Atom

Iz Wikipedije, besplatne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretraživanje
Usporedna veličina atoma helija i njegove jezgre

Atom (od starogrčkog ἄτομος "nedjeljiv [1] , ne izrezan [2] ") čestica je tvari mikroskopske veličine i mase, najmanji dio kemijskog elementa koji je nositelj njegovih svojstava [1] [3 ] .

Atomi se sastoje od jezgre i elektrona (točnije, elektroničkog "oblaka" ). Jezgra atoma sastoji se od protona i neutrona . Broj neutrona u jezgri može biti različit: od nule do nekoliko desetaka. Ako se broj elektrona podudara s brojem protona u jezgri, tada je atom u cjelini električno neutralan. Inače ima pozitivan ili negativan naboj i naziva se ion [1] . U nekim slučajevima, atomi se shvaćaju samo kao električno neutralni sustavi, u kojima je nuklearni naboj jednak ukupnom naboju elektrona, čime se suprotstavljaju električno nabijenim ionima [3] [4] .

Jezgra, koja nosi gotovo svu (više od 99,9%) mase atoma, sastoji se od pozitivno nabijenih protona i nenabijenih neutrona , međusobno povezanih jakim interakcijama . Atomi su klasificirani prema broju protona i neutrona u jezgri: broj protona Z odgovara rednom broju atoma u periodnom sustavu Mendeljejeva i određuje njegovu pripadnost određenom kemijskom elementu, a broj neutrona N - na određeni izotop ovog elementa. Jedini stabilan atom koji u jezgri ne sadrži neutrone je lagani vodik ( protij ). Z broj također određuje ukupni pozitivni električni naboj ( Z × e ) atomske jezgre i broj elektrona u neutralnom atomu, što određuje njegovu veličinu [5] .

Atomi različitih vrsta u različitim količinama, povezani međuatomskim vezama , tvore molekule .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Kratak pregled različitih obitelji elementarnih i složenih čestica te teorije koje opisuju njihove interakcije . Elementarne čestice s lijeve strane su fermioni , s desne strane su bozoni . ( Uvjeti - hiperveze do članaka potpredsjednika )

Povijest formiranja koncepta

Koncept atoma kao najmanjeg nedjeljivog dijela materije prvi su formulirali staroindijski i starogrčki filozofi (vidi: atomizam ). U 17. i 18. stoljeću kemičari su mogli eksperimentalno potvrditi ovu ideju, pokazujući da se neke tvari ne mogu dalje razgraditi na sastavne elemente kemijskim metodama. Međutim, krajem 19. i početkom 20. stoljeća, fizičari su otkrili subatomske čestice i kompozitnu strukturu atoma, te je postalo jasno da stvarna čestica, koja je dobila ime atoma, zapravo nije nedjeljiva.

Na međunarodnom kongresu kemičara u Karlsruheu (Njemačka) 1860. godine usvojene su definicije pojmova molekule i atoma. Atom je najmanja čestica kemijskog elementa koja je dio jednostavnih i složenih tvari.

Modeli atoma

  • Komadići materije . Demokrit je vjerovao da su svojstva neke tvari određena oblikom , masom i drugim karakteristikama atoma koji je tvore. Dakle, recimo, vatra ima oštre atome, pa vatra može gorjeti,čvrsta tijela su hrapava, pa se čvrsto lijepe jedno za drugo, voda je glatka, pa može teći. Čak se i ljudska duša , prema Demokritu, sastoji od atoma. [6]
  • Thomsonov model atoma iz 1904. (model pudinga od grožđica). J.J. Thomson predložio je da se atom smatra pozitivno nabijenim tijelom s elektronima unutar njega. Rutherford ga je konačno opovrgnuo nakon svog poznatog eksperimenta na raspršivanju alfa čestica .
  • Rani planetarni model atoma Nagaoka . Godine 1904. japanski fizičar Hantaro Nagaoka predložio je model atoma, izgrađen po analogiji sa planetom Saturn . U ovom modelu, elektroni, ujedinjeni u prstenove, vrtjeli su se oko male pozitivne jezgre u orbitama. Pokazalo se da je model pogrešan.
  • Bohr-Rutherfordov planetarni model atoma . Godine 1911. [7] Ernest Rutherford, nakon niza eksperimenata, došao je do zaključka da je atom privid planetarnog sustava u kojem se elektroni kreću po orbitama oko teške pozitivno nabijene jezgre koja se nalazi u središtu atoma (" Rutherfordov model atoma "). Međutim, takav opis atoma došao je u sukob s klasičnom elektrodinamikom . Činjenica je da prema klasičnoj elektrodinamici elektron koji se kreće s centripetalnim ubrzanjem mora emitirati elektromagnetske valove i posljedično izgubiti energiju . Proračuni su pokazali da je vrijeme potrebno da elektron u takvom atomu padne na jezgru apsolutno zanemarivo. Da bi objasnio stabilnost atoma, Niels Bohr morao je uvesti postulate , koji su se svodili na činjenicu da elektron u atomu, budući da se nalazi u nekim posebnim energetskim stanjima, ne zrači energiju ("model atoma Bohr-Rutherford"). Potreba za uvođenjem Bohrovih postulata bila je posljedica spoznaje da je klasična mehanika neprimjenjiva za opisivanje atoma. Daljnje proučavanje zračenja atoma dovelo je do stvaranja kvantne mehanike , što je omogućilo objašnjenje ogromne većine promatranih činjenica.

