom, i... Ruski pravopisni rječnik

- (grč. atomos, od negativnog dijela i tome, odjeljenje tomosa, segment). Beskonačno mala nedjeljiva čestica, čija ukupnost čini svako fizičko tijelo. Rječnik stranih riječi uključenih u ruski jezik. Čudinov A.N., 1910. ATOM Grčki ... Rečnik stranih reči ruskog jezika

atom- a m. atome m. 1. Najmanja nedjeljiva čestica materije. Atomi ne mogu biti vječni. Cantemir O prirodi. Amper vjeruje da svaka nedjeljiva čestica materije (atom) sadrži inherentnu količinu električne energije. DZ 1848 56 8 240. Neka bude… … Istorijski rečnik galicizama ruskog jezika

- (od grčkog atomos - nedjeljiv) najsitnije sastavne čestice materije koje čine sve što postoji, uključujući i dušu, formirane od najfinijih atoma (Leukip, Demokrit, Epikur). Atomi su vječni, ne nastaju i ne nestaju, nalazeći se u konstanti ... ... Philosophical Encyclopedia

Atom- Atom ♦ Atom Etimološki, atom je nedjeljiva čestica, ili čestica podložna samo spekulativnoj podjeli; nedjeljivi element (atomos) materije. Demokrit i Epikur razumeju atom u ovom smislu. Savremeni naučnici dobro znaju da je to ... ... Filozofski rječnik Sponvillea

- (od grčkog atomos nedjeljiv) najmanja čestica hemijskog elementa koja zadržava svoja svojstva. U središtu atoma nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, u kojem je koncentrirana gotovo cijela masa atoma; elektroni se kreću okolo, formirajući elektronske ... Veliki enciklopedijski rječnik

Muž, Grk nedjeljiv; materija u krajnjim granicama svoje djeljivosti, nevidljiva zrnca prašine, od koje su navodno sastavljena sva tijela, svaka supstanca, kao od zrna pijeska. | Neizmjerna, beskonačno mala zrnca prašine, beznačajna količina. | Hemičari imaju riječ ... ... Dahl's Explantatory Dictionary

Cm … Rečnik sinonima

ATOM- (od grčkog atomos nedjeljiv). Riječ A. se u modernoj nauci koristi u različitim značenjima. U većini slučajeva, A. nazivaju ograničenu količinu hem. elementa, daljnja fragmentacija na rog dovodi do gubitka individualnosti elementa, odnosno do oštrog ... ... Velika medicinska enciklopedija

atom- atom Atom je deo govora, kao najmanji nosilac hemijske moći pevajućeg hemijskog elementa. Vídomo stilovi vrsta atoma, sílki ê hemijskih elemenata i ih ízotopív. Električno neutralan, sastavljen od jezgara i elektrona. Radijus atoma ... ... Girnichiy enciklopedijski rječnik

Knjige

Atom vodonika i neeuklidska geometrija, V.A. Fock. Ova knjiga će biti proizvedena u skladu sa vašom narudžbom koristeći tehnologiju Print-on-Demand. Reprodukovano originalnim autorskim pravopisom izdanja iz 1935. (izdavačka kuća "Izdavačka kuća ...
Atom vodonika je najjednostavniji od atoma. Nastavak teorije Nielsa Bohra. Dio 5. Frekvencija fotonskog zračenja poklapa se sa prosječnom frekvencijom elektronskog zračenja u tranziciji, AI Shidlovsky. Borova teorija atoma vodika ("paralelno" kvantnom mehaničkom pristupu) nastavlja se tradicionalnim putem razvoja fizike, gdje u teoriji koegzistiraju vidljive i neuočljive veličine. Za…

ATOM [francuski atom, od latinskog atomus, od grčkog?τομος (ουσ?α) - nedeljiva (suština)], čestica materije, najmanji deo hemijskog elementa, koji je nosilac njegovih svojstava. Atomi svakog elementa su individualni po strukturi i svojstvima i označeni su hemijskim simbolima elemenata (na primjer, atom vodika je H, željezo je Fe, živa je Hg, uran je U, itd.). Atomi mogu postojati i u slobodnom i u vezanom stanju (vidi Hemijska veza). Cijela raznolikost tvari je posljedica različitih kombinacija atoma među sobom. Svojstva gasovitih, tečnih i čvrstih supstanci zavise od svojstava atoma u njima. Sva fizička i hemijska svojstva atoma određena su njegovom strukturom i povinuju se kvantnim zakonima. (O istoriji razvoja doktrine atoma, pogledajte članak Atomska fizika.)

