Какъв е диаметърът на един атом? Какъв е размерът и масата на атома. Светът е прекрасен

Изучавайки преминаването на алфа частица през тънко златно фолио (виж раздел 6.2), Е. Ръдърфорд стигна до заключението, че атомът се състои от тежко положително заредено ядро ​​и електрони, които го заобикалят.

Ядро наречена централната част на атома,в който е съсредоточена почти цялата маса на атома и неговия положителен заряд.

IN състав на атомното ядро включва елементарни частици : протони И неутрони (нуклони от латинската дума ядро- сърцевина). Такъв протонно-неутронен модел на ядрото е предложен от съветския физик през 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протонът има положителен заряд e + = 1,06 10 –19 C и маса на покой m p= 1,673·10 –27 kg = 1836 аз. неутрон ( н) – неутрална частица с маса на покой m n= 1,675 10 –27 kg = 1839 аз(където е масата на електрона аз, равно на 0,91·10 –31 kg). На фиг. Фигура 9.1 показва структурата на атома на хелия според представите от края на 20-ти - началото на 21-ви век.

Основен заряд равно на Зе, Където д– протонен заряд, З– номер на такса, равен сериен номерхимически елемент в периодичната таблица на елементите на Менделеев, т.е. брой протони в ядрото. Означен е броят на неутроните в ядрото н. Обикновено З > н.

Известни в момента ядра с З= 1 към З = 107 – 118.

Броят на нуклоните в ядрото А = З + нНаречен масово число . Ядра със същите З, но различни Аса наречени изотопи. Ядра, които, със същите Аимат различни З, са наречени изобари.

Ядрото се обозначава със същия символ като неутралния атом, където х– символ на химичен елемент. Например: водород З= 1 има три изотопа: – протий ( З = 1, н= 0), – деутерий ( З = 1, н= 1), – тритий ( З = 1, н= 2), калайът има 10 изотопа и т.н. В преобладаващата си част изотопите на един химичен елемент имат еднакви химични и сходни физични свойства. Общо са известни около 300 стабилни изотопа и повече от 2000 естествени и изкуствено получени. радиоактивни изотопи.

Размерът на ядрото се характеризира с радиуса на ядрото, което има конвенционално значение поради размиването на границата на ядрото. Дори Е. Ръдърфорд, анализирайки своите експерименти, показа, че размерът на ядрото е приблизително 10–15 m (размерът на атома е 10–10 m). Има емпирична формула за изчисляване на радиуса на сърцевината:

Където Р 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m Това показва, че обемът на ядрото е пропорционален на броя на нуклоните.

Плътността на ядрената материя е от порядъка на 10 17 kg/m 3 и е постоянна за всички ядра. Тя значително надвишава плътността на най-плътните обикновени вещества.

Протоните и неутроните са фермиони, защото имат въртене ħ /2.

Ядрото на атома има собствен ъглов момент – ядрено въртене :

,

(9.1.2)

Където аз – вътрешни(пълен)спиново квантово число.

Номер азприема цели или полуцели стойности 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.н. Ядра с дори Аимат цяло число завъртане(в единици ħ ) и се подчиняват на статистиката Бозе–Айнщайн(бозони). Ядра с странно Аимат полуцяло въртене(в единици ħ ) и се подчиняват на статистиката Ферми–Дирак(тези. ядра - фермиони).

Ядрените частици имат свои собствени магнитни моменти, които определят магнитния момент на ядрото като цяло. Единицата за измерване на магнитните моменти на ядрата е ядрен магнетон μ отрова:

Тук д– абсолютна стойност на заряда на електрона, m p– протонна маса.

Ядрен магнетон в m p/аз= 1836,5 пъти по-малко от магнетона на Бор, следва това магнитните свойства на атома се определят от магнитните свойства на неговите електрони .

Има връзка между въртенето на ядрото и неговия магнитен момент:

където γ отрова – ядрено жиромагнитно отношение.

Неутронът има отрицателен магнитен момент μ н≈ – 1,913μ отрова, тъй като посоката на въртене на неутрона и неговият магнитен момент са противоположни. Магнитният момент на протона е положителен и равен на μ Р≈ 2,793μ отрова. Посоката му съвпада с посоката на въртене на протона.

Разпределението на електрическия заряд на протоните върху ядрото обикновено е асиметрично. Мярката за отклонение на това разпределение от сферично симетрично е квадруполен електричен момент на ядрото Q. Ако се приеме, че плътността на заряда е еднаква навсякъде, тогава Qсе определя само от формата на ядрото. И така, за елипсоид на революцията

,

(9.1.5)

Където b– полуос на елипсоида по посока на въртене, А– полуос в перпендикулярна посока. За ядро, удължено по посока на въртене, b > АИ Q> 0. За сърцевина, сплескана в тази посока, b < аИ Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = аИ Q= 0. Това е вярно за ядра със спин, равен на 0 или ħ /2.

За да видите демонстрации, щракнете върху съответната хипервръзка:

АТОМ, най-малката частица от вещество, което може да влезе в химични реакции. Всяко вещество има уникален набор от атоми. Някога се смяташе, че атомът е неделим, но се състои от положително заредено ЯДРО, около което се въртят отрицателно заредени електрони. Ядрото (наличието на което е установено през 1911 г. от Ернст РЪДЪРФОРД) се състои от плътно опаковани протони и неутрони. Той заема само малка част от пространството вътре в атома, но представлява почти цялата маса на атома. През 1913 г. Niels BOR предлага електроните да се движат по фиксирани орбити. Оттогава изследванията в КВАНТОВАТА МЕХАНИКА доведоха до ново разбиране на орбитите: според ПРИНЦИПА НА НЕСИГУРНОСТТА на Хайзенберг, точната позиция и ИМУЛЬСУМ на субатомна частица не могат да бъдат известни едновременно. Броят на електроните в атома и тяхното разположение определят химичните свойства на елемента. Когато един или повече електрони се добавят или отнемат, се създава йон.

Масата на атома зависи от размера на ядрото. Той представлява най-голямата част от теглото на атома, тъй като електроните не тежат нищо. Например, атомът на урана е най-тежкият атом в природата, той има 146 неутрона, 92 протона и 92 електрона. От друга страна, най-лекият атом е водородният атом, който има 1 протон и електрон. Урановият атом обаче, макар и 230 пъти по-тежък от водородния атом, е само три пъти по-голям по размер. Теглото на атома се изразява в единици атомна маса и се означава като u. Атомите са съставени от още по-малки частици, наречени субатомни (елементарни) частици. Основните са протони (положително заредени), неутрони (електрически неутрални) и електрони (отрицателно заредени). Клъстерите от електрони и неутрони образуват ядро ​​в центъра на всички атоми (с изключение на водорода, който има само един протон). въртя се! ядра на известно разстояние от него, съизмеримо с размерите на атома |. Има 112 различни типа атоми, еднакъв брой елементи в периодичната таблица се различават по атомен номер и атомна маса. Масата на атома се определя главно от относително плътното ядро ​​I (ротоните и неутроните имат. масата е приблизително 1K4() пъти по-голяма от тази на електроните, а неутроните са неутрални неутроните се състоят от още по-малки частици, кварките определят нейните химически gnonstia H oshichis от планетите на Слънчевата система, nemrops се въртят около ядрото на случаен принцип, oiMiiMi нито на фиксирано разстояние от ядрото, ar-IVH "aboutSyulochki". Колкото повече енергия има елек-ипонът. li"M по-нататък може да се отдалечи, преодолявайки привличането на положително заредено ядро. В неутрален атом положителният заряд на електроните балансира положителния заряд на протоните на ядрото. 11 Следователно отстраняването или добавянето на един електрон в агома води до появата на заредени йонни обвивки, разположени на фиксирани разстояния от ядрото, в зависимост от нивото на тяхната енергия, като се брои от ядрото агомата и всяка от тях може да съдържа само определен брой електрони. Ако има достатъчно енергия, електронът може да скочи от една обвивка в друга, по-висока. Когато удари отново долната обвивка, тя излъчва радиация под формата на фотон. Електронът принадлежи към клас частици, наречени лептони, а неговата античастица се нарича позитрон.

