Atom

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Primerjalna velikost atoma helija in njegovega jedra

Atom (iz starogrškega ἄτομος "nedeljiv [1] , ne razrezan [2] ") je delec snovi mikroskopske velikosti in mase, najmanjši del kemičnega elementa , ki je nosilec njegovih lastnosti [1] [ 3] .

Atomi so sestavljeni iz jedra in elektronov (natančneje, elektronski "oblak" ). Jedro atoma je sestavljeno iz protonov in nevtronov . Število nevtronov v jedru je lahko različno: od nič do nekaj deset. Če število elektronov sovpada s številom protonov v jedru, je atom kot celota električno nevtralen. Sicer ima nekaj pozitivnega ali negativnega naboja in se imenuje ion [1] . V nekaterih primerih atome razumemo le kot električno nevtralne sisteme, v katerih je jedrski naboj enak celotnemu naboju elektronov, s čimer jih nasprotuje električno nabitim ionom [3] [4] .

Jedro, ki nosi skoraj vso (več kot 99,9 %) mase atoma, je sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in nenabitih nevtronov , ki jih povezujejo močne interakcije . Atomi so razvrščeni glede na število protonov in nevtronov v jedru: število protonov Z ustreza redni številki atoma v periodnem sistemu Mendelejeva in določa njegovo pripadnost določenemu kemičnemu elementu, število nevtronov pa N - do določenega izotopa tega elementa. Edini stabilen atom, ki v svojem jedru ne vsebuje nevtronov, je lahki vodik ( protij ). Število Z določa tudi skupni pozitivni električni naboj ( Z × e ) atomskega jedra in število elektronov v nevtralnem atomu, ki določa njegovo velikost [5] .

Atomi različnih vrst v različnih količinah, povezani z medatomskimi vezmi , tvorijo molekule .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Kratek pregled različnih družin osnovnih in sestavljenih delcev ter teorij, ki opisujejo njihove interakcije . Elementarni delci na levi so fermioni , na desni pa bozoni . ( Pogoji - hiperpovezave do člankov VP )

Zgodovina nastanka koncepta

Koncept atoma kot najmanjšega nedeljivega dela snovi so prvi oblikovali staroindijski in starogrški filozofi (glej: atomizem ). V 17. in 18. stoletju so kemiki lahko eksperimentalno potrdili to idejo in pokazali, da nekaterih snovi ni mogoče nadalje razgraditi v njihove sestavne elemente s kemičnimi metodami. Vendar pa so fiziki konec 19. in v začetku 20. stoletja odkrili subatomske delce in sestavljeno strukturo atoma in postalo je jasno, da pravi delec, ki je dobil ime atom, v resnici ni nedeljiv.

Na mednarodnem kongresu kemikov v Karlsruheju (Nemčija) leta 1860 so bile sprejete definicije pojmov molekula in atom. Atom je najmanjši delec kemičnega elementa, ki je del preprostih in zapletenih snovi.

Modeli atomov

  • Kosi snovi . Demokrit je verjel, da lastnosti te ali one snovi določajo oblika , masa in druge značilnosti atomov, ki jo tvorijo. Torej, recimo, ogenj ima ostre atome, zato je ogenj sposoben goreti, trdna telesa so hrapava, zato se trdno oprimejo drug drugega, voda je gladka, zato lahko teče. Tudi človeška duša je po Demokritu sestavljena iz atomov. [6]
  • Thomsonov model atoma iz leta 1904 ( model rozin pudinga). J.J. Thomson je predlagal, da bi atom obravnavali kot pozitivno nabito telo z elektroni v njem. Dokončno jo je ovrgel Rutherford po svojem znamenitem poskusu sipanja alfa delcev .
  • Zgodnji planetarni model atoma Nagaoka . Leta 1904 je japonski fizik Hantaro Nagaoka predlagal model atoma, zgrajen po analogiji s planetom Saturn . V tem modelu so se elektroni, združeni v obroče, vrteli okoli majhnega pozitivnega jedra v orbitah. Izkazalo se je, da je model napačen.
  • Bohr-Rutherfordov planetarni model atoma . Leta 1911 [7] Ernest Rutherford je po vrsti eksperimentov prišel do zaključka, da je atom podoba planetarnega sistema, v katerem se elektroni gibljejo po orbitah okoli težkega pozitivno nabitega jedra, ki se nahaja v središču atoma (" Rutherfordov model atoma"). Vendar je tak opis atoma prišel v nasprotje s klasično elektrodinamiko . Dejstvo je, da mora po klasični elektrodinamiki elektron, ki se giblje s centripetalnim pospeškom , oddajati elektromagnetno valovanje in zato izgubiti energijo . Izračuni so pokazali, da je čas, potreben, da elektron v takem atomu pade na jedro, popolnoma zanemarljiv. Za razlago stabilnosti atomov je moral Niels Bohr uvesti postulate , ki so se zrcalili na dejstvo, da elektron v atomu, ki je v nekaterih posebnih energijskih stanjih, ne oddaja energije ("Bohr-Rutherfordov atomski model"). Nujnost uvedbe Bohrovih postulatov je bila posledica spoznanja, da klasična mehanika ni uporabna za opis atoma. Nadaljnje preučevanje sevanja atoma je privedlo do nastanka kvantne mehanike , ki je omogočila razlago velike večine opaženih dejstev.

