Mis on aatomi läbimõõt? Mis on aatomi suurus ja mass. Maailm on ilus

Uurides alfaosakese läbimist läbi õhukese kuldfooliumi (vt punkt 6.2), jõudis E. Rutherford järeldusele, et aatom koosneb raskest positiivselt laetud tuumast ja seda ümbritsevatest elektronidest.

Tuum nimetatakse aatomi keskosaks,milles on koondunud peaaegu kogu aatomi mass ja selle positiivne laeng.

IN aatomituuma koostis sisaldab elementaarosakesi : prootonid Ja neutronid (nukleonid ladinakeelsest sõnast tuum- tuum). Sellise tuuma prooton-neutronmudeli pakkus välja Nõukogude füüsik 1932. aastal D.D. Ivanenko. Prootonil on positiivne laeng e + = 1,06 10 –19 C ja puhkemass m p= 1,673·10–27 kg = 1836 m e. Neutron ( n) – puhkemassiga neutraalne osake m n= 1,675·10–27 kg = 1839 m e(kus on elektroni mass m e, võrdne 0,91·10–31 kg). Joonisel fig. Joonisel 9.1 on kujutatud heeliumi aatomi ehitus vastavalt 20. sajandi lõpu - 21. sajandi alguse ideedele.

Põhilaeng võrdub Ze, Kus e- prootonilaeng, Z- tasu number, võrdne seerianumber keemiline element Mendelejevi elementide perioodilises tabelis, s.o. prootonite arv tuumas. Tähistatud on neutronite arv tuumas N. Tavaliselt Z > N.

Praegu tuntud tuumad koos Z= 1 kuni Z = 107 – 118.

Nukleonite arv tuumas A = Z + N helistas massiarv . Südamikud samaga Z, kuid erinev A kutsutakse isotoobid. Südamikud, et samaga A on erinevad Z, kutsutakse isobaarid.

Tuum on tähistatud sama sümboliga nagu neutraalne aatom, kus X– keemilise elemendi sümbol. Näiteks: vesinik Z= 1-l on kolm isotoopi: – protium ( Z = 1, N= 0), – deuteerium ( Z = 1, N= 1), – triitium ( Z = 1, N= 2), tinas on 10 isotoopi jne. Valdav enamus on ühe keemilise elemendi isotoopidel samad keemilised ja sarnased füüsikalised omadused. Kokku on teada umbes 300 stabiilset isotoopi ning enam kui 2000 looduslikku ja kunstlikult saadud isotoopi. radioaktiivsed isotoobid.

Tuuma suurust iseloomustab tuuma raadius, millel on tuuma piiri hägustumise tõttu kokkuleppeline tähendus. Isegi E. Rutherford näitas oma katseid analüüsides, et tuuma suurus on ligikaudu 10–15 m (aatomi suurus on 10–10 m). Südamiku raadiuse arvutamiseks on olemas empiiriline valem:

Kus R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m. See näitab, et tuuma ruumala on võrdeline nukleonide arvuga.

Tuumaaine tihedus on suurusjärgus 10 17 kg/m 3 ja on kõigi tuumade puhul konstantne. See ületab oluliselt kõige tihedamate tavaliste ainete tihedust.

Prootonid ja neutronid on fermionid, sest keerutada ħ /2.

Aatomi tuumal on sisemine nurkimpulss – tuuma spin :

,

(9.1.2)

Kus I – sisemine(täielik)spin-kvantarv.

Number I aktsepteerib täis- või pooltäisarvu väärtusi 0, 1/2, 1, 3/2, 2 jne. Südamikud koos isegi A on täisarvu spin(ühikutes ħ ) ja järgige statistikat Bose–Einstein(bosonid). Südamikud koos kummaline A on pooltäisarvu spin(ühikutes ħ ) ja järgige statistikat Fermi–Dirac(need. tuumad - fermionid).

Tuumaosakestel on oma magnetmomendid, mis määravad tuuma kui terviku magnetmomendi. Tuumade magnetmomentide mõõtühik on tuumamagneton μ mürki:

Siin e- elektroni laengu absoluutväärtus, m p- prootoni mass.

Tuumamagneton sisse m p/m e= 1836,5 korda vähem kui Bohri magneton, järeldub sellest aatomi magnetilised omadused on määratud tema elektronide magnetiliste omadustega .

Tuuma spinni ja selle magnetmomendi vahel on seos:

kus γ mürk – tuuma güromagnetiline suhe.

Neutronil on negatiivne magnetmoment μ n≈ – 1,913 μ mürki, kuna neutroni spinni suund ja selle magnetmoment on vastupidised. Prootoni magnetmoment on positiivne ja võrdne μ-ga R≈ 2,793 μ mürki. Selle suund langeb kokku prootoni spinni suunaga.

Prootonite elektrilaengu jaotus tuumas on üldiselt asümmeetriline. Selle jaotuse sfääriliselt sümmeetrilisest hälbe mõõt on tuuma kvadrupoolne elektrimoment K. Kui eeldada, et laengutihedus on kõikjal ühesugune, siis K määrab ainult tuuma kuju. Niisiis, revolutsiooni ellipsoidi jaoks

,

(9.1.5)

Kus b– ellipsoidi pooltelg mööda pöörlemissuunda, A– pooltelg ristisuunas. Pöörlemissuunas pikliku tuuma korral b > A Ja K> 0. Selles suunas lamestatud südamiku korral b < a Ja K < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a Ja K= 0. See kehtib tuumade kohta, mille spinn on 0 või ħ /2.

Demode vaatamiseks klõpsake vastaval hüperlingil:

ATOM, aine väikseim osake, mis võib osaleda keemilistes reaktsioonides. Igal ainel on ainulaadne aatomite komplekt. Kunagi arvati, et aatom on jagamatu, kuid see koosneb positiivselt laetud TUUMAST, mille ümber pöörlevad negatiivselt laetud elektronid. Tuum (mille olemasolu tuvastas 1911. aastal Ernst RUTHERFORD) koosneb tihedalt pakitud prootonitest ja neutronitest. See hõivab vaid väikese osa aatomi sees olevast ruumist, kuid moodustab peaaegu kogu aatomi massi. 1913. aastal tegi Niels BOR ettepaneku, et elektronid liiguksid fikseeritud orbiitidel. Sellest ajast alates on KVANTMEHAANIKA alased uuringud viinud orbiitidest uue arusaamiseni: Heisenbergi MÄÄRAMUSE PÕHIMÕTTE kohaselt ei saa subatomilise osakese täpset asukohta ja MOMENTUMI üheaegselt teada. Elektronide arv aatomis ja nende paigutus määravad elemendi keemilised omadused. Ühe või mitme elektroni lisamisel või äravõtmisel tekib ioon.

Aatomi mass sõltub tuuma suurusest. See moodustab suurima osa aatomi massist, kuna elektronid ei kaalu midagi. Näiteks uraani aatom on raskeim looduses leiduv aatom, milles on 146 neutronit, 92 prootonit ja 92 elektroni. Teisest küljest on kõige kergem aatom vesinikuaatom, millel on 1 prooton ja elektron. Kuigi uraani aatom on vesinikuaatomist 230 korda raskem, on see siiski vaid kolm korda suurem. Aatomi massi väljendatakse aatommassi ühikutes ja tähistatakse kui u. Aatomid koosnevad veelgi väiksematest osakestest, mida nimetatakse subatomaarseteks (elementaarosakesteks). Peamised neist on prootonid (positiivselt laetud), neutronid (elektriliselt neutraalsed) ja elektronid (negatiivselt laetud) Elektronide ja neutronite klastrid moodustavad kõigi aatomite (v.a vesinik, millel on ainult üks prooton) keskmes tuuma. "Elektronid" keerleb ringi! tuumad sellest mingil kaugusel, mis on vastavuses aatomi mõõtmetega. | (Kui näiteks heeliumi aatomi tuum oleks tennisepalli suurune, siis elektronid oleksid sellest 6 km kaugusel. Aatomeid on 112 erinevat tüüpi, perioodilisustabelis on sama arv elemente Elementide aatomid erinevad aatomarvu ja aatommassi poolest AATOMTUUM Aatomi mass on tuletatud peamiselt suhteliselt tihedast tuumast I (rootonitel ja neutronitel on mass on ligikaudu 1K4() korda suurem kui elektronidel. Kuna jooksud on positiivse laenguga ja neutronid neutraalsed, on aatomi tuum alati positiivselt laetud. 11Kuna vastandlaengud tõmbavad üksteist ligi, hoiab tuum elektrone oma orbiidil. Progoonid ja neutronid koosnevad veelgi väiksematest osakestest, kvarkidest.ELEKTRONID määrab oma keemilise gnonstia H oshichis Päikesesüsteemi planeetidelt, nemropid tiirlevad ümber tuuma juhuslikult, oiMiiMi ega tuumast kindlal kaugusel, vorm-IVH "umbesSyulochki". Mida rohkem energiat on elek-iponil. li"M edasi saab see eemalduda, ületades positiivselt laetud tuuma külgetõmbe. Neutraalses aatomis tasakaalustab elektronide positiivne laeng tuuma prootonite positiivset laengut. 11 Seetõttu ühe elektroni eemaldamine või lisamine. agoomis viib laetud iooni ilmumiseni Elektronkestad paiknevad tuumast kindlal kaugusel, olenevalt nende energiatasemest.Iga kest on nummerdatud alustades tuumast.Agoomas ei ole rohkem kui seitse kesta. ja igaüks neist võib sisaldada ainult teatud arvu elektrone. Kui energiat on piisavalt, võib elektron hüpata ühelt kestult teisele, kõrgemale. Kui see tabab uuesti alumist kesta, kiirgab see footoni kujul kiirgust. Elektron kuulub osakeste klassi, mida nimetatakse leptoniteks, ja selle antiosakest nimetatakse positroniks.