Opće karakteristike strukture atoma. Atom se sastoji od teškog jezgra s pozitivnim električnim nabojem i lakih elektrona koji ga okružuju negativnim električnim nabojem koji formiraju elektronske ljuske atoma. Dimenzije atoma određene su dimenzijama njegove vanjske elektronske ljuske i velike su u odnosu na dimenzije atomskog jezgra. Karakteristični redoslijed prečnika, površina poprečnih presjeka i volumena atoma i jezgra su:

Atom 10 -8 cm 10 -16 cm 2 10 -24 cm 3

Jezgro 10 -12 cm 10 -24 cm 2 10 -36 cm 3

Elektronske ljuske atoma nemaju striktno definirane granice, a vrijednosti dimenzija atoma ovise u većoj ili manjoj mjeri o metodama njihovog određivanja.

Naboj jezgra je glavna karakteristika atoma, koja određuje njegovu pripadnost određenom elementu. Naboj jezgra je uvijek cjelobrojni višekratnik pozitivnog elementarnog električnog naboja, jednak po apsolutnoj vrijednosti naboju elektrona -e. Naboj jezgra je +Ze, gdje je Z serijski broj (atomski broj). Z \u003d 1, 2, 3, ... za atome uzastopnih elemenata u periodičnom sistemu hemijskih elemenata, odnosno za atome H, He, Li, .... U neutralnom atomu, jezgro sa nabojem +Ze drži Z elektrona sa ukupnim nabojem - Ze. Atom može izgubiti ili dobiti elektrone i postati pozitivan ili negativan ion (k = 1, 2, 3, ... - višestrukost njegove jonizacije). Atom određenog elementa često se naziva njegovim ionima. Prilikom pisanja, joni se razlikuju od neutralnog atoma indeksom k + i k -; na primjer, O je neutralni atom kisika, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - njegovi pozitivni i negativni ioni. Kombinacija neutralnog atoma i jona drugih elemenata sa istim brojem elektrona formira izoelektronski niz, na primjer, niz atoma sličnih vodiku H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

Višestrukost naboja jezgra atoma na elementarni naboj e objašnjena je na osnovu ideja o strukturi jezgra: Z je jednako broju protona u jezgru, naboj protona je +e. Masa atoma raste sa povećanjem Z. Masa jezgra atoma je približno proporcionalna masenom broju A – ukupnom broju protona i neutrona u jezgru. Masa elektrona (0,91 10 -27 g) je mnogo manja (oko 1840 puta) od mase protona ili neutrona (1,67 × 10 -24 g), pa je masa atoma uglavnom određena masom njeno jezgro.

Atomi datog elementa mogu se razlikovati po masi jezgra (broj protona Z je konstantan, broj neutrona A-Z može varirati); takve vrste atoma istog elementa nazivaju se izotopi. Razlika u masi jezgra gotovo da nema uticaja na strukturu elektronskih omotača datog atoma, koja zavisi od Z, i na svojstva atoma. Najveće razlike u svojstvima (izotopski efekti) dobijaju se za izotope vodika (Z = 1) zbog velike razlike u masama uobičajenog lakog atoma vodika (A = 1), deuterija (A = 2) i tricijuma (A = 3). ).

Masa atoma varira od 1,67 × 10 -24 g (za glavni izotop atom vodonika, Z = 1, A = 1) do oko 4 × 10 -22 g (za atome transuranijumskih elemenata). Najpreciznije vrijednosti atomskih masa mogu se odrediti masenom spektroskopijom. Masa atoma nije baš jednaka zbroju mase jezgra i masa elektrona, već nešto manje - defektu mase ΔM = W / c 2, gdje je W energija formiranja atoma iz jezgra i elektrona (energija vezivanja), c je brzina svjetlosti. Ova korekcija je reda mase elektrona m e za teške atome, a za lake atome je zanemarljiva (reda 10 -4 m e).

Energija atoma i njena kvantizacija. Zbog svoje male veličine i velike mase, atomsko jezgro se može približno posmatrati kao tačka i počiva u centru mase atoma (zajedničko središte mase jezgra i elektrona nalazi se blizu jezgra, a brzina jezgro u odnosu na centar mase atoma je malo u poređenju sa brzinama elektrona). Prema tome, atom se može posmatrati kao sistem u kojem se N elektrona sa naelektrisanjem - e kreću oko nepokretnog centra za privlačenje. Kretanje elektrona u atomu događa se u ograničenom volumenu, odnosno vezano je. Ukupna unutrašnja energija atoma E jednaka je zbiru kinetičkih energija T svih elektrona i potencijalne energije U - energije privlačenja njihovim jezgrom i odbijanja jednog od drugog.

Prema teoriji atoma, koju je 1913. predložio Niels Bohr, u atomu vodika jedan elektron sa nabojem -e kreće se oko fiksnog centra sa nabojem +e. U skladu sa klasičnom mehanikom, kinetička energija takvog elektrona je jednaka

gdje je v brzina, p = m e v je zamah (moment) elektrona. Potencijalna energija (svedena na energiju Kulonovog privlačenja elektrona jezgrom) jednaka je

i zavisi samo od udaljenosti r elektrona od jezgra. Grafički, funkcija U(r) je predstavljena krivuljom koja se neograničeno smanjuje kako r opada, tj. kako se elektron približava jezgru. Vrijednost U(r) na r→∞ uzima se kao nula. Za negativne vrijednosti ukupne energije 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 kretanje elektrona je slobodno - može ići u beskonačnost sa energijom E = T = (1/2)m e v 2 , što odgovara jonizovanom atomu vodika H + . Dakle, neutralni atom vodika je sistem elektrostatički vezanih jezgara i elektrona sa energijom E< 0.