Kvantno mehanski model atoma

Sodobni atomski model je razvoj Bohr-Rutherfordovega planetarnega modela. Po trenutnem modelu je jedro atoma sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in nevtronov brez naboja ter je obkroženo z negativno nabitimi elektroni . Vendar nam koncepti kvantne mehanike ne dovoljujejo domneve, da se elektroni gibljejo okoli jedra po kakršnih koli določenih trajektorijah ( negotovost koordinat elektrona v atomu je lahko primerljiva z dimenzijami samega atoma).

Kemične lastnosti atomov določa konfiguracija elektronske lupine in jih opisuje kvantna mehanika . Položaj atoma v periodnem sistemu je določen z električnim nabojem njegovega jedra (to je številom protonov), medtem ko število nevtronov bistveno ne vpliva na kemijske lastnosti; v tem primeru je v jedru praviloma več nevtronov kot protonov (glej: atomsko jedro ). Če je atom v nevtralnem stanju, je število elektronov v njem enako številu protonov. Glavnina atoma je koncentrirana v jedru, masni delež elektronov v skupni masi atoma pa je nepomemben (nekaj stotink odstotka mase jedra).

Masa atoma se običajno meri v enotah atomske mase (daltoni), ki je enaka 1 12 mase atoma stabilnega izotopa ogljika 12 C.

Struktura atoma

Subatomski delci

Čeprav je beseda atom v svojem prvotnem pomenu pomenila delec, ki se ne deli na manjše dele, je po znanstvenih zamislih sestavljen iz manjših delcev, imenovanih subatomski delci . Atom je sestavljen iz elektronov , protonov , vsi atomi, razen vodika-1 , vsebujejo tudi nevtrone .

Elektron je najlažji delci, ki sestavljajo atom z maso 9,11⋅10 −31 kg , negativnim nabojem in velikostjo, ki je premajhna, da bi jo lahko izmerili s sodobnimi metodami.[8] Eksperimenti ultra natančnega določanja magnetnega momenta elektrona ( Nobelova nagrada 1989) kažejo, da velikost elektrona ne presega 10 −18 m [9] [10] .

Protoni imajo pozitiven naboj in so 1836-krat težji od elektrona (1,6726⋅10 −27 kg). Nevtroni nimajo električnega naboja in so 1839-krat težji od elektrona (1,6749⋅10 −27 kg). [enajst]

V tem primeru je masa jedra manjša od vsote mas njegovih sestavnih protonov in nevtronov zaradi pojava masne napake . Nevtroni in protoni imajo primerljivo velikost , približno 2,5⋅10 −15 m , čeprav so velikosti teh delcev slabo določene. [12]

V standardnem modelu elementarnih delcev so tako protoni kot nevtroni sestavljeni iz elementarnih delcev, imenovanih kvarki . Poleg leptonov so kvarki ena glavnih sestavin snovi. Tako prvi kot drugi sta fermioni . Obstaja šest vrst kvarkov, od katerih ima vsak delni električni naboj enak + 2 3 ali (- 1 3 ) elementarnega . Protoni so sestavljeni iz dveh u kvarkov in enega d kvarka , nevtron pa iz enega u kvarka in dveh d kvarkov. Ta razlika pojasnjuje razliko v masi in nabojih protona in nevtrona. Kvarke povezujejo močne jedrske interakcije , ki jih prenašajo gluoni . [13] [14]

Elektroni v atomu

Pri opisovanju elektronov v atomu v okviru kvantne mehanike se običajno upošteva porazdelitev verjetnosti v 3n-dimenzionalnem prostoru za sistem n elektronov.