TUUMAKETREAKTSIOON. Tuumaplahvatuses, näiteks tuumaplahvatuses, tabab neutron uraani 23b tuuma (st tuuma, mille prootonite ja neutronite koguarv on ≤ 35). Neutroni neeldumisel tekib uraan 236. See on väga ebastabiilne ja jaguneb kaheks väiksemaks tuumaks, mis vabastab tohutul hulgal energiat ja mitu neutronit. Kõik need neutronid võivad omakorda tabada teist uraani tuuma. Kui see tekib aastal Sel viisil nimetatakse kriitilisteks tingimusteks (uraan-235 kogus ületab kriitilise massi), siis on neutronite kokkupõrgete arv piisav, et reaktsioon areneks välkkiirelt, s.o. tekib ahelreaktsioon. Tuumareaktoris kasutatakse protsessi käigus eralduvat soojust auru soojendamiseks, mis käitab elektrit tootvat turbiingeneraatorit.

Teaduslik ja tehniline entsüklopeediline sõnastik.

Vaadake, mis on "ATOM" teistes sõnaraamatutes:

aatom- aatom ja... Vene õigekirjasõnaraamat

- (kreeka atomos, negatiivsest osast. ja tome, tomos osakond, segment). Lõpmatult väike jagamatu osake, mille kogusumma moodustab mis tahes füüsilise keha. Vene keele võõrsõnade sõnastik. Chudinov A.N., 1910. ATOM kreeka ... Vene keele võõrsõnade sõnastik

aatom- a aatom m. 1. Aine väikseim jagamatu osake. Aatomid ei saa olla igavesed. Cantemir Loodusest. Ampere usub, et iga jagamatu aineosake (aatom) sisaldab lahutamatus koguses elektrit. OZ 1848 56 8 240. Olgu... ... Vene keele gallicismide ajalooline sõnastik

- (kreeka keelest atomos - jagamatu) aine väikseimad koostisosad, millest koosneb kõik olemasolev, sealhulgas hing, mis on moodustunud parimatest aatomitest (Leucippus, Democritus, Epicurus). Aatomid on igavesed, nad ei teki ega kao, olles pidevas... ... Filosoofiline entsüklopeedia

Atom- Aatom ♦ Aatom Etümoloogiliselt on aatom jagamatu osake või osake, mis allub ainult spekulatiivsele jagunemisele; aine jagamatu element (aatomid). Demokritos ja Epikuros mõistavad aatomit selles mõttes. Kaasaegsed teadlased teavad hästi, et see...... Sponville'i filosoofiline sõnaraamat

- (kreeka sõnast atomos jagamatu) keemilise elemendi väikseim osake, mis säilitab oma omadused. Aatomi keskmes on positiivselt laetud tuum, millesse on koondunud peaaegu kogu aatomi mass; elektronid liiguvad ringi, moodustades elektrone... Suur entsüklopeediline sõnaraamat

Mees, kreeklane jagamatu; aine oma jaguvuse äärmuslikes piirides, nähtamatu tolmukübe, millest väidetavalt koosnevad kõik kehad, iga aine, justkui liivateradest. | Mõõtmatu, lõpmatult väike tolmukübe, tühine kogus. | Keemikutel on oma sõna... Dahli seletav sõnaraamat

cm… Sünonüümide sõnastik

ATOM- (kreeka sõnast atomos jagamatu). Sõna A. kasutatakse tänapäeva teaduses erinevates tähendustes. Enamasti nimetatakse A. kemikaali maksimaalseks koguseks. element, elemendi edasine killustumine toob kaasa elemendi individuaalsuse kaotuse, st terava... ... Suur meditsiiniline entsüklopeedia

aatom- aatom Aatom on kõneosa, mis on üksiku keemilise elemendi keemiliste jõudude väikseim kandja. Aatomeid, aga ka keemilisi elemente ja isotoope on mitut tüüpi. Elektriliselt neutraalne, koosneb tuumadest ja elektronidest. Aatomi raadius...... Girnichy entsüklopeediline sõnastik

Raamatud

• Vesinikuaatom ja mitteeukleidiline geomeetria, V.A. Fok. See raamat toodetakse vastavalt teie tellimusele, kasutades print-on-Demand tehnoloogiat. Reprodutseeritud 1935. aasta väljaande algses kirjapildis (kirjastus "Kirjastus...
• Vesinikuaatom on aatomitest kõige lihtsam. Niels Bohri teooria jätk. Osa 5. Footonikiirguse sagedus langeb kokku elektronkiirguse keskmise sagedusega üleminekus, A. I. Shidlovsky. Bohri vesinikuaatomi teooriat jätkati ("paralleelselt" kvantmehaanilise lähenemisega) mööda füüsika traditsioonilist arenguteed, kus teoorias eksisteerivad kõrvuti vaadeldavad ja mittejälgitavad suurused. Sest…

Aatom on keemilise aine väikseim osake, mis suudab säilitada oma omadused. Sõna "aatom" pärineb vanakreeka sõnast "atomos", mis tähendab "jagamatut". Sõltuvalt sellest, kui palju ja milliseid osakesi aatomis on, saab määrata keemilise elemendi.

Lühidalt aatomi ehitusest

Kuidas saab lühidalt loetleda põhiteabe ühe tuumaga osakese kohta, mis on positiivselt laetud. Selle tuuma ümber on negatiivselt laetud elektronide pilv. Iga aatom normaalses olekus on neutraalne. Selle osakese suuruse saab täielikult määrata tuuma ümbritseva elektronpilve suuruse järgi.

Tuum ise koosneb omakorda samuti väiksematest osakestest – prootonitest ja neutronitest. Prootonid on positiivselt laetud. Neutronid ei kanna mingit laengut. Prootonid ja neutronid on aga ühendatud ühte kategooriasse ja neid nimetatakse nukleoniteks. Kui lühidalt on vaja põhiteavet aatomi struktuuri kohta, siis võib selle teabe piirduda loetletud andmetega.

Esimene teave aatomi kohta

Vanad kreeklased kahtlustasid, et aine võib koosneda väikestest osakestest. Nad uskusid, et kõik, mis eksisteerib, koosneb aatomitest. Selline seisukoht oli aga oma olemuselt puhtalt filosoofiline ja seda ei saa teaduslikult tõlgendada.

Esimesena sai aatomi ehituse kohta põhiteavet inglise teadlane, kes avastas, et kahel keemilisel elemendil on erinev vahekord ja iga selline kombinatsioon kujutab endast uut ainet. Näiteks kaheksa osa elemendist hapnik tekitab süsihappegaasi. Neli osa hapnikust on süsinikmonooksiid.

1803. aastal avastas Dalton keemias nn mitme suhte seaduse. Kasutades kaudseid mõõtmisi (kuna tolleaegse mikroskoobi all ei saanud uurida ühtegi aatomit) tegi Dalton järelduse aatomite suhtelise massi kohta..

Rutherfordi uuringud

Peaaegu sajand hiljem kinnitas põhiteavet aatomite struktuuri kohta teine ​​inglise keemik - teadlane pakkus välja väikseimate osakeste elektronkihi mudeli.

Sel ajal oli Rutherfordi "Aatomi planetaarmudel" üks olulisemaid samme, mida keemia võiks teha. Põhiteave aatomi ehituse kohta näitas, et see sarnaneb päikesesüsteemiga: elektronosakesed pöörlevad ümber tuuma rangelt määratletud orbiitidel, täpselt nagu planeedid.

Aatomite elektrooniline kest ja keemiliste elementide aatomite valemid

Iga aatomi elektronkiht sisaldab täpselt nii palju elektrone, kui palju on selle tuumas prootoneid. Seetõttu on aatom neutraalne. 1913. aastal sai teine ​​teadlane põhiteavet aatomi ehituse kohta. Niels Bohri valem oli sarnane Rutherfordi valemiga. Tema kontseptsiooni kohaselt tiirlevad elektronid ka keskmes asuva tuuma ümber. Bohr täpsustas Rutherfordi teooriat ja tõi selle faktidesse harmoonia.