Ukupna unutrašnja energija atoma E je njegova glavna karakteristika kao kvantnog sistema (vidi Kvantna mehanika). Atom može dugo ostati samo u stanjima sa određenom energijom - stacionarnim (vremenski nepromjenjivim) stanjima. Unutrašnja energija kvantnog sistema koji se sastoji od vezanih mikročestica (uključujući atom) može poprimiti jednu od diskretnih (diskontinuiranih) serija vrijednosti

Svaka od ovih "dozvoljenih" energetskih vrijednosti odgovara jednom ili više stacionarnih kvantnih stanja. Sistem ne može imati srednje vrijednosti energije (na primjer, između E 1 i E 2, E 2 i E 3, itd.), za takav sistem se kaže da je kvantovan. Svaka promjena E je povezana s kvantnim (skok) prelazom sistema iz jednog stacionarnog kvantnog stanja u drugo (vidi dolje).

Moguće diskretne vrijednosti (3) energije atoma mogu se grafički prikazati po analogiji sa potencijalnom energijom tijela podignutog na različite visine (na različite nivoe), u obliku dijagrama energetskih nivoa, gdje je svaka energija vrijednost odgovara pravoj liniji povučenoj na visini E i , i= 1 , 2, 3, ... (slika 1). Najniži nivo E 1 , koji odgovara najnižoj mogućoj energiji atoma, naziva se osnovni nivo, a svi ostali (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) se nazivaju pobuđeni, jer za odlazak do njih (prelazak u odgovarajuća stacionarna pobuđena stanja sa zemlje) potrebno je uzbuditi sistem – izvesti ga izvana energijom E i -E 1 .

Kvantizacija energije atoma je posljedica valnih svojstava elektrona. Prema principu korpuskularno-talasnog dualizma, kretanje mikročestice mase m brzinom v odgovara talasnoj dužini λ = h/mv, gde je h Plankova konstanta. Za elektron u atomu, λ je reda 10-8 cm, odnosno reda linearnih dimenzija atoma, a potrebno je uzeti u obzir valna svojstva elektrona u atomu. Povezano kretanje elektrona u atomu slično je stajaćem talasu i ne treba ga posmatrati kao kretanje materijalne tačke duž putanje, već kao složen talasni proces. Za stajaći val u ograničenom volumenu moguće su samo određene vrijednosti valne dužine λ (i, posljedično, frekvencije oscilacije v). Prema kvantnoj mehanici, energija atoma E povezana je sa v relacijom E = hν i stoga može imati samo određene vrijednosti. Slobodno translacijsko kretanje mikročestice, neograničeno u prostoru, na primjer, kretanje elektrona odvojenog od atoma (s energijom E> 0), slično je širenju putujućeg vala u neograničenom volumenu, za koji je bilo koji moguće su vrijednosti λ (i v). Energija takve slobodne mikročestice može poprimiti bilo koju vrijednost (nije kvantizirana, ima kontinuirani energetski spektar). Takav kontinuirani niz odgovara joniziranom atomu. Vrijednost E ∞ = 0 odgovara granici ionizacije; razlika E ∞ -E 1 \u003d E ion naziva se energija ionizacije (vidi članak Potencijal ionizacije); za atom vodonika, ona je jednaka 13,6 eV.

Distribucija elektronske gustine. Tačan položaj elektrona u atomu u datom trenutku ne može se utvrditi zbog nesigurnosti omjera. Stanje elektrona u atomu određeno je njegovom talasnom funkcijom, koja na određeni način zavisi od njegovih koordinata; kvadrat modula valne funkcije karakterizira gustinu vjerovatnoće pronalaženja elektrona u datoj tački u prostoru. Talasna funkcija je eksplicitno rješenje Schrödingerove jednadžbe.

Dakle, stanje elektrona u atomu može se okarakterisati distribucijom njegovog električnog naboja u prostoru sa određenom gustinom - distribucijom elektronske gustine. Elektroni su, takoreći, "razmazani" u prostoru i formiraju "elektronski oblak". Takav model tačnije karakterizira elektrone u atomu od modela točkastog elektrona koji se kreće duž striktno definiranih orbita (u Borovoj teoriji atoma). U isto vrijeme, svaka takva Borova orbita može biti povezana sa specifičnom raspodjelom elektronske gustine. Za nivo zemaljske energije E 1, gustina elektrona je koncentrisana blizu jezgra; za pobuđene energetske nivoe E 2 , E 3 , E 4 ... distribuira se na sve većim prosječnim udaljenostima od jezgra. U atomu s više elektrona, elektroni su grupirani u ljuske koje okružuju jezgro na različitim udaljenostima i karakteriziraju ih određene distribucije gustoće elektrona. Snaga veze elektrona s jezgrom u vanjskim ljuskama je manja nego u unutrašnjim, a elektroni su najslabije vezani u najudaljenijoj ljusci koja ima najveće dimenzije.