Kvantno -mehanički model atoma

Suvremeni atomski model razvoj je Bohr-Rutherfordovog planetarnog modela. Prema sadašnjem modelu, jezgra atoma sastoji se od pozitivno nabijenih protona i neutrošenih neutrona, a okružena je negativno nabijenim elektronima . Međutim, koncepti kvantne mehanike ne dopuštaju nam pretpostavku da se elektroni kreću oko jezgre bilo kojim određenim putanjama ( nesigurnost koordinata elektrona u atomu može se usporediti s dimenzijama samog atoma).

Kemijska svojstva atoma određena su konfiguracijom elektronske ljuske i opisana su kvantnom mehanikom . Položaj atoma u periodnom sustavu određen je električnim nabojem njegove jezgre (to jest brojem protona), dok broj neutrona u osnovi ne utječe na kemijska svojstva; u ovom slučaju u jezgri u pravilu ima više neutrona nego protona (vidi: atomska jezgra ). Ako je atom u neutralnom stanju, tada je broj elektrona u njemu jednak broju protona. Glavnina atoma koncentrirana je u jezgri, a maseni udio elektrona u ukupnoj masi atoma je beznačajan (nekoliko stotinki postotka mase jezgre).

Masa atoma obično mjeri na atomskih jedinica mase (daltona), što je jednako 1/12 mase atoma stabilnog izotopa ugljika 12 C.

Struktura atoma

Subatomske čestice

Iako je riječ atom u svom izvornom značenju označavala česticu koja se ne dijeli na manje dijelove, prema znanstvenim zamislima, ona se sastoji od manjih čestica koje se nazivaju subatomske čestice . Atom se sastoji od elektrona , protona , svi atomi, osim vodika-1 , također sadrže neutrone .

Elektron je najlakši od čestica koje čine atom s masom 9.11⋅10 -31 kg , negativnog naboja, a veličina premala da se mjeriti modernim metodama.[8] Pokusi na ultra preciznom određivanju magnetskog momenta elektrona ( Nobelova nagrada 1989.) pokazuju da veličina elektrona ne prelazi 10 −18 m [9] [10] .

Protoni imaju pozitivan naboj i 1836 su puta teži od elektrona (1,6726⋅10 −27 kg). Neutroni nemaju električni naboj i 1839 su puta teži od elektrona (1,6749⋅10 −27 kg). [jedanaest]

U tom slučaju, masa jezgre manja je od zbroja masa njezinih sastavnih protona i neutrona zbog pojave defekta mase . Neutroni i protoni imaju usporedivu veličinu , oko 2,5⋅10 −15 m , iako su veličine tih čestica slabo određene. [12]

U standardnom modelu elementarnih čestica i protoni i neutroni sastoje se od elementarnih čestica zvanih kvarkovi . Uz leptone , kvarkovi su jedan od glavnih sastojaka materije. I prvi i drugi su fermioni . Postoji šest vrsta kvarkova, od kojih svaki ima frakcijski električni naboj jednak + 2 3 ili (- 1 3 ) elementaran . Protoni se sastoje od dva u kvarka i jednog d kvarka , dok se neutron sastoji od jednog u kvarka i dva d kvarka. Ova razlika objašnjava razliku u masama i nabojima protona i neutrona. Kvarkovi su povezani jakim nuklearnim interakcijama , koje prenose gluoni . [13] [14]

Elektroni u atomu

Pri opisivanju elektrona u atomu u okviru kvantne mehanike obično se uzima u obzir raspodjela vjerojatnosti u 3n-dimenzionalnom prostoru za sustav od n elektrona.

Elektroni u atomu privlače jezgru, a među elektronima djeluje i Coulombova interakcija . Te iste sile drže elektrone unutar potencijalne barijere koja okružuje jezgru. Kako bi elektron mogao prevladati privlačenje jezgre, mora primiti energiju iz vanjskog izvora. Što je elektron bliže jezgri, za to je potrebno više energije.

Elektrone, kao i ostale čestice, karakterizira dvojnost valnih čestica . Ponekad se kaže da se elektron kreće u orbiti , što nije točno. Stanje elektrona opisano je valnom funkcijom čiji kvadrat modula karakterizira gustoću vjerojatnosti pronalaska čestica u određenoj točki prostora u određenom trenutku ili, općenito, operatorom gustoće . Postoji diskretni skup atomskih orbitala koje odgovaraju stacionarnim čistim stanjima elektrona u atomu.