Juba siis koostati mõnede keemiliste ainete valemid. Näiteks skemaatiliselt on lämmastikuaatomi struktuur tähistatud kui 1s 2 2s 2 2p 3, naatriumi aatomi struktuur on väljendatud valemiga 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1. Nende valemite kaudu saate näha, kui palju elektrone liigub konkreetse keemilise aine igal orbitaalil.

Schrödingeri mudel

Hiljem aga vananes ka see aatomimudel. Tänapäeval teadusele tuntud põhiteave aatomi ehituse kohta sai suures osas kättesaadavaks tänu Austria füüsiku uurimistööle.

Ta pakkus välja selle struktuuri uue mudeli - lainemudeli. Selleks ajaks olid teadlased juba tõestanud, et elektronil pole mitte ainult osakese olemus, vaid ka laine omadused.

Kuid Schrödingeri ja Rutherfordi mudelil on ka üldsätted. Nende teooriad on sarnased selle poolest, et elektronid eksisteerivad teatud tasemetel.

Selliseid tasemeid nimetatakse ka elektroonilisteks kihtideks. Tasemenumbri abil saab iseloomustada elektronide energiat. Mida kõrgem on kiht, seda rohkem energiat sellel on. Kõiki tasemeid loetakse alt üles, nii et taseme number vastab selle energiale. Igal aatomi elektronkihi kihil on oma alamtasandid. Sellisel juhul võib esimesel tasemel olla üks alamtase, teisel - kaks, kolmandal - kolm ja nii edasi (vt ülaltoodud lämmastiku ja naatriumi elektroonilisi valemeid).

Isegi väiksemad osakesed

Hetkel on muidugi avastatud isegi väiksemaid osakesi kui elektron, prooton ja neutron. On teada, et prooton koosneb kvarkidest. Universumis on isegi väiksemaid osakesi – näiteks neutriino, mille suurus on sada korda väiksem kui kvark ja miljard korda väiksem kui prooton.

Neutriino on nii väike osake, et on 10 septiljonit korda väiksem kui näiteks türannosaurus rex. Türannosaurus ise on sama mitu korda väiksem kui kogu vaadeldav universum.

Põhiteave aatomi ehituse kohta: radioaktiivsus

Alati on teada, et ükski keemiline reaktsioon ei suuda üht elementi teiseks muuta. Kuid radioaktiivse kiirguse protsessis juhtub see spontaanselt.

Radioaktiivsus on aatomituumade võime muutuda teisteks tuumadeks – stabiilsemateks. Kui inimesed said põhiteavet aatomite struktuuri kohta, võisid isotoobid teatud määral olla keskaegsete alkeemikute unistuste kehastuseks.

Isotoopide lagunemisel eraldub radioaktiivne kiirgus. Selle nähtuse avastas esmakordselt Becquerel. Radioaktiivse kiirguse peamine liik on alfa-lagunemine. Kui see juhtub, vabaneb alfaosake. Samuti on beeta-lagunemine, mille käigus aatomi tuumast väljutatakse beetaosakesi.

Looduslikud ja kunstlikud isotoobid

Praegu on teada umbes 40 looduslikku isotoopi. Enamik neist jaguneb kolme kategooriasse: uraan-raadium, toorium ja aktiinium. Kõiki neid isotoope leidub looduses – kivimites, pinnases, õhus. Kuid peale nende on teada ka tuhatkond kunstlikult saadud isotoopi, mida toodetakse tuumareaktorites. Paljusid neist isotoopidest kasutatakse meditsiinis, eriti diagnostikas..

Proportsioonid aatomi sees

Kui kujutame ette aatomit, mille mõõtmed on võrreldavad rahvusvahelise spordistaadioni mõõtmetega, saame visuaalselt järgmised proportsioonid. Aatomi elektronid sellisel “staadionil” asuvad tribüünide ülaosas. Igaüks neist on väiksem kui tihvti pea. Siis asub südamik selle põllu keskel ja selle suurus ei ole suurem kui herne suurus.

Mõnikord küsitakse, kuidas aatom tegelikult välja näeb. Tegelikult ei näe see sõna otseses mõttes välja nagu midagi – mitte sel põhjusel, et teaduses kasutatavad mikroskoobid pole piisavalt head. Aatomi mõõtmed on nendes piirkondades, kus "nähtavuse" mõistet lihtsalt ei eksisteeri.

Aatomid on väga väikese suurusega. Aga kui väikesed need suurused tegelikult on? Fakt on see, et väikseim, inimsilmale vaevu nähtav soolatera sisaldab umbes ühte kvintiljonit aatomit.

Kui kujutada ette sellise suurusega aatomit, mis mahuks inimese kätte, siis selle kõrval oleks 300 meetri pikkused viirused. Bakterite pikkus oleks 3 km ja juuksekarva paksus 150 km. Lamavas asendis suudaks ta maakera atmosfääri piiridest väljuda. Ja kui sellised proportsioonid kehtiksid, võiks inimese juuksekarva pikkus ulatuda Kuuni. See on nii keeruline ja huvitav aatom, mida teadlased jätkavad tänapäevani.

MÄÄRATLUS

Atom– väikseim keemiline osake.

Keemiliste ühendite mitmekesisus tuleneb keemiliste elementide aatomite erinevatest kombinatsioonidest molekulideks ja mittemolekulaarseteks aineteks. Aatomi võime siseneda keemilistesse ühenditesse, selle keemilised ja füüsikalised omadused on määratud aatomi struktuuriga. Sellega seoses on keemia jaoks ülimalt oluline aatomi sisemine struktuur ja ennekõike selle elektroonilise kesta struktuur.

Aatomistruktuuri mudelid

19. sajandi alguses taaselustas D. Dalton aatomiteooria, tuginedes selleks ajaks tuntud keemia põhiseadustele (koostise püsivus, mitmekordsed suhted ja ekvivalendid). Esimesed katsed viidi läbi aine struktuuri uurimiseks. Vaatamata tehtud avastustele (sama elemendi aatomitel on samad omadused ja teiste elementide aatomitel erinevad omadused, võeti kasutusele aatommassi mõiste), peeti aatomit jagamatuks.

Pärast eksperimentaalsete tõendite saamist (19. sajandi lõpp - 20. sajandi algus) aatomi struktuuri keerukuse kohta (fotoelektriline efekt, katood- ja röntgenikiirgus, radioaktiivsus) leiti, et aatom koosneb negatiivselt ja positiivselt laetud osakestest, mis interakteeruvad üksteist.

Need avastused andsid tõuke esimeste aatomistruktuuri mudelite loomisele. Pakuti välja üks esimesi mudeleid J. Tomson(1904) (joonis 1): aatomit kujutati kui "positiivse elektri merd", milles elektronid võnkuvad.

Pärast katseid α-osakestega, 1911. a. Rutherford pakkus välja nn planetaarne mudel aatomi ehitus (joon. 1), sarnane Päikesesüsteemi ehitusega. Planeedimudeli järgi on aatomi keskmes väga väike tuum laenguga Z e, mille mõõtmed on ligikaudu 1 000 000 korda väiksemad kui aatomi enda mõõtmed. Tuum sisaldab peaaegu kogu aatomi massi ja sellel on positiivne laeng. Tuuma ümber liiguvad elektronid orbiitidel, mille arvu määrab tuuma laeng. Elektronide välistrajektoor määrab aatomi välismõõtmed. Aatomi läbimõõt on 10 -8 cm, samas kui tuuma läbimõõt on palju väiksem -10 -12 cm.

Riis. 1 Aatomistruktuuri mudelid Thomsoni ja Rutherfordi järgi

Aatomispektrite uurimise katsed on näidanud aatomi struktuuri planetaarse mudeli ebatäiuslikkust, kuna see mudel on vastuolus aatomispektrite joonstruktuuriga. Põhineb Rutherfordi mudelil, Einsteini valguskvantide doktriinil ja Plancki kiirguse kvantteoorial Niels Bohr (1913) sõnastatud postulaadid, mis koosneb aatomi struktuuri teooria(joonis 2): elektron saab pöörlema ​​ümber tuuma mitte mis tahes, vaid ainult teatud kindlatel orbiitidel (statsionaarne), mööda sellist orbiiti liikudes ei kiirga elektromagnetenergiat, kiirgust (elektromagnetenergia kvanti neeldumine või emissioon). ) tekib elektronide üleminekul (hüppelaadselt) ühelt orbiidilt teisele.