Obračunavanje spina elektrona i nuklearnog spina. U teoriji atoma, veoma je važno uzeti u obzir spin elektrona - njegov sopstveni (spin) moment momenta, sa vizuelne tačke gledišta koji odgovara rotaciji elektrona oko sopstvene ose (ako je elektron se smatra malom česticom). Sto sopstvenih (spin) magnetnih momenata je povezano sa spinom elektrona. Stoga je u atomu potrebno, uz elektrostatičke interakcije, uzeti u obzir i magnetske interakcije određene spinskim magnetskim momentom i orbitalnim magnetskim momentom povezanim s kretanjem elektrona oko jezgra; magnetne interakcije su male u odnosu na elektrostatičke. Uticaj spina kod višeelektronskih atoma je najznačajniji: punjenje elektronskih omotača atoma određenim brojem elektrona zavisi od spina elektrona.

Jezgro u atomu može imati i svoj mehanički moment - nuklearni spin, koji je povezan sa nuklearnim magnetnim momentom stotinama i hiljadama puta manjim od elektronskog. Postojanje spinova dovodi do dodatnih, vrlo malih interakcija između jezgra i elektrona (vidi dolje).

Kvantna stanja atoma vodika. Najvažniju ulogu u kvantnoj teoriji atoma ima teorija najjednostavnijeg jednoelektronskog atoma, koji se sastoji od jezgra s nabojem +Ze i elektrona s nabojem -e, odnosno teorija vodika atom H i ioni slični vodoniku He +, Li 2+, Be 3+, ..., koji se obično naziva teorijom atoma vodika. Koristeći metode kvantne mehanike, može se dobiti tačna i potpuna karakterizacija stanja elektrona u atomu s jednim elektronom. Problem atoma sa više elektrona riješen je samo približno; u ovom slučaju polaze od rezultata rješavanja problema jednoelektronskog atoma.

Energija atoma s jednim elektronom u nerelativističkoj aproksimaciji (bez uzimanja u obzir spina elektrona) jednaka je

cijeli broj n = 1, 2, 3, ... određuje moguće diskretne vrijednosti energije - nivoe energije - i naziva se glavnim kvantni broj, R je Rydbergova konstanta, jednaka 13,6 eV. Energetski nivoi atoma konvergiraju (kondenziraju) na granicu jonizacije E ∞ = 0 koja odgovara n =∞. Za ione slične vodiku, mijenja se samo skala energetskih vrijednosti (faktorom Z2). Energija ionizacije atoma sličnog vodiku (energija vezivanja elektrona) je (u eV)

što daje za H, He +, Li 2+, ... vrijednosti 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

Osnovna formula (4) odgovara izrazu U(r) = -Ze 2 /r za potencijalnu energiju elektrona u električnom polju jezgra sa nabojem od +Ze. Ovu formulu je prvi izveo N. Bohr razmatrajući kretanje elektrona oko jezgra u kružnoj orbiti poluprečnika r i tačno je rješenje Schrödingerove jednadžbe za takav sistem. Energetski nivoi (4) odgovaraju orbitama radijusa

gdje je konstanta a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A polumjer prve kružne orbite atoma vodika koja odgovara njegovom nivou tla (ovaj Borov radijus se često koristi kao zgodna jedinica za mjerenje dužina u atomska fizika). Radijus orbita je proporcionalan kvadratu glavnog kvantnog broja n 2 i obrnuto proporcionalan Z; za jone slične vodoniku, skala linearnih dimenzija se smanjuje za faktor Z u odnosu na atom vodonika. Relativistički opis atoma vodika, uzimajući u obzir spin elektrona, dat je Diracovom jednačinom.