Elektroni v atomu se privlačijo v jedro, med elektroni pa deluje tudi Coulombova interakcija . Te iste sile držijo elektrone znotraj potencialne pregrade, ki obdaja jedro. Da bi elektron lahko premagal privlačnost jedra, mora prejeti energijo iz zunanjega vira. Bližje kot je elektron jedru, več energije je za to potrebno.

Za elektrone je, tako kot za druge delce, značilna dvojnost valov in delcev . Včasih se reče, da se elektron giblje po orbitali , kar je napačno. Stanje elektronov je opisano z valovno funkcijo , katere kvadrat modula označuje gostoto verjetnosti iskanja delcev na dani točki v prostoru v danem času, ali v splošnem primeru z operatorjem gostote . Obstaja diskreten niz atomskih orbital , ki ustrezajo stacionarnim čistim stanjem elektronov v atomu.

Vsaka orbitala ima svojo energijsko raven . Elektron v atomu lahko preide na višjo energijsko raven, ko dani atom trči z drugim atomom, elektronom, ionom ali tako, da absorbira foton ustrezne energije. Pri prehodu na nižjo raven elektron odda energijo z oddajanjem fotona ali s prenosom energije na drug elektron (nesevalni prehod, udarci drugega reda). Tako kot v primeru absorpcije je tudi med sevalnim prehodom energija fotona enaka razliki v energijah elektronov na teh ravneh (glej: Bohrovi postulati ). Frekvenca oddanega sevanja ν je povezana z energijo fotona E z razmerjem E = hν , kjer je h Planckova konstanta .

Lastnosti atoma

Po definiciji vsaka dva atoma z enakim številom protonov v svojih jedrih pripadata istemu kemičnemu elementu . Atomi z enakim številom protonov, vendar različnim številom nevtronov, se imenujejo izotopi danega elementa. Na primer, atomi vodika vedno vsebujejo en proton, vendar obstajajo izotopi brez nevtronov ( vodik-1 , včasih imenovan tudi protij – najpogostejša oblika), z enim nevtronom ( devterij ) in dvema nevtronima ( tritij ). [15] Znani elementi tvorijo neprekinjeno naravno serijo števila protonov v jedru, ki se začne z atomom vodika z enim protonom in konča z atomom oganesona v jedru 118, ki protone. [16] Vsi izotopi elementov periodnega sistema , začenši s številko 83 ( bizmut ), so radioaktivni . [17] [18]

Utež

Ker k masi atoma največ prispevajo protoni in nevtroni, se skupno število teh delcev imenuje masno število . Masa mirovanja atoma je pogosto izražena v atomskih masnih enotah ( amu ), kar imenujemo tudi dalton (da). Ta enota je opredeljena kot 1 12 mase počitka nevtralnega atoma ogljika-12 , kar je približno enako 1,66⋅10 -24 g. [19] Vodik-1 je najlažji izotop vodika in atom z najmanjša masa, ima atomsko maso približno 1,007825 a. e. m. [20] Masa atoma je približno enaka zmnožku masnega števila na atomsko enoto mase [21] Najtežji stabilni izotop je svinec-208 [17] z maso 207,9766521 amu. e. m. [22]

Ker so mase tudi najtežjih atomov v običajnih enotah (na primer v gramih) zelo majhne, ​​se za merjenje teh mas v kemiji uporabljajo molovi . En mol katere koli snovi po definiciji vsebuje enako število atomov (približno 6,022⋅10 23 ). To število ( Avogadrovo število ) je izbrano tako, da če je masa elementa 1 amu. e. m., potem bo imel mol atomov tega elementa maso 1 g. Na primer, ogljik ima maso 12 amu. e. m., torej 1 mol ogljika tehta 12 g [19]