Riis. 2. Aatomi ehituse mudel N. Bohri järgi

Aatomi ehitust iseloomustav akumuleeritud katsematerjal on näidanud, et elektronide, aga ka teiste mikroobjektide omadusi ei saa kirjeldada klassikalise mehaanika mõistete alusel. Mikroosakesed järgivad kvantmehaanika seadusi, millest sai loomise aluseks kaasaegne aatomistruktuuri mudel.

Kvantmehaanika peamised teesid:

- energiat kiirgavad ja neelavad kehad eraldi portsjonitena - kvantid, seetõttu muutub osakeste energia järsult;

- elektronid ja teised mikroosakesed on kahetise iseloomuga – neil on nii osakeste kui lainete omadused (laine-osakeste duaalsus);

— kvantmehaanika eitab mikroosakeste jaoks teatud orbiitide olemasolu (liikuvate elektronide jaoks pole täpset asukohta võimalik kindlaks teha, kuna nad liiguvad ruumis tuuma lähedal, saate määrata ainult elektroni leidmise tõenäosuse ruumi erinevates osades).

Nimetatakse tuuma lähedal asuvat ruumi, milles elektroni leidmise tõenäosus on üsna suur (90%) orbitaal.

Kvantarvud. Pauli põhimõte. Klechkovski reeglid

Elektroni olekut aatomis saab kirjeldada nelja abil kvantarvud.

n- peamine kvantarv. Iseloomustab elektroni koguenergiavaru aatomis ja energiataseme arvu. n võtab täisarvu väärtused 1 kuni ∞. Elektron on väikseima energiaga, kui n=1; n – energia suurenemisega. Aatomi olekut, kui selle elektronid on sellisel energiatasemel, et nende koguenergia on minimaalne, nimetatakse põhiolekuks. Kõrgemate väärtustega olekuid nimetatakse põnevil. Energiatasemeid tähistatakse araabia numbritega vastavalt n väärtusele. Elektronid saab paigutada seitsmesse tasandisse, seetõttu eksisteerib n tegelikult vahemikus 1 kuni 7. Peamine kvantarv määrab elektronipilve suuruse ja elektroni keskmise raadiuse aatomis.

l– orbiidi kvantarv. Iseloomustab elektronide energiavaru alamtasandil ja orbitaali kuju (tabel 1). Aktsepteerib täisarvväärtusi 0 kuni n-1. Olen sõltuv n-st. Kui n=1, siis l=0, mis tähendab, et 1. tasemel on 1. alamtase.

m e- magnetiline kvantarv. Iseloomustab orbitaali orientatsiooni ruumis. Aktsepteerib täisarvu väärtusi vahemikus –l kuni 0 kuni +l. Seega, kui l=1 (p-orbitaal), saab m e väärtused -1, 0, 1 ja orbitaali orientatsioon võib olla erinev (joonis 3).

Riis. 3. P-orbitaali üks võimalikke orientatsioone ruumis

s- spin-kvantarv. Iseloomustab elektroni enda pöörlemist ümber oma telje. Aktsepteerib väärtusi -1/2(↓) ja +1/2(). Kahel samal orbitaalil asuval elektronil on antiparalleelsed spinnid.

Määratakse elektronide olek aatomites Pauli põhimõte: aatomil ei saa olla kahte elektroni, millel on sama kvantarvude hulk. Määratakse kindlaks orbitaalide elektronidega täitmise järjekord Klechkovsky reeglid: orbitaalid täidetakse elektronidega nende orbitaalide summa (n+l) kasvavas järjekorras, kui summa (n+l) on sama, siis täitub esimesena väiksema n väärtusega orbitaal.

Aatom sisaldab aga tavaliselt mitte ühte, vaid mitut elektroni ning nende omavahelist vastasmõju arvesse võtmiseks kasutatakse efektiivse tuumalaengu mõistet – välistasandi elektron allub laengust väiksemale laengule. tuumast, mille tulemusena sisemised elektronid sõeluvad väliseid.

Aatomi põhiomadused: aatomi raadius (kovalentne, metalliline, van der Waalsi, ioonne), elektronide afiinsus, ionisatsioonipotentsiaal, magnetmoment.

Aatomite elektroonilised valemid

Kõik aatomi elektronid moodustavad selle elektronkihi. Kujutatud on elektronkihi struktuur elektrooniline valem, mis näitab elektronide jaotust energiatasemete ja alamtasandite vahel. Elektronide arvu alamtasemel näitab number, mis on kirjutatud alamtasandit tähistava tähe ülemisse paremasse ossa. Näiteks vesinikuaatomil on üks elektron, mis asub 1. energiataseme s-alamtasandil: 1s 1. Kaht elektroni sisaldava heeliumi elektrooniline valem on kirjutatud järgmiselt: 1s 2.

Teise perioodi elementide puhul täidavad elektronid 2. energiataseme, mis ei tohi sisaldada rohkem kui 8 elektroni. Esiteks täidavad elektronid s-alataseme, seejärel p-alatasandi. Näiteks:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Seos aatomi elektronstruktuuri ja elemendi asukoha vahel perioodilisuse tabelis

Elemendi elektrooniline valem määratakse selle asukoha järgi perioodilises tabelis D.I. Mendelejev. Seega vastab perioodi number teise perioodi elementides, elektronid täidavad 2. energiataseme, mis ei tohi sisaldada rohkem kui 8 elektroni. Esiteks täidavad elektronid Teise perioodi elementides täidavad elektronid 2. energiataseme, mis ei tohi sisaldada rohkem kui 8 elektroni. Esiteks täidavad elektronid s-alataseme, seejärel p-alatasandi. Näiteks:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Mõne elemendi aatomites täheldatakse elektronide "hüpet" väliselt energiatasemelt eelviimasele. Elektronide lekkimine toimub vase, kroomi, pallaadiumi ja mõne muu elemendi aatomites. Näiteks:

24 kr 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3p 5 4 s 1

energiatase, mis ei tohi sisaldada rohkem kui 8 elektroni. Esiteks täidavad elektronid s-alataseme, seejärel p-alatasandi. Näiteks:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Peamiste alarühmade elementide rühmaarv on võrdne välise energiataseme elektronide arvuga, selliseid elektrone nimetatakse valentselektronideks (nad osalevad keemilise sideme moodustamises). Kõrvalrühmade elementide valentselektronid võivad olla välise energiataseme elektronid ja eelviimase taseme d-alataseme elektronid. Sekundaarsete alarühmade III-VII rühmade elementide rühmaarv, samuti Fe, Ru, Os puhul vastab välise energiataseme s-alataseme ja eelviimase tasandi d-alataseme elektronide koguarvule.

Ülesanded:

Joonistage fosfori, rubiidiumi ja tsirkooniumi aatomite elektroonilised valemid. Märkige valentselektronid.

Vastus:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Valentselektronid 3s 2 3p 3

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

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3p 10 4s 2 4p 6 4p 2 5s 2 Valentselektronid 4p 2 5s 2

ATOM [prantsuse aatom, ladina keelest atomus, kreeka keelest?τομος (ουσ?α) – jagamatu (olemus)], aineosake, keemilise elemendi väikseim osa, mis on selle omaduste kandja. Iga elemendi aatomid on struktuurilt ja omadustelt individuaalsed ning neid tähistatakse elementide keemiliste sümbolitega (näiteks vesinikuaatom - H, raud - Fe, elavhõbe - Hg, uraan - U jne). Aatomid võivad eksisteerida nii vabas olekus kui ka seotud olekus (vt Keemiline side). Ainete mitmekesisus on tingitud aatomite erinevatest kombinatsioonidest. Gaasiliste, vedelate ja tahkete ainete omadused sõltuvad nende koostises olevate aatomite omadustest. Kõik aatomi füüsikalised ja keemilised omadused on määratud selle struktuuriga ja järgivad kvantseadusi. (Aatomiõpetuse kujunemislugu leiate artiklist Aatomifüüsika.)

Aatomite ehituse üldomadused. Aatom koosneb positiivse elektrilaenguga raskest tuumast ja seda ümbritsevatest negatiivsete elektrilaengutega kergetest elektronidest, mis moodustavad aatomi elektronkatted. Aatomi mõõtmed määravad selle välise elektronkihi mõõtmed ja need on aatomituuma mõõtmetega võrreldes suured. Aatomi ja tuuma iseloomulikud diameetrite, ristlõikepindade ja ruumalade järjestused on järgmised:

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

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

Aatomi elektronkihtidel ei ole rangelt määratletud piire ning aatomi suurused sõltuvad suuremal või vähemal määral nende määramise meetoditest.