Prema kvantnoj mehanici, stanje atoma vodika u potpunosti je određeno diskretnim vrijednostima četiri fizičke veličine: energije E; orbitalni moment M l (moment impulsa elektrona u odnosu na jezgro); projekcije M lz orbitalnog momenta na proizvoljno odabrani pravac z; projekcije M sz spinskog momenta (svojstveni moment impulsa elektrona M s). Moguće vrijednosti ovih fizičkih veličina, pak, određene su kvantnim brojevima n, l, m l , m s. U aproksimaciji kada se energija atoma vodika opisuje formulom (4), ona je određena samo glavnim kvantnim brojem n, koji uzima cjelobrojne vrijednosti 1, 2, 3, ... . Energetski nivo sa datim n odgovara nekoliko stanja koja se razlikuju po vrednostima orbitalnog (azimutalnog) kvantnog broja l = 0, 1, ..., n-1. Države sa datim vrijednostima n i l obično se označavaju kao 1s, 2s, 2p, 3s, ..., gdje brojevi označavaju vrijednost n, a slova s, p, d, f (u daljem tekstu na latinskom abeceda) - odnosno vrijednosti l = 0, 1, 2, 3. Za date n i l, broj različitih stanja je 2(2l + 1) - broj kombinacija vrijednosti magnetskog orbitalni kvantni broj m l magnetnog spin broja m s (prvi uzima 2l + 1 vrijednosti, drugi - 2 vrijednosti). Ukupan broj različitih stanja sa datim n i l je 2n 2 . Dakle, svaki energetski nivo atoma vodonika odgovara 2,8, 18,…2n 2 (pri n= 1, 2, 3, ...) različitih stacionarnih kvantnih stanja. Ako samo jedno kvantno stanje odgovara energetskom nivou, onda se ono naziva nedegenerirano, ako dva ili više - degenerirano (vidi Degeneracija u kvantnoj teoriji), a broj takvih stanja g naziva se stepen ili višestrukost degeneracije (za nedegenerisani energetski nivoi g = 1). Energetski nivoi atoma vodonika su degenerisani, a njihov stepen degeneracije je g n = 2n 2 .

Za različita stanja atoma vodika dobija se i drugačija raspodjela elektronske gustine. Zavisi od kvantnih brojeva n, l i. Istovremeno, gustina elektrona za s-stanja (l=0) je različita od nule u centru, odnosno na lokaciji jezgra, i ne zavisi od smjer (sferno simetričan), a za ostala stanja (l>0) jednak je nuli u centru i ovisi o smjeru. Raspodjela elektronske gustine za stanja atoma vodika sa n = 1, 2, 3 prikazana je na slici 2; dimenzije "elektronskog oblaka" rastu u skladu sa formulom (6) proporcionalno n2 (skala na slici 2 se smanjuje kada se kreće od n = 1 do n = 2 i od n = 2 do n = 3). Kvantna stanja elektrona u jonima sličnim vodoniku karakteriziraju ista četiri kvantna broja n, l, m l i m s kao u atomu vodika. Distribucija elektronske gustine je takođe očuvana, samo što se povećava za faktor Z.

Djelovanje na atom vanjskih polja. Atom kao električni sistem u vanjskim električnim i magnetskim poljima dobiva dodatnu energiju. Električno polje polarizira atom - pomiče oblake elektrona u odnosu na jezgro (vidi Polarizabilnost atoma, jona i molekula), a magnetsko polje na određeni način orijentira magnetni moment atoma, povezan s kretanjem elektrona oko jezgro (sa orbitalnim momentom M l) i njegov spin. Različita stanja atoma vodika sa istom energijom E n u vanjskom polju odgovaraju različitim vrijednostima dodatne energije ΔE, a degenerirani energetski nivo E n se dijeli na više podnivoa. I cijepanje nivoa energije u električnom polju - Starkov efekat - i njihovo cijepanje u magnetnom polju - Zeemanov efekat - proporcionalni su jačini odgovarajućih polja.

Male magnetne interakcije unutar atoma također dovode do cijepanja energetskih nivoa. Za atom vodika i ione slične vodiku postoji spin-orbitna interakcija – interakcija spinskog i orbitalnog momenta elektrona; izaziva takozvanu finu strukturu energetskih nivoa - cepanje pobuđenih nivoa E n (za n>1) na podnivoe. Za sve energetske nivoe atoma vodika, također se uočava hiperfina struktura, zbog vrlo malih magnetskih interakcija nuklearnog spina sa elektronskim momentima.

Elektronske školjke višeelektronskih atoma. Teorija atoma koji sadrži 2 ili više elektrona bitno se razlikuje od teorije atoma vodika, jer u takvom atomu postoje identične čestice koje međusobno djeluju - elektroni. Međusobno odbijanje elektrona u višeelektronskom atomu značajno smanjuje snagu njihove veze sa jezgrom. Na primjer, energija odvajanja jednog elektrona u jonu helijuma (He +) iznosi 54,4 eV, dok u neutralnom atomu helijuma, kao rezultat odbijanja elektrona, energija odvajanja jednog od njih opada na 24,6 eV. Za vanjske elektrone težih atoma, smanjenje snage njihove veze zbog odbijanja od strane unutrašnjih elektrona je još značajnije. Važnu ulogu kod višeelektronskih atoma igraju svojstva elektrona kao identičnih mikročestica (vidi princip identiteta) sa spinom s = 1/2, za koje vrijedi Paulijev princip. Prema ovom principu, u sistemu elektrona ne može biti više od jednog elektrona u svakom kvantnom stanju, što dovodi do formiranja elektronskih omotača atoma, ispunjenih strogo određenim brojem elektrona.

