атом

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Порівняльний розмір атома гелію та його ядра

А́том (від др.-грец. ἄτομος «неподільний [1] , не розрізаний [2] ») — частка речовини мікроскопічних розмірів і маси, найменша частина хімічного елемента , яка є носієм його властивостей [1] [3] .

Атоми складаються з ядра та електронів (точніше, електронної «хмари» ). Ядро атома складається з протонів та нейтронів . Кількість нейтронів у ядрі може бути різною: від нуля до кількох десятків. Якщо число електронів збігається з числом протонів в ядрі, то атом загалом виявляється електрично нейтральним. В іншому випадку він має деякий позитивний або негативний заряд і називається іоном [1] . У деяких випадках під атомами розуміють тільки електронейтральні системи, в яких заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тим самим протиставляючи їх зарядженим електричним іонам [3] [4] .

Ядро, що несе майже всю (більш ніж 99,9%) масу атома, складається з позитивно заряджених протонів та незаряджених нейтронів , пов'язаних між собою за допомогою сильної взаємодії . Атоми класифікуються за кількістю протонів та нейтронів у ядрі: число протонів Z відповідає порядковому номеру атома в періодичній системі Менделєєва та визначає його приналежність до деякого хімічного елементу, а число нейтронів N – певному ізотопу цього елемента. Єдиний стабільний атом, що не містить нейтронів в ядрі - легкий водень ( протий ). Число Z також визначає сумарний позитивний електричний заряд ( Z × e ) атомного ядра і число електронів у нейтральному атомі, що задає його розмір [5] .

Атоми різного виду у різних кількостях, пов'язані міжатомними зв'язками , утворюють молекули .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Короткий огляд різних сімейств елементарних та складових частинок та теорії, що описують їх взаємодії . Елементарні частинки ліворуч - ферміони , праворуч - бозони . ( Терміни - гіперпосилання на статті ВП )

Історія становлення поняття

Поняття про атом як найменшу неподільну частину матерії було вперше сформульовано давньоіндійськими і давньогрецькими філософами (див.: атомізм ). У XVII і XVIII століттях хімікам вдалося експериментально підтвердити цю ідею, показавши, що деякі речовини не можуть бути піддані подальшому розщепленню складові елементи за допомогою хімічних методів. Однак наприкінці XIX — на початку XX століття фізиками були відкриті субатомні частинки та складова структура атома, і стало ясно, що реальна частка, якій було присвоєно ім'я атома, насправді не є неподільною.

На міжнародному з'їзді хіміків у Карлсруе (Німеччина) у 1860 році було прийнято визначення понять молекули та атома. Атом - найменша частка хімічного елемента, що входить до складу простих та складних речовин.

Моделі атомів

  • Шматочки матерії . Демокріт вважав, що властивості тієї чи іншої речовини визначаються формою , масою , та ін. характеристиками атомів, що його утворюють. Так, скажімо, біля вогню атоми гострі, тому вогонь здатний обпалювати, у твердих тіл вони шорсткі, тому міцно зчіплюються один з одним, у води гладкі, тому вона здатна текти. Навіть душа людини , згідно з Демокрітом, складається з атомів. [6]
  • Модель атома Томсона 1904 (модель «Пудинг з родзинками»). Дж. Дж. Томсон запропонував розглядати атом як деяке позитивно заряджене тіло із ув'язненими всередині нього електронами . Була остаточно спростована Резерфордом після проведеного ним знаменитого досвіду з розсіювання альфа-частин .
  • Рання планетарна модель атома Нагаокі . В 1904 японський фізик Хантаро Нагаока запропонував модель атома, побудовану за аналогією з планетою Сатурн . У цій моделі навколо маленького позитивного ядра орбітами оберталися електрони, об'єднані в кільця. Модель виявилася помилковою.
  • Планетарна модель атома Бора-Резерфорда . У 1911 році [7] Ернест Резерфорд, зробивши ряд експериментів, дійшов висновку, що атом є подібністю до планетної системи , в якій електрони рухаються по орбітах навколо розташованого в центрі атома важкого позитивно зарядженого ядра («модель атома Резерфорда»). Однак такий опис атома увійшов у суперечність із класичною електродинамікою . Справа в тому, що, згідно класичної електродинаміки, електрон при русі з доцентровим прискоренням повинен випромінювати електромагнітні хвилі , а, отже, втрачати енергію . Розрахунки показували, що час, за який електрон у такому атомі впаде на ядро, зовсім незначний. Для пояснення стабільності атомів Нільсу Бору довелося запровадити постулати , які зводилися до того що, що електрон у атомі, перебуваючи у деяких спеціальних енергетичних станах, не випромінює енергію («модель атома Бора-Резерфорда»). Необхідність введення постулатів Бора була наслідком усвідомлення те, що для опису атома класична механіка не застосовується. Подальше вивчення випромінювання атома призвело до створення квантової механіки , яка дозволила пояснити переважну більшість спостережуваних фактів.