Tuumalaeng on aatomi peamine omadus, mis määrab selle kuuluvuse teatud elemendile. Tuuma laeng on alati positiivse elementaarelektrilaengu täisarv, absoluutväärtuselt võrdne elektroni laenguga -e. Tuuma laeng on +Ze, kus Z on aatomarv (aatomarv). Z= 1, 2, 3,... keemiliste elementide perioodilisuse tabeli järjestikuste elementide aatomite jaoks, see tähendab H, He, Li, ... aatomite jaoks. Neutraalses aatomis laenguga tuum + Ze hoiab Z elektrone kogulaenguga - Ze. Aatom võib kaotada või saada elektrone ja muutuda positiivseks või negatiivseks iooniks (k = 1, 2, 3, ... – tema ionisatsiooni kordsus). Teatud elemendi aatom sisaldab sageli selle ioone. Kirjutamisel eristatakse ioone neutraalsest aatomist indeksiga k + ja k -; näiteks O on neutraalne hapnikuaatom, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- on selle positiivsed ja negatiivsed ioonid. Neutraalse aatomi ja sama elektronide arvuga elementide ioonide kombinatsioon moodustab isoelektroonilise jada, näiteks vesinikulaadsete aatomite jada H, He +, Li 2+, Be 3+,....

Aatomituuma laengu paljusus elementaarlaengu e suhtes selgitati tuuma ehituse ideede põhjal: Z võrdub prootonite arvuga tuumas, prootoni laeng on +e . Aatomi mass suureneb Z suurenemisega. Aatomi tuuma mass on ligikaudu võrdeline massiarvuga A – tuumas olevate prootonite ja neutronite koguarvuga. Elektroni mass (0,91 x 10 -27 g) on ​​oluliselt väiksem (umbes 1840 korda) prootoni või neutroni massist (1,67 x 10 -24 g), seega määrab aatomi massi peamiselt mass. selle tuumast.

Antud elemendi aatomid võivad tuumamassi poolest erineda (prootonite arv Z on konstantne, neutronite arv A-Z võib varieeruda); Selliseid sama elemendi aatomite sorte nimetatakse isotoopideks. Tuuma massi erinevus ei avalda peaaegu mingit mõju antud aatomi elektroonikakestade struktuurile, mis sõltub Z-st, ja aatomi omadustest. Suurimad erinevused omadustes (isotoobiefektid) saadakse vesiniku isotoopide (Z = 1) puhul, mis on tingitud vesiniku (A = 1), deuteeriumi (A = 2) ja triitiumi (A) tavalise kerge aatomi masside suurest erinevusest. = 3).

Aatomi mass varieerub vahemikus 1,67 × 10 -24 g (peamise isotoobi puhul vesinikuaatom, Z = 1, A = 1) kuni ligikaudu 4 × 10 -22 g (transuraanielementide aatomite puhul). Aatommasside kõige täpsemaid väärtusi saab määrata massispektroskoopia meetoditega. Aatomi mass ei ole täpselt võrdne tuuma massi ja elektronide masside summaga, kuid mõnevõrra väiksem - massidefekti ΔM = W/c 2, kus W on aatomi moodustumise energia tuumast ja elektronidest (sidumisenergia), c on valguse kiirus. See parandus on raskete aatomite elektronmassi m e suurusjärgus ja kergete aatomite puhul on see tühine (umbes 10–4 m e).

Aatomienergia ja selle kvantifitseerimine. Oma väiksuse ja suure massi tõttu võib aatomituuma pidada ligikaudu punktitaoliseks ja paigal olevaks aatomi massikeskmeks (tuuma ja elektronide ühine massikese asub tuuma läheduses ja liikumiskiirus Tuuma osa aatomi massikeskme suhtes on elektronide liikumiskiirusega võrreldes väike). Vastavalt sellele võib aatomit käsitleda süsteemina, milles N elektroni laenguga e liigub ümber statsionaarse tõmbekeskuse. Elektronide liikumine aatomis toimub piiratud mahus, see tähendab, et see on seotud. Aatomi kogusiseenergia E võrdub kõigi elektronide kineetiliste energiate T ja potentsiaalse energia U summaga – nende tuuma poolt tõmbumise ja üksteisest eemaletõukamise energiaga.

Niels Bohri 1913. aastal välja pakutud aatomiteooria kohaselt liigub vesinikuaatomis üks elektron laenguga -e ümber statsionaarse tsentri laenguga +e. Klassikalise mehaanika kohaselt on sellise elektroni kineetiline energia võrdne

kus v on kiirus, p = m e v on elektroni impulss (impulss). Potentsiaalne energia (taandatuna elektroni tuuma poolt Coulombi külgetõmbeenergiaks) on võrdne

ja sõltub ainult elektroni kaugusest r tuumast. Graafiliselt on funktsiooni U(r) kujutatud kõveraga, mis väheneb piiramatult r vähenedes, st elektroni lähenedes tuumale. U(r) väärtus r→∞ on null. Koguenergia negatiivsete väärtuste korral 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 elektroni liikumine on vaba - ta võib minna lõpmatuseni energiaga E = T = (1/2)m e v 2, mis vastab ioniseeritud vesinikuaatomile H +. Seega on neutraalne vesinikuaatom elektrostaatiliselt seotud tuuma ja elektroni süsteem energiaga E< 0.

Aatomi E kogusiseenergia on selle kui kvantsüsteemi põhiomadus (vt Kvantmehaanika). Aatom saab pikka aega püsida ainult teatud energiaga olekutes - statsionaarsetes (ajas muutumatutes) olekutes. Seotud mikroosakestest (sealhulgas aatomist) koosneva kvantsüsteemi siseenergia võib võtta ühe diskreetsetest (katkestavatest) väärtustest

Kõik need "lubatud" energiaväärtused vastavad ühele või mitmele statsionaarsele kvantolekule. Süsteemil ei saa olla vahepealseid energiaväärtusi (näiteks need, mis jäävad E 1 ja E 2, E 2 ja E 3 vahele jne), sellisel süsteemil on väidetavalt kvantiseeritud energia. Iga muutus E-s on seotud süsteemi kvant- (hüppe-) üleminekuga ühest statsionaarsest kvantolekust teise (vt allpool).

Aatomi energia võimalikke diskreetseid väärtusi (3) saab graafiliselt kujutada analoogselt erinevatele kõrgustele (eri tasemele) tõstetud keha potentsiaalse energiaga energiatasemete diagrammi kujul, kus iga energia väärtus vastab sirgele, mis on tõmmatud kõrgusele E i, i= 1 , 2, 3, ... (joonis 1). Madalaimat taset E 1, mis vastab aatomi väikseimale võimalikule energiale, nimetatakse maapinnaks ja kõiki teisi (E i >E 1), i = 2, 3, 4, ...) ergastatud, sest neile üleminekuks ( maapinnalt vastavatesse statsionaarsetesse ergastatud olekutesse üleminekuks) on vaja süsteem ergutada - anda talle väljastpoolt energiat E i -E 1.

Aatomienergia kvantimine on elektronide laineomaduste tagajärg. Laine-osakeste duaalsuse põhimõtte kohaselt vastab m massiga mikroosakese liikumine kiirusega v lainepikkusele λ = h/mv, kus h on Plancki konstant. Aatomis oleva elektroni puhul on λ suurusjärgus 10 -8 cm, see tähendab aatomi lineaarsete mõõtmete suurusjärku ja elektroni laineomaduste arvessevõtmine aatomis on vajalik. Seotud elektroni liikumine aatomis on sarnane seisulainega ja seda ei tuleks käsitleda kui materiaalse punkti liikumist mööda trajektoori, vaid kui keerukat laineprotsessi. Piiratud mahuga seisvalainel on võimalikud ainult teatud lainepikkuse λ (ja sellest tulenevalt ka võnkesageduse v) väärtused. Kvantmehaanika järgi on aatomi E energia seotud v-ga suhtega E = hν ja võib seetõttu omandada vaid teatud väärtused. Mikroosakese vaba translatsiooniline liikumine, mis ei ole ruumiliselt piiratud, näiteks aatomist eraldatud elektroni liikumine (energiaga E> 0), sarnaneb liikuva laine levimisega piiramatus mahus, mille jaoks λ (ja v) väärtused on võimalikud. Sellise vaba mikroosakese energia võib omandada mis tahes väärtuse (see ei ole kvantiseeritud, tal on pidev energiaspekter). See pidev jada vastab ioniseeritud aatomile. Väärtus E ∞ = 0 vastab ionisatsioonipiirile; erinevust E ∞ -E 1 = E iooni nimetatakse ionisatsioonienergiaks (vt artiklit Ionisatsioonipotentsiaal); vesinikuaatomi puhul on see 13,6 eV.

Elektrontiheduse jaotus. Elektroni täpset asukohta aatomis antud ajahetkel ei saa määrata seose ebakindluse tõttu. Elektroni oleku aatomis määrab tema lainefunktsioon, mis teatud viisil sõltub tema koordinaatidest; Lainefunktsiooni mooduli ruut iseloomustab elektroni leidmise tõenäosustihedust antud ruumipunktis. Lainefunktsioon on selgesõnaliselt Schrödingeri võrrandi lahendus.