ВЕРИЖНА ЯДРЕНА РЕАКЦИЯ. При ядрен взрив, като ядрен взрив, неутрон удря ядро ​​от уран 23b (тоест ядро ​​с общ брой протони и неутрони, равен на ? 35). Когато неутронът се абсорбира, се създава уран 236. Той е много нестабилен и се разделя на две по-малки ядра, които освобождават огромно количество енергия и всеки от тези неутрони може да удари друго ураново ядро по този начин наречени критични условия (количеството уран-235 надвишава критичната маса), тогава броят на неутронните сблъсъци ще бъде достатъчен, за да може реакцията да се развие със светкавична скорост, т.е. настъпва верижна реакция. В ядрен реактор топлината, отделена по време на процеса, се използва за нагряване на пара, която задвижва турбинен генератор, който произвежда електричество.

Научно-технически енциклопедичен речник.

Вижте какво е "ATOM" в други речници:

атом- атом и... Руски правописен речник

- (гръцки atomos, от отрицателна част., и том, отдел томос, сегмент). Безкрайно малка неделима частица, чиято съвкупност съставлява всяко физическо тяло. Речник на чуждите думи, включени в руския език. Чудинов A.N., 1910. ATOM гръцки ... Речник на чуждите думи на руския език

атом- a m. atome m. 1. Най-малката неделима частица материя. Атомите не могат да бъдат вечни. Кантемир За природата. Ампер вярва, че всяка неделима частица материя (атом) съдържа цялостно количество електричество. OZ 1848 56 8 240. Нека бъде... ... Исторически речник на галицизмите на руския език

- (от гръцки atomos - неделим) най-малките съставни частици на материята, от които е съставено всичко, което съществува, включително душата, образувана от най-фините атоми (Левкип, Демокрит, Епикур). Атомите са вечни, те нито възникват, нито изчезват, намирайки се в постоянно... ... Философска енциклопедия

атом- Атом ♦ Атом Етимологично, атомът е неделима частица или частица, подлежаща само на спекулативно разделяне; неделим елемент (atomos) на материята. Демокрит и Епикур разбират атома в този смисъл. Съвременните учени са наясно, че това... ... Философски речник на Спонвил

- (от гръцки atomos неделим) най-малката частица от химичен елемент, която запазва свойствата си. В центъра на атома има положително заредено ядро, в което е съсредоточена почти цялата маса на атома; електроните се движат наоколо, образувайки електрон... Голям енциклопедичен речник

Мъжки, грък неделима; субстанция в крайните граници на нейната делимост, невидима прашинка, от която уж са съставени всички тела, всяка субстанция, сякаш от песъчинки. | Неизмерима, безкрайно малка прашинка, незначително количество. | Химиците имат думата... Обяснителен речник на Дал

См … Речник на синонимите

АТОМ- (от гръцки atomos неделим). Думата А. се използва в съвременната наука в различни значения. В повечето случаи А. се нарича максимално количество хим. елемент, по-нататъшното фрагментиране на елемента води до загуба на индивидуалност на елемента, т.е. до рязко... ... Голяма медицинска енциклопедия

атом- атом Атомът е част от речта, която е най-малкият носител на химичните свойства на един химичен елемент. Има много видове атоми, както и химически елементи и изотопи. Електрически неутрален, съставен от ядра и електрони. Атомен радиус..... Гирничи енциклопедичен речник

Книги

• Водородният атом и неевклидовата геометрия, V.A. Фок. Тази книга ще бъде произведена в съответствие с вашата поръчка с помощта на технологията Print-on-Demand. Възпроизведено в оригиналния авторски правопис на изданието от 1935 г. (издателство „Издателство...
• Водородният атом е най-простият от атомите. Продължение на теорията на Нилс Бор. Част 5. Честотата на фотонното лъчение съвпада със средната честота на електронното лъчение в прехода, А. И. Шидловски. Теорията на Бор за водородния атом е продължена („успоредно“ на квантово-механичния подход) по традиционния път на развитие на физиката, където в теорията съществуват наблюдаеми и ненаблюдаеми величини. За…

Атомът е най-малката частица от химическо вещество, която може да запази свойствата си. Думата "атом" идва от старогръцкото "atomos", което означава "неделим". В зависимост от това колко и какви частици има в един атом, може да се определи химичен елемент.

Накратко за структурата на атома

Как можете накратко да изброите основната информация за е частица с едно ядро, което е положително заредено. Около това ядро ​​има отрицателно зареден облак от електрони. Всеки атом в нормалното си състояние е неутрален. Размерът на тази частица може да бъде изцяло определен от размера на електронния облак, който заобикаля ядрото.

Самото ядро ​​от своя страна също се състои от по-малки частици - протони и неутрони. Протоните са положително заредени. Неутроните не носят никакъв заряд. Протоните и неутроните обаче се комбинират в една категория и се наричат ​​нуклони. Ако основната информация за структурата на атома е необходима накратко, тогава тази информация може да бъде ограничена до изброените данни.

Първи сведения за атома

Древните гърци са подозирали, че материята може да се състои от малки частици. Те вярваха, че всичко, което съществува, е направено от атоми. Подобен възглед обаче беше чисто философски по природа и не можеше да се тълкува научно.

Първият, който получи основна информация за структурата на атома, беше английски учен, който успя да открие, че два химически елемента могат да влизат в различни съотношения и всяка такава комбинация ще представлява ново вещество. Например, осем части от елемента кислород водят до въглероден диоксид. Четири части кислород е въглероден окис.

През 1803 г. Далтън открива така наречения закон на множеството съотношения в химията. Използвайки косвени измервания (тъй като тогава нито един атом не можеше да бъде изследван под микроскопите от онова време), Далтън направи заключение за относителното тегло на атомите.

Изследванията на Ръдърфорд

Почти век по-късно основната информация за структурата на атомите беше потвърдена от друг английски химик - ученият предложи модел на електронната обвивка на най-малките частици.

По това време "Планетарният модел на атома" на Ръдърфорд е една от най-важните стъпки, които химията може да направи. Основната информация за структурата на атома показва, че той е подобен на Слънчевата система: електронните частици се въртят около ядрото по строго определени орбити, точно както правят планетите.

Електронна обвивка на атоми и формули на атоми на химични елементи

Електронната обвивка на всеки атом съдържа точно толкова електрони, колкото има протони в ядрото му. Ето защо атомът е неутрален. През 1913 г. друг учен получава основна информация за структурата на атома. Формулата на Нилс Бор е подобна на тази, получена от Ръдърфорд. Според неговата концепция електроните също се въртят около ядрото, разположено в центъра. Бор усъвършенства теорията на Ръдърфорд и внесе хармония в нейните факти.