Квантово-механічна модель атома

Сучасна модель атома є розвитком планетарної моделі Бора Резерфорда. Згідно з сучасною моделлю, ядро ​​атома складається з позитивно заряджених протонів і не мають заряду нейтронів і оточене негативно зарядженими електронами . Проте уявлення квантової механіки неможливо вважати, що електрони рухаються навколо ядра по скільки-небудь певним траєкторіям ( невизначеність координати електрона в атомі можна порівняти з розмірами самого атома).

Хімічні властивості атомів визначаються конфігурацією електронної оболонки та описуються квантовою механікою . Положення атома в таблиці Менделєєва визначається електричним зарядом його ядра (тобто кількістю протонів), тоді як кількість нейтронів не впливає на хімічні властивості; при цьому нейтронів в ядрі, як правило, більше, ніж протонів (див. атомне ядро ). Якщо атом перебуває у нейтральному стані, то кількість електронів у ньому дорівнює кількості протонів. Основна маса атома зосереджена в ядрі, а масова частка електронів у загальній масі атома незначна (кілька сотих відсотка маси ядра).

Масу атома прийнято вимірювати в атомних одиницях маси (Дальтон), рівних 1/12 від маси атома стабільного ізотопу вуглецю 12 C .

Будова атома

Субатомні частки

Хоча слово атом у первісному значенні позначало частинку, яка не ділиться на менші частини, згідно з науковими уявленнями він складається з дрібніших частинок, званих субатомними частинками . Атом складається з електронів , протонів , всі атоми, крім водню-1 , містять також нейтрони .

Електрон є найлегшою із складових атом частинок з масою 9,11⋅10 -31 кг , негативним зарядом і розміром , надто малим для вимірювання сучасними методами.[8] Експерименти за надточним визначенням магнітного моменту електрона ( Нобелівська премія 1989 року) показують, що розміри електрона не перевищують 10 -18 м [9] [10] .

Протони мають позитивний заряд і в 1836 разів важче електрона (1,6726⋅10 -27 кг). Нейтрони не мають електричного заряду і в 1839 раз важче електрона (1,6749⋅10 -27 кг). [11]

При цьому маса ядра менша за суму мас складових його протонів і нейтронів через явища дефекту маси . Нейтрони і протони мають порівнянний розмір близько 2,5⋅10 -15 м , хоча розміри цих частинок визначені погано. [12]

У стандартній моделі елементарних частинок як протони, і нейтрони складаються з елементарних частинок, званих кварками . Поряд з лептонами , кварки є однією з основних складових матерії. І перші та другі є ферміонами . Існує шість типів кварків, кожен з яких має дробовий електричний заряд, рівний + 2 3 або (− 1 3 ) елементарного . Протони складаються з двох u-кварків і одного d-кварка , а нейтрон - з одного u-кварка та двох d-кварків. Ця відмінність пояснює різницю в масах та зарядах протона та нейтрона. Кварки пов'язані між собою сильними ядерними взаємодіями , що передаються глюонами . [13] [14]

Електрони в атомі

При описі електронів в атомі в рамках квантової механіки зазвичай розглядають розподіл ймовірності 3n-мірному просторі для системи n електронів.

Електрони в атомі притягуються до ядра, між електронами також діє кулонівська взаємодія . Ці ж сили утримують електрони всередині потенційного бар'єру , що оточує ядро. Для того, щоб електрон зміг подолати тяжіння ядра, йому необхідно отримати енергію від зовнішнього джерела. Чим ближче електрон знаходиться до ядра, тим більше енергії для цього потрібно.