Seega saab elektroni olekut aatomis iseloomustada tema elektrilaengu jaotusega ruumis teatud tihedusega – elektrontiheduse jaotus. Elektronid on ruumis justkui “määrdunud” ja moodustavad “elektronipilve”. See mudel iseloomustab elektrone aatomis õigemini kui punktelektroni mudel, mis liigub mööda rangelt määratletud orbiite (Bohri aatomiteoorias). Samas saab iga sellist Bohri orbiiti seostada kindla elektrontiheduse jaotusega. Maapealse energiataseme E 1 puhul on elektrontihedus koondunud tuuma lähedusse; ergastatud energiatasemetele E 2, E 3, E 4 ... jaotub see järjest suurematele keskmistele kaugustele tuumast. Mitmeelektronilises aatomis on elektronid rühmitatud kestadeks, mis ümbritsevad tuuma erinevatel vahemaadel ja mida iseloomustavad teatud elektrontiheduse jaotus. Väliskestade elektronide ja tuuma vahelise sideme tugevus on väiksem kui sisekestes ning kõige nõrgemad elektronid on seotud kõige suuremate mõõtmetega välimises kestas.

Elektronide spinni ja tuumaspinni arvestamine. Aatomiteoorias on väga oluline arvestada elektroni spinni - tema enda (spinni) nurkmomenti, mis visuaalsest vaatepunktist vastab elektroni pöörlemisele ümber oma telje ( kui elektroni peetakse väikese suurusega osakeseks). Elektroni spinn on seotud saja sisemise (spinni) magnetmomendiga. Seetõttu tuleb aatomis koos elektrostaatiliste vastasmõjudega arvestada ka magnetilisi vastastikmõjusid, mis on määratud spin-magnetmomendiga ja orbitaalse magnetmomendiga, mis on seotud elektroni liikumisega ümber tuuma; magnetilised vastastikmõjud on elektrostaatilistega võrreldes väikesed. Spinni kõige olulisem mõju avaldub mitmeelektronilistel aatomitel: elektronide spinnist sõltub aatomi elektronkestade täitumine teatud arvu elektronidega.

Aatomi tuumal võib olla ka oma mehaaniline moment – ​​tuumaspinn, mis on seotud elektroni omast sadu ja tuhandeid kordi väiksema tuumamagnetmomendiga. Spinnide olemasolu põhjustab täiendavaid, väga väikeseid interaktsioone tuuma ja elektronide vahel (vt allpool).

Vesinikuaatomi kvantolekud. Aatomi kvantteoorias on kõige olulisem roll lihtsaima üheelektronilise aatomi teoorial, mis koosneb tuumast laenguga +Ze ja elektronist laenguga -e ehk vesinikuaatomi H teooria. ja vesinikulaadsed ioonid He +, Li 2+, Be 3+,..., mida tavaliselt nimetatakse vesinikuaatomi teooriaks. Kvantmehaanika meetodeid kasutades on võimalik saada täpne ja täielik iseloomustus elektroni olekutest üheelektronilises aatomis. Paljude elektronidega aatomi probleemi saab lahendada ainult ligikaudselt; sel juhul lähtuvad nad üheelektronilise aatomi ülesande lahendamise tulemustest.

Üheelektronilise aatomi energia mitterelativistlikus lähenduses (ilma elektroni spinni arvestamata) on võrdne

täisarv n = 1, 2, 3, ... määrab võimalikud diskreetsed energiaväärtused - energiatasemed - ja seda nimetatakse peamiseks kvantarvuks, R on Rydbergi konstant, mis võrdub 13,6 eV. Aatomi energiatasemed koonduvad (kondenseeruvad) ionisatsioonipiirile E ∞ = 0, mis vastab n = ∞. Vesinikulaadsete ioonide puhul muutub ainult energiaväärtuste skaala (Z 2 korda). Vesinikutaolise aatomi ionisatsioonienergia (elektronide sidumise energia) on (eV)

mis annab H, He +, Li 2+, ... jaoks väärtused 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ....

Põhivalem (4) vastab elektroni potentsiaalse energia avaldisele U(r) = -Ze 2 /r laenguga +Ze tuuma elektriväljas. Selle valemi tuletas esmakordselt N. Bohr, võttes arvesse elektroni liikumist ümber tuuma ringorbiidil raadiusega r ja see on Schrödingeri võrrandi täpne lahendus sellise süsteemi jaoks. Energiatasemed (4) vastavad raadiuse orbiitidele

kus konstant a 0 = 0,529 · 10 -8 cm = = 0,529 A on vesinikuaatomi esimese ringikujulise orbiidi raadius, mis vastab selle maapinnale (seda Bohri raadiust kasutatakse sageli aatomifüüsikas pikkuste mõõtmiseks mugava ühikuna ). Orbiitide raadius on võrdeline peakvantarvu n 2 ruuduga ja pöördvõrdeline Z-ga; vesinikulaadsete ioonide puhul väheneb lineaarne suurusskaala vesinikuaatomiga võrreldes Z korda. Vesinikuaatomi relativistlik kirjeldus, võttes arvesse elektroni spinni, on antud Diraci võrrandiga.

Kvantmehaanika järgi määravad vesinikuaatomi oleku täielikult nelja füüsikalise suuruse diskreetsed väärtused: energia E; orbitaalmoment M l (elektroni impulss tuuma suhtes); orbiidi impulsi projektsioonid M lz suvaliselt valitud suunas z; pöörlemismomendi projektsioonid M sz (elektroni sisemine nurkimpulss M s). Nende füüsikaliste suuruste võimalikud väärtused määravad omakorda vastavalt kvantarvud n, l, m l, m s. Ligikaudselt, kui vesinikuaatomi energiat kirjeldatakse valemiga (4), määrab selle ainult peakvantarv n, mis võtab täisarvud 1, 2, 3, .... Antud n-ga energiatase vastab mitmele olekule, mis erinevad orbitaalse (asimutaalse) kvantarvu l = 0, 1, ..., n-1 väärtuste poolest. Olekuid, mille väärtus on n ja l, tähistatakse tavaliselt kui 1s, 2s, 2р, 3s, ..., kus numbrid näitavad n väärtust ja tähed s, р, d, f (edaspidi ladina keeles tähestik) - vastavalt väärtused l = 0, 1, 2, 3. Antud n ja l korral on erinevate olekute arv võrdne 2 (2l + 1) - väärtuste kombinatsioonide arv. magnetorbitaalkvantarv m l magnetiline spinnarv m s (esimene võtab 2l + 1 väärtusi, teine ​​- 2 väärtust). Erinevate olekute koguarv antud n ja l korral võrdub 2n 2. Seega vastab vesinikuaatomi igale energiatasemele 2,8, 18,...2n 2 (millega n = 1, 2, 3, ...) erinevat statsionaarset kvantseisundit. Kui energiatasemele vastab ainult üks kvantolek, siis nimetatakse seda mittedegenereeruvaks, kui kaks või enam - degenereerunud (vt. Degeneratsioon kvantteoorias) ja selliste olekute arvu g nimetatakse taandarengu astmeks või kordsuseks. mitte-mandunud energiatasemed g = 1). Vesinikuaatomi energiatasemed on degenereerunud ja nende degeneratsiooniaste g n = 2n 2 .

Vesinikuaatomi erinevate olekute jaoks saadakse erinev elektrontiheduse jaotus. See sõltub kvantarvudest n, l ja Sel juhul on elektrontihedus s-olekute jaoks (l=0) erinev nullist keskpunktis, st tuuma asukohas, ega sõltu suunast ( sfääriliselt sümmeetriline) ja ülejäänud olekute (l>0) korral võrdub see keskpunktis nulliga ja sõltub suunast. Elektrontiheduse jaotus vesinikuaatomi olekute jaoks, kus n = 1, 2, 3, on näidatud joonisel 2; “elektronpilve” mõõtmed kasvavad vastavalt valemile (6) proportsionaalselt n2-ga (joonisel 2 olev skaala väheneb liikudes n = 1-lt n = 2-le ja n = 2-lt n = 3-le). Elektroni kvantolekuid vesinikulaadsetes ioonides iseloomustavad samad neli kvantarvu n, l, m l ja m s nagu vesinikuaatomil. Säilib ka elektrontiheduse jaotus, ainult et see suureneb Z korda.