Още тогава са съставени формули за някои химически вещества. Например, схематично структурата на азотния атом се обозначава като 1s 2 2s 2 2p 3, структурата на натриевия атом се изразява с формулата 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1. Чрез тези формули можете да видите колко електрони се движат във всяка от орбиталите на определено химично вещество.

Модел на Шрьодингер

По-късно обаче този атомен модел също остаря. Основната информация за структурата на атома, известна на науката днес, до голяма степен стана достъпна благодарение на изследванията на австрийския физик

Той предложи нов модел на неговата структура - вълнов модел. По това време учените вече са доказали, че електронът е надарен не само с природата на частица, но също така има свойствата на вълна.

Моделът на Шрьодингер и Ръдърфорд обаче има и общи положения. Техните теории са сходни по това, че електроните съществуват на определени нива.

Такива нива се наричат ​​още електронни слоеве. С помощта на номера на нивото може да се характеризира енергията на електрона. Колкото по-висок е слоят, толкова повече енергия има. Всички нива се броят отдолу нагоре, така че номерът на нивото съответства на неговата енергия. Всеки от слоевете в електронната обвивка на атома има свои собствени поднива. В този случай първото ниво може да има едно подниво, второто - две, третото - три и т.н. (вижте горните електронни формули за азот и натрий).

Още по-малки частици

В момента, разбира се, са открити още по-малки частици от електрона, протона и неутрона. Известно е, че протонът се състои от кварки. Има още по-малки частици от Вселената - например неутриното, което е сто пъти по-малко по размер от кварк и милиард пъти по-малко от протон.

Неутриното е толкова малка частица, че е 10 септилиона пъти по-малка от, например, тиранозавър рекс. Самият тиранозавър е толкова пъти по-малък от цялата видима Вселена.

Основни сведения за структурата на атома: радиоактивност

Винаги е било известно, че нито една химична реакция не може да превърне един елемент в друг. Но в процеса на радиоактивно излъчване това става спонтанно.

Радиоактивността е способността на атомните ядра да се превръщат в други ядра - по-стабилни. Когато хората получиха основна информация за структурата на атомите, изотопите до известна степен можеха да служат като въплъщение на мечтите на средновековните алхимици.

При разпадането на изотопите се излъчва радиоактивно лъчение. Това явление е открито за първи път от Бекерел. Основният вид радиоактивно лъчение е алфа разпадането. Когато се случи, се освобождава алфа частица. Съществува и бета разпад, при който бета частица се изхвърля от ядрото на атома.

Естествени и изкуствени изотопи

В момента са известни около 40 естествени изотопа. Повечето от тях са разположени в три категории: уран-радий, торий и актиний. Всички тези изотопи могат да бъдат намерени в природата – в скали, почва, въздух. Но освен тях са известни и около хиляда изкуствено получени изотопа, които се произвеждат в ядрени реактори. Много от тези изотопи се използват в медицината, особено в диагностиката..

Пропорции в атома

Ако си представим атом, чиито размери са сравними с размерите на международен спортен стадион, тогава визуално можем да получим следните пропорции. Електроните на атома в такъв „стадион“ ще бъдат разположени на самия връх на трибуните. Всеки ще бъде по-малък от главата на карфица. Тогава ядрото ще бъде разположено в центъра на това поле и размерът му няма да бъде по-голям от размера на грахово зърно.

Понякога хората питат как всъщност изглежда един атом. Всъщност той буквално не прилича на нищо – не поради причината, че микроскопите, използвани в науката, не са достатъчно добри. Размерите на атома са в тези области, където понятието „видимост“ просто не съществува.

Атомите са много малки по размер. Но колко малки са тези размери в действителност? Факт е, че най-малкото зрънце сол, едва видимо за човешкото око, съдържа около един квинтилион атома.

Ако си представим атом с такъв размер, който може да се побере в човешка ръка, тогава до него ще има вируси с дължина 300 метра. Бактериите ще бъдат дълги 3 км, а дебелината на човешки косъм ще бъде 150 км. В легнало положение той би могъл да излезе извън границите на земната атмосфера. И ако такива пропорции бяха валидни, тогава един човешки косъм можеше да достигне дължината на Луната. Това е толкова сложен и интересен атом, който учените продължават да изучават и до днес.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

атом– най-малката химическа частица.

Разнообразието от химични съединения се дължи на различните комбинации на атомите на химичните елементи в молекули и немолекулни вещества. Способността на атома да влиза в химични съединения, неговите химични и физични свойства се определят от структурата на атома. В тази връзка за химията от първостепенно значение е вътрешната структура на атома и на първо място структурата на неговата електронна обвивка.

Модели на атомна структура

В началото на 19 век Д. Далтън възражда атомната теория, опирайки се на основните закони на химията, известни по това време (постоянство на състава, множество съотношения и еквиваленти). Проведени са първите експерименти за изследване на структурата на материята. Въпреки направените открития (атомите на един и същи елемент имат еднакви свойства, а атомите на други елементи имат различни свойства, въведена е концепцията за атомна маса), атомът се счита за неделим.

След получаване на експериментални доказателства (края на 19 - началото на 20 век) за сложността на структурата на атома (фотоелектричен ефект, катодни и рентгенови лъчи, радиоактивност), беше установено, че атомът се състои от отрицателно и положително заредени частици, които взаимодействат с взаимно.

Тези открития дадоха тласък на създаването на първите модели на структурата на атома. Предложен е един от първите модели Дж. Томсън(1904) (фиг. 1): атомът се представя като „море от положително електричество“ с електрони, които осцилират в него.

След опити с α-частици, през 1911г. Ръдърфорд предложи т.нар планетарен моделатомна структура (фиг. 1), подобна на структурата на Слънчевата система. Според планетарния модел в центъра на атома има много малко ядро ​​със заряд Z e, чиито размери са приблизително 1 000 000 пъти по-малки от размерите на самия атом. Ядрото съдържа почти цялата маса на атома и има положителен заряд. Електроните се движат около ядрото по орбити, чийто брой се определя от заряда на ядрото. Външната траектория на движение на електрона определя външните размери на атома. Диаметърът на атома е 10 -8 cm, докато диаметърът на ядрото е много по-малък -10 -12 cm.

Ориз. 1 Модели на атомната структура според Томсън и Ръдърфорд

Експериментите за изучаване на атомните спектри показаха несъвършенството на планетарния модел на структурата на атома, тъй като този модел противоречи на линейната структура на атомните спектри. Въз основа на модела на Ръдърфорд, доктрината на Айнщайн за светлинните кванти и квантовата теория на Планк за радиацията Нилс Бор (1913)формулиран постулати, която се състои теория за структурата на атома(Фиг. 2): електронът може да се върти около ядрото не във всяка, а само в някои специфични орбити (стационарни), движейки се по такава орбита, той не излъчва електромагнитна енергия, радиация (поглъщане или излъчване на квант електромагнитна енергия ) възниква по време на преход (подобен на скок) на електрон от една орбита към друга.

Ориз. 2. Модел на структурата на атома по Н. Бор

Натрупаният експериментален материал, характеризиращ структурата на атома, показа, че свойствата на електроните, както и на други микрообекти, не могат да бъдат описани въз основа на понятията на класическата механика. Микрочастиците се подчиняват на законите на квантовата механика, които станаха основа за създаването модерен модел на структурата на атома.