Svaka orbitala ima svoju razinu energije . Elektron u atomu može otići na višu razinu energije kada se dati atom sudari s drugim atomom, elektronom, ionom ili apsorbira foton odgovarajuće energije. Prilikom prelaska na nižu razinu, elektron daje energiju ispuštanjem fotona ili prijenosom energije na drugi elektron (neradijacijski prijelaz, sudari druge vrste). Kao i u slučaju apsorpcije, u radijacijskom prijelazu energija fotona jednaka je razlici u energijama elektrona na tim razinama (vidi: Bohrovi postulati ). Učestalost emitiranog zračenja ν povezana je s energijom fotona E odnosom E = hν , gdje je h Planckova konstanta .

Svojstva atoma

Po definiciji, bilo koja dva atoma s istim brojem protona u jezgri pripadaju istom kemijskom elementu . Atomi s istim brojem protona, ali različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi datog elementa. Na primjer, atomi vodika uvijek sadrže jedan proton, ali postoje izotopi bez neutrona ( vodik -1 , koji se ponekad naziva i protij - najčešći oblik), s jednim neutronom ( deuterij ) i dva neutrona ( tricij ). [15] Poznati elementi tvore kontinuirani prirodni niz broj protona u jezgri, počevši od atoma vodika s jednim protonom i završavajući oganesonski atom u jezgri 118 koji protoni. [16] Svi izotopi elemenata periodnog sustava , počevši od broja 83 ( bizmut ), radioaktivni su . [17] [18]

Težina

Budući da protonu i neutronima najveći doprinos masi atoma daju ukupni broj tih čestica naziva se maseni broj . Masa mirovanja atoma često se izražava u atomskim jedinicama mase ( amu ), što se također naziva dalton (da). Ova jedinica je definirana kao 1/12 na ostatak mase neutralne atoma ugljika-12 , koji je približno jednak 1.66⋅10 -24 g. [19] vodik-1 je najlakši izotop vodika i atom s najmanja masa, ima atomsku težinu od oko 1, 007825 a. e. m. [20] Masa atoma približno je jednaka umnošku masenog broja po atomskoj jedinici mase [21] Najteži stabilni izotop je olovo-208 [17] mase 207.9766521 amu. e. m. [22]

Budući da su mase čak i najtežih atoma u konvencionalnim jedinicama (na primjer, u gramima) vrlo male, za mjerenje tih masa u kemiji se koriste molovi . Jedan mol bilo koje tvari, po definiciji, sadrži isti broj atoma (približno 6,022⋅10 23 ). Ovaj broj ( Avogadrov broj ) odabran je na takav način da ako je masa elementa 1 amu. e. m., tada će mol atoma ovog elementa imati masu od 1 g. Na primjer, ugljik ima masu od 12 amu. e. m., dakle, 1 mol ugljika teži 12 g [19]

Veličina

Atomi nemaju jasno definiranu vanjsku granicu, pa su njihove veličine određene udaljenošću između jezgri identičnih atoma koji su formirali kemijsku vezu ( kovalentni polumjer ) ili udaljenošću do najudaljenije stabilne elektronske orbite u elektronskoj ljusci ove atom ( polumjer atoma ). Radijus ovisi o položaju atoma u periodnom sustavu, vrsti kemijske veze, broju atoma u blizini ( koordinacijski broj ) i kvantnomehaničkom svojstvu poznatom kao spin . [23] U periodnom sustavu veličina atoma raste pri kretanju odozgo prema dolje u stupcu, a smanjuje se pri kretanju duž retka slijeva nadesno. [24] Prema tome, najmanji atom je atom helija s radijusom od 32 pm , a najveći je atom cezija (225 pm). [25] Ove su dimenzije tisuće puta manje od valne duljine vidljive svjetlosti (400-700 nm ), pa se atomi ne mogu vidjeti optičkim mikroskopom . Međutim, pojedini se atomi mogu promatrati skenirajućim tunelskim mikroskopom .

Sljedeći primjeri pokazuju malenost atoma. Ljudska kosa je milijun puta deblja od atoma ugljika. [26] Jedna kap vode sadrži 2 sextillion (2⋅10 21 ) atoma kisika i dvostruko više atoma vodika . [27] Jedan karat dijamanta težine 0,2 g sastoji se od 10 sextilion atoma ugljika . [28] Da se jabuka mogla povećati na veličinu Zemlje , tada bi atomi dosegli izvornu veličinu jabuke. [29]

Znanstvenici s Harkovskog instituta za fiziku i tehnologiju predstavili su prve fotografije atoma u povijesti znanosti. Za snimke su znanstvenici koristili elektronski mikroskop i fiksirano polje zračenja (elektronski mikroskop s emisijom polja, FEEM). Fizičari su redom stavili desetke ugljikovih atoma u vakuumsku komoru i kroz njih propustili električno pražnjenje od 425 volti. Zračenje posljednjeg atoma u lancu na fosfornom ekranu omogućilo je dobivanje slike oblaka elektrona oko jezgre. [trideset]

Radioaktivno raspadanje

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