Uzimajući u obzir nerazlučivost elektrona u interakciji, ima smisla govoriti samo o kvantnim stanjima atoma u cjelini. Međutim, može se približno razmotriti kvantna stanja pojedinačnih elektrona i svaki od njih okarakterizirati skupom kvantnih brojeva n, l, m l i m s , slično kao elektron u atomu vodika. U ovom slučaju ispada da energija elektrona zavisi ne samo od n, kao u atomu vodika, već i od l; i dalje ne zavisi od m l i m s. Elektroni sa datim n i l u višeelektronskom atomu imaju istu energiju i formiraju određenu elektronsku ljusku. Takvi ekvivalentni elektroni i ljuske formirane od njih, kao i kvantna stanja i energetski nivoi sa datim n i l, označeni su simbolima ns, np, nd, nf, ... (za 1 = 0, 1, 2, 3, ...) i govore o 2p elektronima, 3s školjkama i tako dalje.

Prema Paulijevom principu, bilo koja 2 elektrona u atomu moraju biti u različitim kvantnim stanjima i stoga se razlikovati za najmanje jedan od četiri kvantna broja n, l, m l i m s , a za ekvivalentne elektrone (n i l su isti) - po vrijednostima m l i m s . Broj parova m l , m s , tj. broj različitih kvantnih stanja elektrona sa datim n i l, je stepen degeneracije njegovog energetskog nivoa g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Određuje broj elektrona u potpuno ispunjenim elektronskim školjkama. Dakle, s-, p-, d-, f-, ... ljuske su ispunjene sa 2, 6, 10, 14, ... elektrona, bez obzira na vrijednost n. Elektroni sa datim n formiraju sloj koji se sastoji od ljuski sa l = 0, 1, 2, ..., n - 1 i ispunjenih sa 2n 2 elektrona, takozvani K-, L-, M, N-sloj. U potpunom završetku imamo:

U svakom sloju, ljuske sa manjim l karakteriše veća gustoća elektrona. Jačina veze između elektrona i jezgra opada sa povećanjem n, a za dato n sa povećanjem l. Što je slabiji vezani elektron u odgovarajućoj ljusci, to je njegov energetski nivo viši. Jezgro sa datim Z veže elektrone prema opadajućoj jačini njihove veze: prvo dva elektrona 1s, zatim dva elektrona 2s, šest elektrona 2p, itd. Atom svakog hemijskog elementa ima određenu distribuciju elektrona po ljusci - njegov elektronski konfiguracija, na primjer:

(broj elektrona u datoj ljusci je označen indeksom u gornjem desnom uglu). Periodičnost u svojstvima elemenata određena je sličnošću vanjskih elektronskih omotača atoma. Na primjer, neutralni atomi P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) imaju tri p-elektrona u vanjskoj elektronskoj ljusci, poput N atoma, i slični su mu po kemijskim i mnogim fizičkim svojstvima .

Svaki atom karakteriše normalna elektronska konfiguracija, dobijena kada su svi elektroni u atomu najjače vezani, a pobuđene elektronske konfiguracije, kada je jedan ili više elektrona labavije vezano - su na višim energetskim nivoima. Na primjer, za atom helija, uz normalan 1s2, moguće su pobuđene elektronske konfiguracije: 1s2s, 1s2p, ... (pobuđen je jedan elektron), 2s 2, 2s2p, ... (pobuđena su oba elektrona). Određena elektronska konfiguracija odgovara jednom energetskom nivou atoma u cjelini, ako su elektronske ljuske potpuno popunjene (na primjer, normalna konfiguracija atoma je Ne 1s 2 2s 2 2r 6), a broj energetskih nivoa, ako postoje djelomično popunjene ljuske (na primjer, normalna konfiguracija atoma dušika je 1s 2 2s 2 2p 3 za koje je ljuska 2p popunjena do pola). U prisustvu djelomično ispunjenih d- i f-ljuski, broj energetskih nivoa koji odgovaraju svakoj konfiguraciji može doseći stotine, tako da je shema energetskih nivoa atoma s djelomično ispunjenim ljuskama vrlo složena. Osnovni energetski nivo atoma je najniži nivo normalne elektronske konfiguracije.

Kvantni prijelazi u atomu. U kvantnim prijelazima, atom prelazi iz jednog stacionarnog stanja u drugo – s jednog energetskog nivoa na drugi. Prilikom prelaska sa višeg energetskog nivoa E i na niži E atom odaje energiju E i - E k , pri obrnutom prelazu je prima. Kao i za bilo koji kvantni sistem, kvantni prelazi za atom mogu biti dva tipa: sa zračenjem (optički prelazi) i bez zračenja (radijativni ili neoptički prelazi). Najvažnija karakteristika kvantnog prelaza je njegova verovatnoća, koja određuje koliko često se ova tranzicija može dogoditi.