Основните тези на квантовата механика:

- енергията се излъчва и поглъща от телата на отделни порции - кванти, следователно енергията на частиците се променя рязко;

- електроните и другите микрочастици имат двойнствена природа - проявяват свойствата както на частици, така и на вълни (дуалност вълна-частица);

— квантовата механика отрича наличието на определени орбити за микрочастиците (за движещите се електрони е невъзможно да се определи точната позиция, тъй като те се движат в пространството близо до ядрото, можете да определите само вероятността да намерите електрон в различни части на пространството).

Пространството в близост до ядрото, в което вероятността за намиране на електрон е доста висока (90%), се нарича орбитален.

Квантови числа. Принципът на Паули. Правилата на Клечковски

Състоянието на електрона в атома може да се опише с четири квантови числа.

н– основно квантово число. Характеризира общия енергиен резерв на електрона в атома и номера на енергийното ниво. n приема цели числа от 1 до ∞. Електронът има най-ниска енергия, когато n=1; с увеличаване на n – енергията. Състоянието на атома, когато неговите електрони са на такива енергийни нива, че общата им енергия е минимална, се нарича основно състояние. Състояния с по-високи стойности се наричат ​​възбудени. Енергийните нива са обозначени с арабски цифри според стойността на n. Електроните могат да бъдат подредени в седем нива, следователно n всъщност съществува от 1 до 7. Основното квантово число определя размера на електронния облак и определя средния радиус на електрона в атома.

л– орбитално квантово число. Характеризира енергийния резерв на електроните в поднивото и формата на орбиталата (Таблица 1). Приема цели числа от 0 до n-1. l зависи от n. Ако n=1, тогава l=0, което означава, че има 1-во подниво на 1-во ниво.

аз– магнитно квантово число. Характеризира ориентацията на орбиталата в пространството. Приема цели числа от –l до 0 до +l. Така, когато l=1 (p-орбитала), m e приема стойности -1, 0, 1 и ориентацията на орбиталата може да бъде различна (фиг. 3).

Ориз. 3. Една от възможните ориентации в пространството на p-орбиталата

с– спиново квантово число. Характеризира собственото въртене на електрона около неговата ос. Приема стойности -1/2(↓) и +1/2(). Два електрона в една и съща орбитала имат антипаралелни спинове.

Определя се състоянието на електроните в атомите принцип на Паули: един атом не може да има два електрона с еднакъв набор от всички квантови числа. Определя се последователността на запълване на орбиталите с електрони Прави Клечковски: орбиталите се запълват с електрони в нарастващ ред на сумата (n+l) за тези орбитали, ако сумата (n+l) е същата, тогава орбиталата с по-малката стойност на n се запълва първа.

Въпреки това, атомът обикновено съдържа не един, а няколко електрона и за да се вземе предвид тяхното взаимодействие помежду си, се използва концепцията за ефективен ядрен заряд - електрон във външното ниво е подложен на заряд, който е по-малък от заряда на ядрото, в резултат на което вътрешните електрони екранират външните.

Основни характеристики на атома: атомен радиус (ковалентен, метален, ван дер Ваалсов, йонен), електронен афинитет, йонизационен потенциал, магнитен момент.

Електронни формули на атоми

Всички електрони на един атом образуват неговата електронна обвивка. Изобразена е структурата на електронната обвивка електронна формула, което показва разпределението на електроните по енергийни нива и поднива. Броят на електроните в едно подниво се обозначава с число, което се записва в горния десен ъгъл на буквата, обозначаваща поднивото. Например водородният атом има един електрон, който се намира в s-поднивото на 1-во енергийно ниво: 1s 1. Електронната формула на хелий, съдържащ два електрона, се записва, както следва: 1s 2.

За елементите от втория период електроните запълват второто енергийно ниво, което може да съдържа не повече от 8 електрона. Първо, електроните запълват s-поднивото, след това p-поднивото. Например:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Връзка между електронната структура на атома и позицията на елемента в периодичната система

Електронната формула на даден елемент се определя от позицията му в периодичната таблица D.I. Менделеев. По този начин номерът на периода съответства на В елементи от втория период електроните запълват 2-ро енергийно ниво, което може да съдържа не повече от 8 електрона. Първо, електроните запълват В елементите от втория период електроните запълват 2-ро енергийно ниво, което може да съдържа не повече от 8 електрона. Първо, електроните запълват s-поднивото, след това p-поднивото. Например:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

В атомите на някои елементи се наблюдава явлението „скок“ на електрони от външното енергийно ниво към предпоследното. Изтичането на електрони възниква в атомите на медта, хрома, паладия и някои други елементи. Например:

24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1

енергийно ниво, което може да съдържа не повече от 8 електрона. Първо, електроните запълват s-поднивото, след това p-поднивото. Например:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Номерът на групата на елементите от главните подгрупи е равен на броя на електроните във външното енергийно ниво; такива електрони се наричат ​​валентни електрони (те участват в образуването на химическа връзка). Валентни електрони за елементи от странични подгрупи могат да бъдат електрони на външно енергийно ниво и d-подниво на предпоследно ниво. Броят на групата елементи от страничните подгрупи на групи III-VII, както и за Fe, Ru, Os, съответства на общия брой електрони в s-поднивото на външното енергийно ниво и d-поднивото на предпоследното ниво

Задачи:

Начертайте електронните формули на атомите на фосфор, рубидий и цирконий. Посочете валентните електрони.

Отговор:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Валентни електрони 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Валентни електрони 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Валентни електрони 4d 2 5s 2

АТОМ [фр. atome, от лат. atomus, от гръцки?τομος (ουσ?α) - неделим (същност)], частица от веществото, най-малката част от химичен елемент, която е носител на неговите свойства. Атомите на всеки елемент са индивидуални по структура и свойства и се обозначават с химичните символи на елементите (например водороден атом - H, желязо - Fe, живак - Hg, уран - U и др.). Атомите могат да съществуват както в свободно състояние, така и в свързано състояние (виж Химическа връзка). Цялото разнообразие от вещества се дължи на различни комбинации от атоми един с друг. Свойствата на газообразните, течните и твърдите вещества зависят от свойствата на съставните им атоми. Всички физични и химични свойства на атома се определят от неговата структура и се подчиняват на квантовите закони. (За историята на развитието на учението за атома вижте статията Атомна физика.)

Обща характеристика на структурата на атомите. Атомът се състои от тежко ядро ​​с положителен електрически заряд и леки електрони с отрицателни електрически заряди, които го заобикалят, образувайки електронните обвивки на атома. Размерите на атома се определят от размерите на неговата външна електронна обвивка и са големи в сравнение с размерите на атомното ядро. Характерните порядъци на диаметрите, площите на напречните сечения и обемите на атома и ядрото са:

Атом 10 -8 cm 10 -16 cm 2 10 -24 cm 3

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

Електронните обвивки на атома нямат строго определени граници и размерите на атома зависят в по-голяма или по-малка степен от методите за тяхното определяне.