Väliste väljade toime aatomile. Aatom kui elektrisüsteem välistes elektri- ja magnetväljades omandab lisaenergiat. Elektriväli polariseerib aatomit – see tõrjub elektronipilvi tuuma suhtes välja (vt Aatomite, ioonide ja molekulide polariseeritavus) ning magnetväli orienteerib teatud viisil aatomi magnetmomenti, mis on seotud elektroni ümber liikumisega. tuum (orbitaalimpulsiga M l) ja selle spinn. Sama energiaga E n vesinikuaatomi erinevad olekud välisväljas vastavad lisaenergia ΔE erinevatele väärtustele ja degenereerunud energiatase E n on jagatud mitmeks alamtasemeks. Nii energiatasemete lõhenemine elektriväljas - Starki efekt - kui ka nende lõhenemine magnetväljas - Zeemani efekt - on võrdelised vastavate väljade tugevustega.

Väikesed magnetilised vastasmõjud aatomi sees põhjustavad ka energiatasemete lõhenemist. Vesinikuaatomi ja vesinikulaadsete ioonide puhul toimub spin-orbiidi vastastikmõju – elektroni spinni ja orbitaalmomentide vastastikmõju; see määrab energiatasemete nn peenstruktuuri - ergastatud tasemete E n (n>1 puhul) jagamise alamtasanditeks. Vesinikuaatomi kõigi energiatasemete puhul täheldatakse ka ülipeent struktuuri, mis on tingitud tuuma spinni väga väikestest magnetilistest interaktsioonidest elektrooniliste momentidega.

Mitmeelektroniliste aatomite elektronkestad. 2 või enamat elektroni sisaldava aatomi teooria erineb põhimõtteliselt vesinikuaatomi teooriast, kuna sellises aatomis on üksteisega interakteeruvad identsed osakesed - elektronid. Elektronide vastastikune tõrjumine mitmeelektronilises aatomis vähendab oluliselt nende sideme tugevust tuumaga. Näiteks heeliumioonis (He +) on üksiku elektroni eemaldamise energia 54,4 eV, samas kui neutraalses heeliumiaatomis väheneb elektronide tõrjumise tulemusena ühe elektroni eemaldamise energia 24,6-ni. eV. Raskemate aatomite välimiste elektronide puhul on nende sideme tugevuse vähenemine sisemiste elektronide tõrjumise tõttu veelgi olulisem. Mitmeelektroniliste aatomite puhul mängivad olulist rolli elektronide omadused identsete mikroosakestena (vt identiteediprintsiip) spinniga s = 1/2, mille puhul kehtib Pauli printsiip. Selle põhimõtte kohaselt ei saa elektronide süsteemis igas kvantolekus olla rohkem kui üks elektron, mis viib aatomi elektronkestade moodustumiseni, mis on täidetud rangelt määratletud arvu elektronidega.

Arvestades elektronide üksteisega suhtlemise eristamatust, on mõttekas rääkida ainult aatomi kui terviku kvantolekutest. Siiski on võimalik ligikaudselt arvestada üksikute elektronide kvantseisundeid ja iseloomustada neid igaüht kvantarvude n, l, m l ja m s kogumiga, sarnaselt elektronile vesinikuaatomis. Sel juhul selgub, et elektroni energia ei sõltu mitte ainult n-st, nagu vesinikuaatomil, vaid ka l-st; see ikka ei sõltu m l-st ja m s-st. Antud n ja l-ga elektronidel on mitmeelektronilises aatomis sama energia ja nad moodustavad spetsiifilise elektronkihi. Selliseid ekvivalentseid elektrone ja nende poolt moodustatud kestasid tähistatakse, nagu ka kvantolekuid ja energiatasemeid antud n ja l korral, sümbolitega ns, nр, nd, nf, ... (1 = 0, 1, 2,3, ...) ja räägitakse 2p elektronidest, 3s-o6 kestadest jne.

Pauli printsiibi kohaselt peavad kõik 2 elektroni aatomis olema erinevates kvantolekutes ja seetõttu erinema vähemalt ühe neljast kvantarvust n, l, m l ja m s ning samaväärsete elektronide (n ja l) poolest. on samad) - m l ja m s väärtustes. Paaride arv m l, m s, s.o elektroni erinevate kvantolekute arv antud n ja l-ga on tema energiataseme degeneratsiooni aste g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, .... See määrab elektronide arvu täielikult täidetud elektronkihtides. Seega on s-, p-, d-, f-, ... kestad täidetud 2, 6, 10, 14, ... elektroniga, sõltumata n väärtusest. Antud n-ga elektronid moodustavad kihi, mis koosneb kestadest, mille l = 0, 1, 2, ..., n - 1 ja mis on täidetud 2n 2 elektroniga, nn K-, L-, M, N-kihi. Kui see on täielikult täidetud, on meil:

Igas kihis iseloomustab väiksema l-ga kestasid suurem elektrontihedus. Elektroni ja tuuma vahelise sideme tugevus väheneb n suurenemisega ja antud n korral l suurenemisega. Mida nõrgemalt on elektron vastavas kestas seotud, seda kõrgem on tema energiatase. Antud Z-ga tuum seob elektrone nende sideme tugevuse vähenemise järjekorras: kõigepealt kaks 1s elektroni, seejärel kaks 2s elektroni, kuus 2p elektroni jne. Iga keemilise elemendi aatomil on teatud elektronide jaotus kihtide vahel – selle elektron konfiguratsioon, näiteks:

(elektronide arvu antud kestas näitab üleval paremal olev indeks). Elementide omaduste perioodilisuse määrab aatomi väliste elektronkihtide sarnasus. Näiteks neutraalsetel aatomitel P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) on välises elektronkihis nagu N-aatomil kolm p-elektroni, mis on sellega sarnased nii keemiliselt kui ka paljudelt füüsikaliselt. omadused.

Igat aatomit iseloomustab normaalne elektronkonfiguratsioon, mis tekib siis, kui kõik aatomi elektronid on kõige tihedamalt seotud, ja ergastatud elektroonilised konfiguratsioonid, kui üks või mitu elektroni on lõdvemalt seotud – leidub kõrgemal energiatasemel. Näiteks heeliumi aatomi puhul on koos tavalise 1s2-ga võimalikud ergastatud elektroonilised konfiguratsioonid: 1s2s, 1s2p, ... (ergastatakse üks elektron), 2s 2, 2s2p, ... (mõlemad elektronid on ergastatud). Teatud elektrooniline konfiguratsioon vastab aatomi kui terviku ühele energiatasemele, kui elektronkestad on täielikult täidetud (näiteks Ne-aatomi normaalkonfiguratsioon 1s 2 2s 2 2р 6), ja mitmele energiatasemele, kui on on osaliselt täidetud kestad (näiteks lämmastikuaatomi normaalne konfiguratsioon 1s 2 2s 2 2р 3, mille kest 2р on pooleldi täidetud). Osaliselt täidetud d- ja f-kestade olemasolul võib igale konfiguratsioonile vastavate energiatasemete arv ulatuda sadadeni, mistõttu osutub osaliselt täidetud kestadega aatomi energiatasemete skeem väga keeruliseks. Aatomi maapealne energiatase on normaalse elektronkonfiguratsiooni madalaim tase.

Kvantüleminekud aatomis. Kvantüleminekute käigus liigub aatom ühest paigalseisundist teise – ühelt energiatasemelt teisele. Üleminekul kõrgemalt energiatasemelt E i madalamale energiatasemele E k, loobub aatom energiast E i - E k ning tagurpidi üleminekul saab selle vastu. Nagu iga kvantsüsteemi puhul, võib aatomi kvantüleminekuid olla kahte tüüpi: kiirgusega (optilised üleminekud) ja kiirguseta (mittekiirguslikud või mitteoptilised üleminekud). Kvantülemineku kõige olulisem omadus on selle tõenäosus, mis määrab, kui sageli see üleminek toimuda võib.

Kvantüleminekutes kiirgusega aatom neelab (üleminek E k → E i) või kiirgab (üleminek E i → E k) elektromagnetkiirgust. Elektromagnetilist energiat neelab ja kiirgab aatom valguskvanti - footoni - kujul, mida iseloomustab teatud võnkesagedus v, vastavalt seosele:

kus hv on footoni energia. Seos (7) esindab kiirgusega seotud mikroskoopiliste protsesside energia jäävuse seadust.

Põhiolekus olev aatom suudab neelata ainult footoneid, kuid ergastatud olekus suudab ta neid nii absorbeerida kui ka emiteerida. Põhiolekus olev vaba aatom võib eksisteerida lõputult. Aatomi ergastatud olekus viibimise kestus (selle oleku eluiga) on piiratud, aatom kaotab spontaanselt (spontaanselt), osaliselt või täielikult oma ergastusenergia, kiirgades footoni ja liikudes madalamale energiatasemele; Koos sellise spontaanse emissiooniga on võimalik ka stimuleeritud emissioon, mis toimub sarnaselt neeldumisega sama sagedusega footonite mõjul. Mida suurem on spontaanse ülemineku tõenäosus, seda lühem on ergastatud aatomi eluiga, vesinikuaatomi puhul on see umbes 10-8 s.