Velikost

Atomi nimajo jasno opredeljene zunanje meje, zato so njihove velikosti določene z razdaljo med jedri enakih atomov, ki so tvorili kemično vez ( kovalentni polmer ) ali z razdaljo do najbolj oddaljene stabilne elektronske orbite v elektronski lupini tega atom ( radij atoma ). Polmer je odvisen od položaja atoma v periodnem sistemu, vrste kemične vezi, števila bližnjih atomov ( koordinacijsko število ) in kvantno mehanske lastnosti, znane kot spin . [23] V periodnem sistemu se velikost atoma poveča, ko se premika od zgoraj navzdol v stolpcu, in zmanjša, ko se premika vzdolž vrstice od leve proti desni. [24] V skladu s tem je najmanjši atom helijev atom s polmerom 32 pm , največji pa atom cezija (225 pm). [25] Te dimenzije so tisočkrat manjše od valovne dolžine vidne svetlobe (400-700 nm ), zato atomov ni mogoče videti z optičnim mikroskopom . Vendar pa lahko posamezne atome opazujemo s skenirajočim tunelskim mikroskopom .

Majhnost atomov je prikazana z naslednjimi primeri. Človeški lasje so milijonkrat debelejši od atoma ogljika. [26] Ena kapljica vode vsebuje 2 sextillion (2⋅10 21) kisika atomi in dvakrat toliko vodikovih atomov . [27] En karat diamanta, ki tehta 0,2 g, je sestavljen iz 10 sekstiljonov ogljikovih atomov . [28] Če bi jabolko lahko povečali na velikost Zemlje , bi atomi dosegli prvotno velikost jabolka. [29]

Znanstveniki s harkovskega inštituta za fiziko in tehnologijo so predstavili prve fotografije atoma v zgodovini znanosti. Za slike so znanstveniki uporabili elektronski mikroskop in fiksiranje sevalnega polja (elektronski mikroskop z emisijo polja, FEEM). Fiziki so zaporedno postavili na desetine ogljikovih atomov v vakuumsko komoro in skoznje spustili električno razelektritev 425 voltov. Sevanje zadnjega atoma v verigi na fosforni zaslon je omogočilo pridobitev slike oblaka elektronov okoli jedra. [trideset]

Radioaktivni razpad

Диаграмма времени полураспада (T ½ ) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

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

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством, известным как спин . Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственногоцентра 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 отсутствии 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

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]

Пример линейного спектра поглощения

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

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

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 r 6 , где r — расстояние между двумя атомами. [50]

Деформационная поляризация атома

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 e E, где α e — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.

Ионизация атома

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 ионкатион . 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 I 1 , I 2 , I 3 … соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Взаимодействие атома с электроном

Рис. 2 Зависимость сродства к электрону атома от порядкового номера элемента

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):

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

Электроотрицательность атома

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] .