Ядреният заряд е основната характеристика на атома, която определя принадлежността му към определен елемент. Зарядът на ядрото винаги е цяло число, кратно на положителния елементарен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на заряда на електрона -e. Зарядът на ядрото е +Ze, където Z е атомното число (атомен номер). Z= 1, 2, 3,... за атоми на последователни елементи в периодичната таблица на химичните елементи, тоест за атоми на H, He, Li, .... В неутрален атом ядро ​​със заряд + Ze държи Z електрони с общ заряд - Ze. Един атом може да загуби или да спечели електрони и да стане положителен или отрицателен йон (k = 1, 2, 3, ... - множествеността на неговата йонизация). Атомът на определен елемент често включва неговите йони. При писане йоните се отличават от неутрален атом чрез индекса k + и k -; например O е неутрален кислороден атом, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- са неговите положителни и отрицателни йони. Комбинацията от неутрален атом и йони на други елементи със същия брой електрони образува изоелектронна серия, например серия от водородоподобни атоми H, He +, Li 2+, Be 3+,....

Кратността на заряда на ядрото на атома към елементарния заряд e беше обяснена въз основа на идеи за структурата на ядрото: Z е равно на броя на протоните в ядрото, зарядът на протона е +e . Масата на атома нараства с увеличаване на Z. Масата на ядрото на атома е приблизително пропорционална на масовото число А - общия брой на протоните и неутроните в ядрото. Масата на електрона (0,91 x 10 -27 g) е значително по-малка (около 1840 пъти) от масата на протона или неутрона (1,67 x 10 -24 g), така че масата на атома се определя главно от масата на ядрото си.

Атомите на даден елемент могат да се различават по ядрена маса (броят на протоните Z е постоянен, броят на неутроните A-Z може да варира); Такива разновидности на атоми на един и същ елемент се наричат ​​изотопи. Разликата в масата на ядрото почти не влияе върху структурата на електронните обвивки на даден атом, която зависи от Z, и свойствата на атома. Най-големи разлики в свойствата (изотопни ефекти) се получават при изотопите на водорода (Z = 1) поради голямата разлика в масите на обикновения лек атом на водорода (A = 1), деутерия (A = 2) и трития (A = 3).

Масата на атома варира от 1,67 × 10 -24 g (за основния изотоп, водороден атом, Z = 1, A = 1) до приблизително 4 × 10 -22 g (за атоми на трансуранови елементи). Най-точните стойности на атомните маси могат да бъдат определени чрез методите на масовата спектроскопия. Масата на атома не е точно равна на сумата от масата на ядрото и масите на електроните, но малко по-малко - от масовия дефект ΔM = W/c 2, където W е енергията на образуване на атом от ядрото и електроните (енергия на свързване), c е скоростта на светлината. Тази корекция е от порядъка на масата на електрона m e за тежките атоми, а за леките атоми е незначителна (около 10 -4 m e).

Атомна енергия и нейното квантуване. Поради малкия си размер и голяма маса, атомното ядро ​​може приблизително да се счита за точково и в покой в ​​центъра на масата на атома (общият център на масата на ядрото и електроните е разположен близо до ядрото, а скоростта на движение на ядрото спрямо центъра на масата на атома е малка в сравнение със скоростта на движение на електроните). Съответно атомът може да се разглежда като система, в която N електрони със заряди e се движат около стационарен привличащ център. Движението на електрони в атома се извършва в ограничен обем, тоест е свързано. Общата вътрешна енергия на атома E е равна на сумата от кинетичните енергии T на всички електрони и потенциалната енергия U - енергията на тяхното привличане от ядрото и отблъскване един от друг.

Според теорията на атома, предложена през 1913 г. от Нилс Бор, във водороден атом един електрон със заряд -e се движи около неподвижен център със заряд +e. В съответствие с класическата механика кинетичната енергия на такъв електрон е равна на

където v е скоростта, p = m e v е импулсът (импулсът) на електрона. Потенциалната енергия (редуцирана до енергията на кулоновото привличане на електрон от ядрото) е равна на

и зависи само от разстоянието r на електрона от ядрото. Графично функцията U(r) е представена чрез крива, която намалява неограничено с намаляване на r, т.е., когато електронът се приближава до ядрото. Стойността на U(r) при r→∞ се приема за нула. При отрицателни стойности на общата енергия 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 движението на електрона е свободно - той може да отиде до безкрайност с енергия E = T = (1/2)m e v 2, което съответства на йонизирания водороден атом H +. По този начин неутрален водороден атом е система от електростатично свързано ядро ​​и електрон с енергия E< 0.

Общата вътрешна енергия на атом Е е неговата основна характеристика като квантова система (вижте Квантова механика). Атомът може да остане дълго време само в състояния с определена енергия - стационарни (непроменливи във времето) състояния. Вътрешната енергия на квантова система, състояща се от свързани микрочастици (включително атом), може да приеме една от дискретни (прекъснати) серии от стойности

Всяка от тези „разрешени“ енергийни стойности съответства на едно или повече стационарни квантови състояния. Системата не може да има междинни енергийни стойности (например тези, които се намират между E 1 и E 2, E 2 и E 3 и т.н.); за такава система се казва, че има квантована енергия. Всяка промяна в E е свързана с квантов (скок) преход на системата от едно стационарно квантово състояние в друго (виж по-долу).

Възможните дискретни стойности (3) на енергията на атома могат да бъдат графично изобразени по аналогия с потенциалната енергия на тяло, повдигнато на различни височини (на различни нива), под формата на диаграма на енергийните нива, където всяка енергия стойност съответства на права линия, начертана на височина E i, i= 1, 2, 3, ... (фиг. 1). Най-ниското ниво E 1, съответстващо на възможно най-ниската енергия на атома, се нарича основно ниво, а всички останали (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) се наричат ​​възбудени, защото за прехода към тях (преход към съответните стационарни възбудени състояния от земята) е необходимо системата да се възбуди - да й се предаде енергията E i -E 1 отвън.

Квантуването на атомната енергия е следствие от вълновите свойства на електроните. Съгласно принципа на двойствеността вълна-частица, движението на микрочастица с маса m със скорост v съответства на дължина на вълната λ = h/mv, където h е константата на Планк. За електрон в атом λ е от порядъка на 10 -8 cm, т.е. от порядъка на линейните размери на атома и е необходимо да се вземат предвид вълновите свойства на електрона в атома. Свързаното движение на електрон в атом е подобно на стояща вълна и трябва да се разглежда не като движение на материална точка по траектория, а като сложен вълнов процес. За стояща вълна в ограничен обем са възможни само определени стойности на дължината на вълната λ (и, следователно, честотата на трептене v). Според квантовата механика енергията на един атом E е свързана с v чрез връзката E = hν и следователно може да приема само определени стойности. Свободното транслационно движение на микрочастица, неограничено в пространството, например движението на електрон, отделен от атом (с енергия E> 0), е подобно на разпространението на пътуваща вълна в неограничен обем, за който всеки възможни са стойности на λ (и v). Енергията на такава свободна микрочастица може да приеме всякаква стойност (тя не е квантована, има непрекъснат енергиен спектър). Тази непрекъсната последователност съответства на йонизиран атом. Стойността E ∞ = 0 съответства на йонизационната граница; разликата E ∞ -E 1 = E йон се нарича йонизационна енергия (виж статията Йонизационен потенциал); за водороден атом е 13,6 eV.

Разпределение на електронната плътност. Точната позиция на електрон в атом в даден момент не може да бъде определена поради несигурност във връзката. Състоянието на електрона в атома се определя от неговата вълнова функция, която по определен начин зависи от неговите координати; Квадратът на модула на вълновата функция характеризира плътността на вероятността за намиране на електрон в дадена точка в пространството. Вълновата функция е изрично решението на уравнението на Шрьодингер.