Tokom kvantnih prelaza sa zračenjem, atom apsorbuje (prelaz E u → E i) ili emituje (prelaz E i → E u) elektromagnetno zračenje. Elektromagnetnu energiju apsorbira i emituje atom u obliku kvanta svjetlosti - fotona - karakteriziranog određenom frekvencijom oscilacije v, prema relaciji:

gdje je hv energija fotona. Relacija (7) je zakon održanja energije za mikroskopske procese povezane sa zračenjem.

Atom u osnovnom stanju može da apsorbuje samo fotone, dok u pobuđenom stanju može da ih apsorbuje i emituje. Slobodni atom u osnovnom stanju može postojati neograničeno. Trajanje boravka atoma u pobuđenom stanju (životni vek ovog stanja) je ograničeno, atom spontano (spontano), delimično ili potpuno gubi energiju pobude, emitujući foton i prelazi na niži energetski nivo; uz takvu spontanu emisiju moguća je i stimulirana emisija, koja nastaje, kao i apsorpcija, pod djelovanjem fotona iste frekvencije. Životni vijek pobuđenog atoma je kraći, što je veća vjerovatnoća spontanog prijelaza, za atom vodonika je reda veličine 10 -8 s.

Skup frekvencija v mogućih prijelaza sa zračenjem određuje atomski spektar odgovarajućeg atoma: skup frekvencija prijelaza sa nižih na viši nivo je njegov apsorpcioni spektar, skup frekvencija prijelaza s gornjeg na niže nivoe je emisioni spektar . Svaki takav prijelaz u atomskom spektru odgovara određenoj spektralnoj liniji frekvencije v.

U neradijativnim kvantnim prijelazima, atom prima ili odaje energiju kada je u interakciji s drugim česticama s kojima se sudari u plinu ili je dugoročno vezan u molekulu, tekućini ili čvrstoj tvari. U gasu se atom može smatrati slobodnim u vremenskim intervalima između sudara; prilikom sudara (udara), atom može preći na niži ili viši energetski nivo. Takav sudar se naziva neelastičnim (za razliku od elastičnog sudara, u kojem se mijenja samo kinetička energija translacijskog kretanja atoma, dok njegova unutrašnja energija ostaje nepromijenjena). Važan poseban slučaj je sudar slobodnog atoma sa elektronom; obično se elektron kreće brže od atoma, vrijeme sudara je vrlo kratko i može se govoriti o udaru elektrona. Ekscitacija atoma udarom elektrona jedna je od metoda za određivanje nivoa energije.

Hemijska i fizička svojstva atoma. Većina svojstava atoma određena je strukturom i karakteristikama njegovih vanjskih elektronskih omotača, u kojima su elektroni relativno slabo vezani za jezgro (energija vezivanja od nekoliko eV do nekoliko desetina eV). Struktura unutrašnjih omotača atoma, čiji su elektroni mnogo jače vezani (energija vezivanja od stotina, hiljada i desetina hiljada eV), manifestuje se samo tokom interakcije atoma sa brzim česticama i fotonima visokih energija (više od stotina eV). Takve interakcije određuju rendgenske spektre atoma i raspršivanje brzih čestica (vidi Difrakciju čestica). Masa atoma određuje njegova mehanička svojstva tokom kretanja atoma kao cjeline - količinu kretanja, kinetičku energiju. Različita rezonantna i druga fizička svojstva atoma zavise od mehaničkih i srodnih magnetnih i električnih momenata atoma (vidi Elektronska paramagnetna rezonanca, Nuklearna magnetna rezonanca, Nuklearna kvadrupolna rezonanca).

Elektroni vanjskih omotača atoma lako su izloženi vanjskim utjecajima. Kada se atomi približavaju jedan drugome, nastaju jake elektrostatičke interakcije koje mogu dovesti do stvaranja kemijske veze. Slabije elektrostatičke interakcije dva atoma očituju se u njihovoj međusobnoj polarizaciji – pomicanju elektrona u odnosu na jezgra, što je najjače kod slabo vezanih vanjskih elektrona. Između atoma nastaju sile privlačenja polarizacije, koje se moraju uzeti u obzir već na velikim udaljenostima između njih. Polarizacija atoma se također javlja u vanjskim električnim poljima; kao rezultat, energetski nivoi atoma se pomeraju i, što je posebno važno, degenerisani energetski nivoi se dele (Starkov efekat). Polarizacija atoma može nastati pod dejstvom električnog polja svetlosnog (elektromagnetnog) talasa; zavisi od frekvencije svetlosti, koja određuje zavisnost od nje i indeksa prelamanja (vidi Disperzija svetlosti), povezanog sa polarizabilnošću atoma. Bliska veza između optičkih karakteristika atoma i njegovih električnih svojstava posebno je izražena u njegovim optičkim spektrima.