Võimalike kiirgusega üleminekute sageduste kogum v määrab vastava aatomi aatomispektri: alumiselt ülemisele tasemele üleminekute sageduste kogum on selle neeldumisspekter, ülemistelt madalamatele tasanditele üleminekute sageduste kogum on emissioonispekter. . Iga selline üleminek aatomispektris vastab teatud spektrijoonele sagedusega v.

Mittekiirguslike kvantsiirete korral saab aatom energiat juurde või kaotab, kui ta suhtleb teiste osakestega, millega ta gaasis kokku põrkab või on molekulis, vedelas või tahkes aines pikka aega seotud. Gaasis võib aatomit pidada vabaks kokkupõrgete vaheliste ajavahemike jooksul; Kokkupõrke (löögi) ajal võib aatom liikuda madalamale või kõrgemale energiatasemele. Sellist kokkupõrget nimetatakse mitteelastseks (erinevalt elastsest kokkupõrkest, mille puhul muutub ainult aatomi translatsioonilise liikumise kineetiline energia ja selle siseenergia jääb muutumatuks). Oluline erijuhtum on vaba aatomi kokkupõrge elektroniga; Tavaliselt liigub elektron kiiremini kui aatom, kokkupõrkeaeg on väga lühike ja võib rääkida elektroni kokkupõrkest. Aatomi ergastamine elektronide löögiga on üks meetod selle energiataseme määramiseks.

Aatomi keemilised ja füüsikalised omadused. Enamiku aatomi omadustest määravad kindlaks tema väliste elektronkihtide struktuur ja omadused, milles elektronid on tuumaga suhteliselt nõrgalt seotud (seovad energiad mitmest eV kuni mitmekümne eV). Aatomi sisekestade struktuur, mille elektronid on seotud palju tihedamalt (sidumisenergiad sadu, tuhandeid ja kümneid tuhandeid eV), ilmneb alles siis, kui aatom interakteerub kiirete osakeste ja suure energiaga footonitega (veel kui sadu eV). Sellised vastasmõjud määravad aatomi röntgenspektrid ja kiirete osakeste hajumise (vt Osakeste difraktsioon). Aatomi mass määrab selle mehaanilised omadused aatomi kui terviku liikumisel – impulsi, kineetilise energia. Aatomi mitmesugused resonants- ja muud füüsikalised omadused sõltuvad aatomi mehaanilistest ja nendega seotud magnet- ja elektrimomentidest (vt Elektronide paramagnetresonants, Tuumamagnetresonants, Tuumakvadrupoolresonants).

Aatomi väliskesta elektronid on välismõjude poolt kergesti mõjutatavad. Aatomite ühinemisel tekivad tugevad elektrostaatilised vastasmõjud, mis võivad viia keemilise sideme moodustumiseni. Kahe aatomi nõrgem elektrostaatiline interaktsioon avaldub nende vastastikuses polarisatsioonis – elektronide nihkes tuumade suhtes, mis on nõrgalt seotud väliselektronide puhul tugevaim. Tekivad polarisatsioonijõud aatomite vahel, millega tuleb arvestada ka suurte vahemaade korral. Aatomi polarisatsioon toimub ka välistes elektriväljades; Selle tulemusena nihkuvad aatomi energiatasemed ja mis kõige tähtsam, lagunevad energiatasemed jagunevad (Starki efekt). Aatomi polariseerumine võib toimuda valguse (elektromagnetilise) laine elektrivälja mõjul; see sõltub valguse sagedusest, mis määrab sõltuvuse sellest ja murdumisnäitaja (vt Valguse hajumine), mis on seotud aatomi polariseeritavusega. Aatomi optiliste omaduste ja elektriliste omaduste tihe seos avaldub eriti selgelt selle optilistes spektrites.

Aatomite magnetilised omadused määratakse peamiselt nende elektrooniliste kestade struktuuri järgi. Aatomi magnetmoment sõltub tema mehaanilisest momendist (vt Magneto-mehaaniline suhe), täielikult täidetud elektronkihtidega aatomis on see null, nagu ka mehaaniline moment. Osaliselt täidetud välimiste elektronkihtidega aatomitel on tavaliselt nullist erinevad magnetmomendid ja nad on paramagnetilised. Välises magnetväljas jagunevad kõik aatomite tasemed, mille magnetmoment ei võrdu nulliga – toimub Zeemani efekt. Kõigil aatomitel on diamagnetism, mis on tingitud magnetmomendi tekkimisest neisse välise magnetvälja mõjul (nn indutseeritud magnetmoment, mis sarnaneb aatomi elektrilise dipoolmomendiga).

Aatomi järjestikuse ioniseerimisega, see tähendab selle elektronide eemaldamisega, alustades nende sideme tugevuse suurendamise järjekorras äärepoolseimatest, muutuvad vastavalt kõik aatomi omadused, mis on määratud selle väliskestaga. Üha tihedamalt seotud elektronid muutuvad välisteks; selle tulemusena väheneb oluliselt aatomi võime polariseeruda elektriväljas, suurenevad energiatasemete vahelised kaugused ja nende tasandite vaheliste optiliste üleminekute sagedused (mis toob kaasa spektrite nihke üha lühemate lainepikkuste suunas). Mitmed omadused on perioodilised: sarnaste väliselektronidega ioonide omadused on sarnased; näiteks N 3+ (kaks 2s elektroni) on sarnasus N 5+ (kaks 1s elektroni). See kehtib energiatasemete omaduste ja suhteliste positsioonide ning optiliste spektrite, aatomi magnetmomentide jms kohta. Kõige dramaatilisem muutus omadustes toimub siis, kui väliskihilt eemaldatakse viimane elektron, kui näiteks N 4+-lt N 5+-le (elektroonilised konfiguratsioonid 1s 2 2s ja 1s 2) jäävad alles vaid täielikult täidetud kestad. Sel juhul on ioon kõige stabiilsem ning selle mehaanilised ja kogumagnetmomendid on nulliga võrdsed.

Seotud olekus (näiteks molekuli osa) oleva aatomi omadused erinevad vaba aatomi omadustest. Suurimad muutused toimuvad aatomi omadustes, mille määravad äärmised elektronid, mis osalevad antud aatomi kinnitumisel teisega. Samal ajal võivad sisemiste kestade elektronide poolt määratud omadused jääda praktiliselt muutumatuks, nagu see on röntgenspektri puhul. Mõned aatomi omadused võivad kogeda suhteliselt väikseid muutusi, millest saab teavet seotud aatomite vastastikmõju olemuse kohta. Oluliseks näiteks on aatomienergia tasemete lõhenemine kristallides ja kompleksühendites, mis toimub ümbritsevate ioonide tekitatud elektriväljade mõjul.

Eksperimentaalsed meetodid aatomi ehituse, energiatasemete, vastastikmõjude uurimiseks teiste aatomite, elementaarosakeste, molekulide, välisväljadega jne on erinevad, kuid põhiteave sisaldub selle spektrites. Aatomispektroskoopia meetodid kõigis lainepikkuste vahemikes ja eriti kaasaegsed laserspektroskoopia meetodid võimaldavad uurida aatomiga seotud üha peenemaid mõjusid. Alates 19. sajandi algusest oli aatomi olemasolu teadlastele ilmselge, kuid eksperimendi selle olemasolu tõelisuse tõestamiseks tegi J. Perrin 20. sajandi alguses. Mikroskoopia arenedes sai võimalikuks tahkete ainete pinnal olevate aatomite kujutiste saamine. Aatomit nägi esmakordselt E. Muller (USA, 1955), kasutades tema leiutatud väljaioonmikroskoobi. Kaasaegsed aatomijõu- ja tunnelmikroskoobid võimaldavad saada tahketest pindadest hea eraldusvõimega pilte aatomitasandil (vt joonis 3).

Riis. 3. Oxfordi ülikooli professori M. Capstelli poolt skaneeriva tunnelmikroskoobi abil saadud ränipinna aatomstruktuuri kujutis.

Nn eksootilised aatomid on olemas ja neid kasutatakse laialdaselt erinevates uuringutes, näiteks müooniaatomid, s.o aatomid, milles kõik või osa elektronidest on asendatud negatiivsete müüonidega, muooniumi, positrooniumiga, aga ka hadrooniliste aatomitega, mis koosnevad laetud pioonidest, kaoonidest. , prootonid, deuteronid jne. Tehti ka esimesed vaatlused antivesiniku aatomi (2002) – positronist ja antiprootonist koosneva aatomi – kohta.

Lit.: Sündinud M. Aatomifüüsika. 3. väljaanne M., 1970; Fano U., Fano L. Aatomite ja molekulide füüsika. M., 1980; Shpolsky E.V. Aatomifüüsika. 7. väljaanne M., 1984. T. 1-2; Eljaševitš M. A. Aatomi- ja molekulaarspektroskoopia. 2. väljaanne M., 2000.