По този начин състоянието на електрона в атома може да се характеризира с разпределението на неговия електрически заряд в пространството с определена плътност - разпределението на електронната плътност. Електроните са, така да се каже, „размазани“ в пространството и образуват „електронен облак“. Този модел характеризира електроните в атома по-правилно от модела на точков електрон, движещ се по строго определени орбити (в атомната теория на Бор). В същото време всяка такава орбита на Бор може да бъде свързана със специфично разпределение на електронната плътност. За основно енергийно ниво E 1, електронната плътност е концентрирана близо до ядрото; за възбудени енергийни нива E 2, E 3, E 4 ... тя се разпределя на все по-големи средни разстояния от ядрото. В многоелектронен атом електроните са групирани в обвивки, които обграждат ядрото на различни разстояния и се характеризират с определени разпределения на електронната плътност. Силата на връзката между електроните и ядрото във външните обвивки е по-малка, отколкото във вътрешните обвивки, а най-слабите електрони са свързани в най-външната обвивка, която има най-големи размери.

Отчитане на спина на електрона и спина на ядрото. В теорията на атома е много важно да се вземе предвид спинът на електрона - неговият собствен (спин) ъглов момент, който от визуална гледна точка съответства на въртенето на електрона около собствената му ос ( ако електронът се разглежда като частица с малък размер). Спинът на електрона е свързан със сто присъщ (спин) магнитен момент. Следователно в атома е необходимо да се вземат предвид, наред с електростатичните взаимодействия, магнитните взаимодействия, определени от спиновия магнитен момент и орбиталния магнитен момент, свързан с движението на електрона около ядрото; магнитните взаимодействия са малки в сравнение с електростатичните. Най-значимото влияние на спина е в многоелектронните атоми: запълването на електронните обвивки на атома с определен брой електрони зависи от спина на електроните.

Ядрото в атома може да има и свой механичен момент - ядрен спин, който е свързан с ядрен магнитен момент, който е стотици и хиляди пъти по-малък от електронния. Съществуването на спинове води до допълнителни, много малки взаимодействия между ядрото и електроните (виж по-долу).

Квантови състояния на водородния атом. Най-важната роля в квантовата теория на атома играе теорията за най-простия едноелектронен атом, състоящ се от ядро ​​със заряд + Ze и електрон със заряд -e, тоест теорията на водородния атом H и водородоподобни йони He +, Li 2+, Be 3+,..., обикновено наричани теория на водородния атом. С помощта на методите на квантовата механика е възможно да се получи точна и пълна характеристика на състоянията на електрона в едноелектронен атом. Проблемът с многоелектронния атом може да бъде решен само приблизително; в този случай те изхождат от резултатите от решаването на проблема с едноелектронен атом.

Енергията на едноелектронен атом в нерелативистично приближение (без да се взема предвид спинът на електрона) е равна на

цялото число n = 1, 2, 3, ... определя възможните дискретни енергийни стойности - енергийни нива - и се нарича главно квантово число, R е константата на Ридберг, равна на 13,6 eV. Енергийните нива на атома се сближават (кондензират) към йонизационната граница E ∞ = 0, съответстваща на n = ∞. За водородоподобни йони се променя само скалата на енергийните стойности (Z 2 пъти). Енергията на йонизация на подобен на водород атом (енергия на свързване на електрони) е (в eV)

което дава за H, He +, Li 2+, ... стойности 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ....

Основната формула (4) съответства на израза U(r) = -Ze 2 /r за потенциалната енергия на електрон в електричното поле на ядро ​​със заряд +Ze. Тази формула е получена за първи път от Н. Бор чрез разглеждане на движението на електрон около ядро ​​в кръгова орбита с радиус r и е точно решение на уравнението на Шрьодингер за такава система. Енергийните нива (4) съответстват на орбитите с радиус

където константата a 0 = 0,529·10 -8 cm = = 0,529 A е радиусът на първата кръгова орбита на водородния атом, съответстваща на неговото основно ниво (този радиус на Бор често се използва като удобна единица за измерване на дължини в атомната физика ). Радиусът на орбитите е пропорционален на квадрата на главното квантово число n 2 и обратно пропорционален на Z; за водородоподобни йони линейната скала на размера намалява с фактор Z в сравнение с водородния атом. Релативистично описание на водородния атом, като се вземе предвид спинът на електрона, се дава от уравнението на Дирак.

Според квантовата механика състоянието на водородния атом се определя напълно от дискретните стойности на четири физически величини: енергия E; орбитален импулс M l (импулс на електрона спрямо ядрото); проекции M lz на орбиталния импулс върху произволно избрана посока z; проекции M sz на спиновия момент (собствен ъглов момент на електрона M s). Възможните стойности на тези физически величини от своя страна се определят съответно от квантовите числа n, l, m l, m s. В приближението, когато енергията на водороден атом е описана с формула (4), тя се определя само от главното квантово число n, което приема целите стойности 1, 2, 3, .... Едно енергийно ниво с дадено n съответства на няколко състояния, които се различават по стойностите на орбиталното (азимутално) квантово число l = 0, 1, ..., n-1. Състоянията с дадени стойности на n и l обикновено се означават като 1s, 2s, 2р, 3s, ..., където цифрите показват стойността на n, а буквите s, р, d, f (по-нататък на латиница азбука) - съответно стойностите l = 0, 1, 2, 3. За дадени n и l броят на различните състояния е равен на 2(2l + 1) - броят на комбинациите от стойности на магнитно орбитално квантово число m l магнитно спиново число m s (първото приема 2l + 1 стойности, второто - 2 стойности). Общият брой различни състояния с дадени n и l е равен на 2n 2. Така всяко енергийно ниво на водородния атом съответства на 2,8, 18,...2n 2 (с n = 1, 2, 3, ...) различни стационарни квантови състояния. Ако само едно квантово състояние съответства на енергийно ниво, тогава то се нарича неизродено, ако две или повече - изродено (виж Израждане в квантовата теория), а броят на такива състояния g се нарича степен или кратност на израждането (за неизродени енергийни нива g = 1). Енергийните нива на водородния атом са изродени, а степента им на изроденост g n = 2n 2 .

За различните състояния на водородния атом се получават различни разпределения на електронната плътност. Зависи от квантовите числа n, l и В този случай електронната плътност за s-състояния (l=0) е различна от нула в центъра, т.е. на мястото на ядрото, и не зависи от посоката ( сферично симетричен), а за останалите състояния (l>0) е равен на нула в центъра и зависи от посоката. Разпределението на електронната плътност за състояния на водородния атом с n = 1, 2, 3 е показано на фигура 2; размерите на „електронния облак“ нарастват в съответствие с формула (6) пропорционално на n2 (мащабът на фигура 2 намалява при преминаване от n = 1 към n = 2 и от n = 2 към n = 3). Квантовите състояния на електрона във водородоподобните йони се характеризират със същите четири квантови числа n, l, m l и m s, както във водородния атом. Разпределението на електронната плътност също се запазва, само че се увеличава с Z пъти.

Действие на външни полета върху атом. Атомът като електрическа система във външни електрически и магнитни полета придобива допълнителна енергия. Електрическото поле поляризира атома - измества електронните облаци спрямо ядрото (виж Поляризуемост на атоми, йони и молекули), а магнитното поле ориентира по определен начин магнитния момент на атома, свързан с движението на електрона около ядрото (с орбитален импулс M l) и неговият спин. Различните състояния на водороден атом със същата енергия E n във външно поле съответстват на различни стойности на допълнителна енергия ΔE, а дегенерираното енергийно ниво E n се разделя на няколко поднива. Както разделянето на енергийните нива в електрическо поле – ефектът на Старк – така и тяхното разделяне в магнитно поле – ефектът на Зееман – са пропорционални на силите на съответните полета.