Magnetska svojstva atoma uglavnom su određena strukturom njihovih elektronskih omotača. Magnetski moment atoma ovisi o njegovom mehaničkom momentu (vidi Magneto-mehanički omjer), u atomu s potpuno ispunjenim elektronskim omotačima jednak je nuli, baš kao i mehanički moment. Atomi s djelomično ispunjenim vanjskim elektronskim omotačima imaju, po pravilu, magnetne momente različite od nule i paramagnetični su. U vanjskom magnetskom polju, svi nivoi atoma, u kojima magnetni moment nije jednak nuli, dijele se - dolazi do Zeemanovog efekta. Svi atomi imaju dijamagnetizam, što je posljedica pojave magnetskog momenta u njima pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja (tzv. inducirani magnetni moment, sličan električnom dipolnom momentu atoma).

Sukcesivnom jonizacijom atoma, odnosno odvajanjem njegovih elektrona, počevši od onih najudaljenijih prema rastućim snagama njihove veze, shodno se mijenjaju sva svojstva atoma određena njegovom vanjskom ljuskom. Sve čvršće vezani elektroni postaju vanjski; kao rezultat toga, sposobnost atoma da se polarizira u električnom polju je uvelike smanjena, rastojanja između energetskih razina i frekvencije optičkih prijelaza između ovih razina se povećavaju (što dovodi do pomaka u spektru prema sve kraćim valnim dužinama). Brojna svojstva pokazuju periodičnost: svojstva jona sa sličnim vanjskim elektronima pokazuju se sličnima; na primjer, N 3+ (dva 2s elektrona) pokazuju sličnost sa N 5+ (dva 1s elektrona). Ovo se odnosi na karakteristike i relativni raspored energetskih nivoa i na optičke spektre, na magnetne momente atoma i tako dalje. Najdramatičnija promjena svojstava nastaje kada se posljednji elektron ukloni iz vanjske ljuske, kada ostaju samo potpuno popunjene ljuske, na primjer, kada se prelazi iz N 4+ u N 5+ (elektronske konfiguracije 1s 2 2s i 1s 2). U ovom slučaju, ion je najstabilniji i njegovi ukupni mehanički i ukupni magnetni momenti su jednaki nuli.

Svojstva atoma u vezanom stanju (na primjer, dijela molekule) razlikuju se od svojstava slobodnog atoma. Svojstva atoma prolaze kroz najveće promjene, određene najudaljenijim elektronima koji učestvuju u dodavanju jednog atoma drugom. U isto vrijeme, svojstva određena elektronima unutrašnjih školjki mogu ostati gotovo nepromijenjena, kao što je slučaj sa rendgenskim spektrima. Neka svojstva atoma mogu pretrpjeti relativno male promjene, iz kojih se mogu dobiti informacije o prirodi interakcija vezanih atoma. Važan primjer je cijepanje nivoa atomske energije u kristalima i složenim jedinjenjima, koje nastaje pod djelovanjem električnih polja koje stvaraju okolni joni.

Eksperimentalne metode za proučavanje strukture atoma, njegovih energetskih nivoa, njegovih interakcija s drugim atomima, elementarnim česticama, molekulama, vanjskim poljima i tako dalje su različite, ali glavne informacije sadržane su u njegovim spektrima. Metode atomske spektroskopije u svim rasponima talasnih dužina, a posebno metode moderne laserske spektroskopije, omogućavaju proučavanje sve suptilnijih efekata povezanih s atomom. Od početka 19. veka naučnicima je bilo očigledno postojanje atoma, ali je J. Perrin početkom 20. veka postavio eksperiment da dokaže realnost njegovog postojanja. Razvojem mikroskopije postalo je moguće dobiti slike atoma na površini čvrstih tijela. Atom je prvi vidio E. Muller (SAD, 1955.) uz pomoć poljskog ionskog mikroskopa koji je izumio. Moderni mikroskopi atomske sile i tunelski mikroskopi omogućavaju dobijanje slika čvrstih površina sa dobrom rezolucijom na atomskom nivou (vidi sliku 3).

Rice. 3. Slika atomske strukture površine silicijuma, koju je dobio profesor Univerziteta Oksford M. Kapstell pomoću skenirajućeg tunelskog mikroskopa.

Takozvani egzotični atomi postoje i široko se koriste u raznim istraživanjima, na primjer, mionski atomi, odnosno atomi u kojima su svi ili dio elektrona zamijenjen negativnim mionima, mionijem, pozitronijumom, kao i hadronijski atomi, koji se sastoje od nabijeni pioni, kaoni, protoni, deuteroni, itd. Napravljena su i prva zapažanja atoma antivodika (2002) - atoma koji se sastoji od pozitrona i antiprotona.

Lit .: Rođen M. Atomska fizika. 3rd ed. M., 1970; Fano U., Fano L. Fizika atoma i molekula. M., 1980; Shpolsky E.V. Atomska fizika. 7th ed. M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA Atomska i molekularna spektroskopija. 2nd ed. M., 2000.