Электроотрицательность.jpg

Символизм

Stylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.png

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

Примечания

  1. 1 2 3 Большой энциклопедический словарь. Физика / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — С. 36. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0 .
  2. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов / Ред. Е. А. Гришина . — АСТ ; Астрель; Русские словари. — С. 91. — 960 с. — ISBN 5-17-008793-4 .
  3. 1 2 Ельяшевич М. А. Атом // Большая Советская Энциклопедия . 3-е изд. / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия, 1970. — Т. 2. Ангола — Барзас . — С. 389—394 .
  4. Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1983. — С.58 . — 792 с.
  5. Atom // IUPAC Gold Book
  6. Демокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира / А. О. Чубарьян. — М. : Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5-948-49307-5 .
  7. Планетарная модель атома Архивировано 15 июня 2008 года.
  8. Demtröder, 2002 .
  9. Демельт Х. «Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей» // УФН , т. 160 (12), с. 129—139, 1990
  10. Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
  11. Woan, 2000 .
  12. MacGregor, 1992 .
  13. The Particle Adventure . Particle Data Group . Lawrence Berkeley Laboratory (2002). Дата обращения: 3 января 2009. Архивировано 21 августа 2011 года.
  14. James Schombert. Elementary Particles . University of Oregon (18 апреля 2006). Дата обращения: 3 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  15. Howard S. Matis. The Isotopes of Hydrogen . Guide to the Nuclear Wall Chart . Lawrence Berkeley National Lab (9 августа 2000). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  16. Rick Weiss. Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet . Washington Post (17 октября 2006). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  17. 1 2 Sills, 2003 .
  18. Belle Dumé. Bismuth breaks half-life record for alpha decay . Physics World (23 апреля 2003). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  19. 1 2 Mills и др. (1993).
  20. Chung Chieh. Nuclide Stability (недоступная ссылка) . University of Waterloo (22 января 2001). Дата обращения: 4 января 2007. Архивировано 30 августа 2007 года.
  21. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements . National Institute of Standards and Technology. Дата обращения: 4 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  22. G. Audi, AH Wapstra, C. Thibault. The Ame2003 atomic mass evaluation (II) (неопр.) // Nuclear Physics. — 2003. — Т. A729 . — С. 337—676 . Архивировано 16 сентября 2008 года.
  23. RD Shannon. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides (англ.) // Acta Crystallographica, Section A : journal. — International Union of Crystallography , 1976. — Vol. 32 . — P. 751 . — doi : 10.1107/S0567739476001551 .
  24. Judy Dong. Diameter of an Atom . The Physics Factbook (1998). Дата обращения: 19 ноября 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  25. Zumdahl, 2002 .
  26. Small Miracles: Harnessing nanotechnology (недоступная ссылка) . Oregon State University (2007). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 4 декабря 2007 года. — описывает толщину человеческого волоса как 10 5 нм и 10 углеродных атомов по толщине как 1 нм.
  27. «There are 2 000 000 000 000 000 000 000 (that's 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen» // Padilla et al., 2002 , p. 32
  28. Карат равен 200 миллиграмм. По определению , углерод-12 имеет 12 грамм на моль. Постоянная Авогадро равна 6,02⋅10 23 атомов на моль.
  29. Feynman, 1995 .
  30. First Detailed Photos of Atoms . Inside Science News Service (14 сентября 2009). Дата обращения: 24 июня 2014. Архивировано 24 июня 2014 года.
  31. 1 2 Radioactivity . Splung.com. Дата обращения: 19 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  32. L'Annunziata (2003).
  33. Richard B. Firestone. Radioactive Decay Modes . Berkeley Laboratory (22 мая 2000). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  34. JP Hornak. Chapter 3: Spin Physics (недоступная ссылка) . The Basics of NMR . Rochester Institute of Technology (2006). Дата обращения: 20 марта 2011. Архивировано 26 мая 2007 года.
  35. 1 2 Paul A. Schroeder. Magnetic Properties (недоступная ссылка) . University of Georgia (22 февраля 2000). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 18 февраля 2001 года.
  36. Greg Goebel. [4.3] Magnetic Properties of the Atom . Elementary Quantum Physics . In The Public Domain website (1 сентября 2007). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  37. Lynn Yarris. Talking Pictures (неопр.) // Berkeley Lab Research Review. Архивировано 15 июня 1997 года.
  38. Liang, Haacke, 1999 .
  39. Bart J. Van Zeghbroeck. Energy levels . Shippensburg University (1998). Дата обращения: 23 декабря 2007. Архивировано 15 января 2005 года.
  40. Fowles, 1989 .
  41. WC Martin, WL Wiese. Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas . National Institute of Standards and Technology (май 2007). Дата обращения: 8 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  42. Atomic Emission Spectra — Origin of Spectral Lines . Avogadro Web Site. Дата обращения: 10 августа 2006. Архивировано 21 августа 2011 года.
  43. Richard Fitzpatrick. Fine structure . University of Texas at Austin (16 февраля 2007). Дата обращения: 14 февраля 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  44. Michael Weiss. The Zeeman Effect . University of California-Riverside (2001). Дата обращения: 6 февраля 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  45. Beyer, 2003 .
  46. Thayer Watkins. Coherence in Stimulated Emission . San José State University. Дата обращения: 23 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  47. William Reusch. Virtual Textbook of Organic Chemistry . Michigan State University (16 июля 2007). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  48. Husted Robert и др. Periodic Table of the Elements . Los Alamos National Laboratory (11 декабря 2003). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  49. Rudy Baum. It's Elemental: The Periodic Table . Chemical & Engineering News (2003). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  50. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия / под ред. К.В.Топчиевой. — М. : Мир, 1978. — С. 453. — 646 с.
  51. Потапов А.А. Деформационная поляризация. Поиск оптимальных моделей. — Новосибирск: "Наука", 2004. — 511 с.
  52. Справочник химика. — II-ое, перераб. и доп.. — Л.-М.: ГНТИ Химической литературы, 1962. — Т. I. — С. 328. — 1072 с.
  53. Филиппов Г. Г., Горбунов А. И. Новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов. — Российский химический журнал , 1995. — Т. 39, Вып. 2. — С. 39—42.

Литература

На английском языке

Ссылки