Малките магнитни взаимодействия вътре в атома също водят до разделяне на енергийните нива. За водородния атом и водородоподобните йони съществува спин-орбитално взаимодействие - взаимодействие на спиновите и орбиталните моменти на електрона; той определя т. нар. фина структура на енергийните нива - разцепването на възбудените нива E n (при n>1) на поднива. За всички енергийни нива на водородния атом се наблюдава и свръхфина структура, причинена от много малки магнитни взаимодействия на ядрения спин с електронни моменти.

Електронни обвивки на многоелектронни атоми. Теорията за атом, съдържащ 2 или повече електрона, е фундаментално различна от теорията за водороден атом, тъй като в такъв атом има идентични частици, взаимодействащи помежду си - електрони. Взаимното отблъскване на електрони в многоелектронен атом значително намалява силата на връзката им с ядрото. Например, енергията на отстраняване на един електрон в хелиев йон (He +) е 54,4 eV, докато в неутрален атом на хелий, в резултат на отблъскването на електрони, енергията на отстраняване на един от тях намалява до 24,6 eV. eV. За външните електрони на по-тежките атоми намаляването на силата на връзката им поради отблъскване от вътрешните електрони е още по-значимо. Важна роля в многоелектронните атоми играят свойствата на електроните като идентични микрочастици (виж Принцип на идентичността) със спин s = 1/2, за които е валиден принципът на Паули. Съгласно този принцип в система от електрони не може да има повече от един електрон във всяко квантово състояние, което води до образуването на електронни обвивки на атома, изпълнени със строго определен брой електрони.

Като се има предвид неразличимостта на електроните, взаимодействащи един с друг, има смисъл да се говори само за квантовите състояния на атома като цяло. Въпреки това е възможно приблизително да се разгледат квантовите състояния на отделните електрони и да се характеризира всеки от тях чрез набор от квантови числа n, l, m l и m s, подобно на електрон във водороден атом. В този случай енергията на електрона се оказва зависима не само от n, както при водородния атом, но и от l; все още не зависи от m l и m s. Електроните с дадени n и l в многоелектронен атом имат еднаква енергия и образуват специфична електронна обвивка. Такива еквивалентни електрони и обвивките, образувани от тях, се означават, подобно на квантовите състояния и енергийните нива с дадени n и l, със символите ns, nр, nd, nf, ... (за 1 = 0, 1, 2,3, ...) и те говорят за 2p електрони, 3s-o6 обвивки и т.н.

Съгласно принципа на Паули всеки 2 електрона в атом трябва да бъдат в различни квантови състояния и следователно да се различават в поне едно от четирите квантови числа n, l, m l и m s, а за еквивалентни електрони (n ​​и l са еднакви) - в стойностите на m l и m s . Броят на двойките m l, m s, т.е. броят на различните квантови състояния на електрона с дадени n и l, е степента на израждане на неговото енергийно ниво g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, .... Той определя броя на електроните в напълно запълнени електронни обвивки. По този начин s-, p-, d-, f-, ... черупките са запълнени с 2, 6, 10, 14, ... електрони, независимо от стойността на n. Електроните с дадено n образуват слой, състоящ се от обвивки с l = 0, 1, 2, ..., n - 1 и запълнени с 2n 2 електрона, така наречения K-, L-, M, N-слой. При пълно запълване имаме:

Във всеки слой обвивките с по-малко l се характеризират с по-висока електронна плътност. Силата на връзката между електрона и ядрото намалява с увеличаване на n, а за дадено n, с увеличаване на l. Колкото по-слабо е свързан електронът в съответната обвивка, толкова по-високо е енергийното му ниво. Ядро с даден Z прикрепя електрони в реда на намаляване на силата на тяхната връзка: първо два 1s електрона, след това два 2s електрона, шест 2p електрона и т.н. Атомът на всеки химичен елемент има определено разпределение на електрони в обвивките - неговата електронна конфигурация, например:

(броят на електроните в дадена обвивка се обозначава с индекса горе вдясно). Периодичността в свойствата на елементите се определя от сходството на външните електронни обвивки на атома. Например, всеки от неутралните атоми P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) има три p-електрона във външната електронна обвивка, подобно на N атома, и са подобни на него по химични и много физически Имоти.

Всеки атом се характеризира с нормална електронна конфигурация, която възниква, когато всички електрони в атома са най-здраво свързани, и възбудени електронни конфигурации, когато един или повече електрони са по-свободно свързани - открити на по-високи енергийни нива. Например за атом на хелий, наред с нормалния 1s2, са възможни възбудени електронни конфигурации: 1s2s, 1s2p, ... (един електрон е възбуден), 2s 2, 2s2p, ... (и двата електрона са възбудени). Определена електронна конфигурация съответства на едно енергийно ниво на атома като цяло, ако електронните обвивки са напълно запълнени (например нормалната конфигурация на атом Ne 1s 2 2s 2 2р 6), и редица енергийни нива, ако има са частично запълнени обвивки (например нормалната конфигурация на азотния атом 1s 2 2s 2 2р 3, за който обвивката 2р е наполовина запълнена). При наличието на частично запълнени d- и f-обвивки броят на енергийните нива, съответстващи на всяка конфигурация, може да достигне много стотици, така че схемата на енергийните нива на атом с частично запълнени обвивки се оказва много сложна. Нивото на основната енергия на атома е най-ниското ниво на нормална електронна конфигурация.

Квантови преходи в атома. По време на квантовите преходи атомът преминава от едно стационарно състояние в друго – от едно енергийно ниво на друго. При преход от по-високо енергийно ниво E i към по-ниско енергийно ниво E k атомът отдава енергия E i - E k, а при обратния преход я получава. Както за всяка квантова система, за атома квантовите преходи могат да бъдат два вида: с излъчване (оптични преходи) и без излъчване (нерадиационни или неоптични преходи). Най-важната характеристика на квантовия преход е неговата вероятност, която определя колко често може да се случи този преход.

При квантови преходи с радиация атомът абсорбира (преход E k → E i) или излъчва (преход E i → E k) електромагнитно излъчване. Електромагнитната енергия се абсорбира и излъчва от атом под формата на светлинен квант - фотон - характеризиращ се с определена честота на трептене v, съгласно връзката:

където hv е енергията на фотона. Връзката (7) представлява закона за запазване на енергията за микроскопични процеси, свързани с радиация.

Атом в основно състояние може да абсорбира само фотони, но във възбудени състояния може както да ги абсорбира, така и да ги излъчва. Свободен атом в основно състояние може да съществува неограничено време. Продължителността на престоя на атома във възбудено състояние (времето на живот на това състояние) е ограничена спонтанно (спонтанно), частично или напълно губи енергията си на възбуждане, излъчвайки фотон и преминавайки към по-ниско енергийно ниво; Наред с такова спонтанно излъчване е възможно и стимулирано излъчване, което се случва, подобно на абсорбцията, под въздействието на фотони със същата честота. Колкото по-голяма е вероятността за спонтанен преход, толкова по-кратък е животът на един водороден атом около 10 -8 s.

Наборът от честоти v на възможните преходи с лъчение определя атомния спектър на съответния атом: наборът от честоти на преходите от долни към горни нива е неговият спектър на поглъщане, наборът от честоти на преходите от горни към долни нива е спектърът на излъчване . Всеки такъв преход в атомния спектър съответства на определена спектрална линия с честота v.

При нерадиационни квантови преходи атомът получава или губи енергия, когато взаимодейства с други частици, с които се сблъсква в газ или е свързан за дълго време в молекула, течност или твърдо вещество. В газ атомът може да се счита за свободен през интервалите от време между сблъсъци; По време на сблъсък (удар) атомът може да се премести на по-ниско или по-високо енергийно ниво. Такъв сблъсък се нарича нееластичен (за разлика от еластичния сблъсък, при който се променя само кинетичната енергия на постъпателното движение на атома, а вътрешната му енергия остава непроменена). Важен специален случай е сблъсъкът на свободен атом с електрон; Обикновено електронът се движи по-бързо от атома, времето за сблъсък е много кратко и можем да говорим за електронен удар. Възбуждането на атом чрез електронен удар е един от методите за определяне на неговите енергийни нива.

Химични и физични свойства на атома. Повечето от свойствата на атома се определят от структурата и характеристиките на външните му електронни обвивки, в които електроните са свързани с ядрото относително слабо (енергии на свързване от няколко eV до няколко десетки eV). Структурата на вътрешните обвивки на атома, чиито електрони са свързани много по-здраво (енергии на свързване от стотици, хиляди и десетки хиляди eV), се появява само когато атомът взаимодейства с бързи частици и високоенергийни фотони (повече от стотици eV). Такива взаимодействия определят рентгеновите спектри на атома и разсейването на бързите частици (виж Дифракция на частици). Масата на атома определя неговите механични свойства по време на движението на атома като цяло - импулс, кинетична енергия. Различни резонансни и други физични свойства на атома зависят от механичните и свързаните с него магнитни и електрически моменти (виж Електронен парамагнитен резонанс, Ядрен магнитен резонанс, Ядрен квадруполен резонанс).

Електроните във външните обвивки на атома лесно се влияят от външни влияния. Когато атомите се съберат, възникват силни електростатични взаимодействия, които могат да доведат до образуването на химична връзка. По-слабите електростатични взаимодействия на два атома се проявяват в тяхната взаимна поляризация - изместването на електроните спрямо ядрата, което е най-силно за слабо свързаните външни електрони. Между атомите възникват поляризационни сили на привличане, които трябва да се вземат предвид дори при големи разстояния между тях. Поляризацията на атомите също възниква във външни електрически полета; В резултат на това енергийните нива на атома се изместват и, най-важното, изродените енергийни нива се разделят (ефект на Старк). Поляризацията на атом може да възникне под въздействието на електрическото поле на светлинна (електромагнитна) вълна; зависи от честотата на светлината, което определя зависимостта от нея и индекса на пречупване (виж Дисперсия на светлината), свързан с поляризуемостта на атома. Тясната връзка между оптичните характеристики на атома и неговите електрически свойства се проявява особено ясно в неговите оптични спектри.

Магнитните свойства на атомите се определят главно от структурата на техните електронни обвивки. Магнитният момент на атома зависи от неговия механичен момент (виж Магнито-механично съотношение); в атом с напълно запълнени електронни обвивки той е нула, също като механичния момент. Атомите с частично запълнени външни електронни обвивки обикновено имат ненулеви магнитни моменти и са парамагнитни. Във външно магнитно поле всички нива на атоми, чийто магнитен момент не е равен на нула, се разделят - възниква ефектът на Зееман. Всички атоми имат диамагнетизъм, който се дължи на появата на магнитен момент в тях под въздействието на външно магнитно поле (т.нар. индуциран магнитен момент, подобен на електрическия диполен момент на атома).

С последователната йонизация на атома, тоест с отстраняването на неговите електрони, като се започне от най-външните по реда на увеличаване на силата на връзката им, всички свойства на атома, определени от неговата външна обвивка, се променят съответно. Все повече и по-здраво свързани електрони стават външни; в резултат на това способността на атома да се поляризира в електрическо поле значително намалява, разстоянията между енергийните нива и честотите на оптичните преходи между тези нива се увеличават (което води до изместване на спектрите към все по-къси дължини на вълните). Редица свойства показват периодичност: свойствата на йони с подобни външни електрони са сходни; например N 3+ (два 2s електрона) показва сходство с N 5+ (два 1s електрона). Това се отнася за характеристиките и относителните позиции на енергийните нива и за оптичните спектри, за магнитните моменти на атома и т.н. Най-драматичната промяна в свойствата настъпва, когато последният електрон бъде отстранен от външната обвивка, когато остават само напълно запълнени обвивки, например при преминаване от N 4+ към N 5+ (електронни конфигурации 1s 2 2s и 1s 2). В този случай йонът е най-стабилен и неговите пълни механични и пълни магнитни моменти са равни на нула.

Свойствата на атома в свързано състояние (например част от молекула) се различават от свойствата на свободния атом. Свойствата на един атом претърпяват най-големи промени, определени от най-външните електрони, които участват в прикрепването на даден атом към друг. В същото време свойствата, определени от електроните на вътрешните обвивки, могат да останат практически непроменени, какъвто е случаят с рентгеновите спектри. Някои свойства на атома могат да претърпят относително малки промени, от които може да се получи информация за природата на взаимодействията на свързаните атоми. Важен пример е разделянето на атомните енергийни нива в кристали и сложни съединения, което се случва под въздействието на електрически полета, създадени от околните йони.

Експерименталните методи за изследване на структурата на атома, неговите енергийни нива, взаимодействието му с други атоми, елементарни частици, молекули, външни полета и т.н. са разнообразни, но основната информация се съдържа в неговите спектри. Методите на атомна спектроскопия във всички диапазони на дължини на вълните, и по-специално съвременните методи на лазерна спектроскопия, правят възможно изследването на все по-фини ефекти, свързани с атома. От началото на 19 век съществуването на атома е очевидно за учените, но експеримент за доказване на реалността на съществуването му е извършен от J. Perrin в началото на 20 век. С развитието на микроскопията стана възможно да се получат изображения на атоми върху повърхността на твърдите тела. Атомът е видян за първи път от Е. Мюлер (САЩ, 1955 г.) с помощта на изобретения от него полев йонен микроскоп. Съвременните атомно-силови и тунелни микроскопи правят възможно получаването на изображения на твърди повърхности с добра разделителна способност на атомно ниво (виж Фигура 3).

Ориз. 3. Изображение на атомната структура на силициевата повърхност, получено от професора от Оксфордския университет М. Капстел с помощта на сканиращ тунелен микроскоп.

Така наречените екзотични атоми съществуват и се използват широко в различни изследвания, например мюонни атоми, т.е. атоми, в които всички или част от електроните са заменени с отрицателни мюони, мюоний, позитроний, както и адронни атоми, състоящи се от заредени пиони, каони , протони, дейтрони и др. Направени са и първите наблюдения на антиводороден атом (2002) - атом, състоящ се от позитрон и антипротон.

Лит.: Роден М. Атомна физика. 3-то изд. М., 1970; Фано У., Фано Л. Физика на атомите и молекулите. М., 1980; Шполски Е.В. Атомна физика. 7-мо изд. М., 1984. Т. 1-2; Еляшевич М. А. Атомна и молекулярна спектроскопия. 2-ро изд. М., 2000.