Електронам, як і іншим частинкам, властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм . Іноді кажуть, що електрон рухається по орбіталі , що не так. Стан електронів описується хвильовою функцією , квадрат модуля якої характеризує щільність ймовірності знаходження частинок у цій точці простору на даний момент часу, або, у випадку, оператором щільності . Існує дискретний набір атомних орбіталей , яким відповідають стаціонарні чисті стани електронів в атомі.

Кожній орбіталі відповідає свій рівень енергії . Електрон в атомі може перейти на рівень з більшою енергією при зіткненні даного атома з іншим атомом, електроном, іоном, або поглинувши фотон відповідної енергії. При переході більш низький рівень електрон віддає енергію шляхом випромінювання фотона, чи шляхом передачі енергії іншому електрону (безвипромінювальний перехід, удари другого роду). Як і у разі поглинання, при випромінювальному переході енергія фотона дорівнює різниці енергій електрона на цих рівнях (див. Постулати Бору ). Частота випромінювання ν, що випускається, пов'язана з енергією фотона E співвідношенням E = hν , де hпостійна Планка .

Властивості атома

За визначенням, будь-які два атоми з тим самим числом протонів у тому ядрах ставляться одного хімічному елементу . Атоми з тим самим кількістю протонів, але різною кількістю нейтронів називають ізотопами даного елемента. Наприклад, атоми водню завжди містять один протон, але існують ізотопи без нейтронів ( водень-1 , іноді також званий протиєм - найбільш поширена форма), з одним нейтроном ( дейтерій ) та двома нейтронами ( тритій ). [15] Відомі елементи становлять безперервний натуральний ряд за кількістю протонів в ядрі, починаючи з атома водню з одним протоном і закінчуючи атомом оганесону , в ядрі якого 118 протонів. [16] Усі ізотопи елементів періодичної системи , починаючи з номера 83 ( вісмут ), радіоактивні . [17] [18]

Маса

Оскільки найбільший внесок у масу атома роблять протони і нейтрони, сумарне число цих частинок називають масовим числом . Масу спокою атома часто виражають в атомних одиницях маси (а. е. м), яка також називається дальтоном (Так). Ця одиниця визначається як 1/12 частина маси спокою нейтрального атома вуглецю-12 , яка приблизно дорівнює 1,66⋅10 -24 м [19] Водень-1 - найлегша ізотоп водню і атом з найменшою масою, має атомний вага близько 1, 007825 а. е. м. [20] Маса атома приблизно дорівнює добутку масового числа на атомну одиницю маси [21] Найважчий стабільний ізотоп - свинець-208 [17] з масою 207,9766521 а. е. м. [22]

Оскільки маси навіть найважчих атомів у звичайних одиницях (наприклад, у грамах) дуже малі, то хімії для виміру цих мас використовують молі . В одному молі будь-якої речовини за визначенням міститься те саме число атомів (приблизно 6,022⋅10 23 ). Це число ( Авогадро ) обрано таким чином, що якщо маса елемента дорівнює 1 а. е. м., то моль атомів цього елемента матиме масу 1 г. Наприклад, вуглець має масу 12 а. е. м., тому 1 моль вуглецю важить 12 р. [19]

Розмір

Атоми не мають чітко вираженої зовнішньої межі, тому їх розміри визначаються на відстані між ядрами однакових атомів, які утворили хімічний зв'язок ( ковалентний радіус ) або на відстані до найдальшої зі стабільних орбіт електронів в електронній оболонці цього атома ( радіус атома ). Радіус залежить від положення атома в періодичній системі, виду хімічного зв'язку, числа найближчих атомів ( координаційного числа ) та квантово-механічної властивості, відомого як спин . [23] У періодичній системі елементів розмір атома збільшується при русі зверху вниз по стовпцю і зменшується при русі рядком зліва направо. [24] Відповідно, найменший атом – це атом гелію, що має радіус 32 пм , а найбільший – атом цезію (225 пм). [25] Ці розміри в тисячі разів менші за довжину хвилі видимого світла (400-700 нм ), тому атоми не можна побачити в оптичний мікроскоп . Однак окремі атоми можна спостерігати за допомогою скануючого тунельного мікроскопа .

Трохи атомів демонструють такі приклади. Людське волосся по товщині в мільйон разів більше атома вуглецю. [26] Одна крапля води містить 2 секстильйони (2⋅10 21 ) атомів кисню , і вдвічі більше атомів водню . [27] Один карат алмазу з масою 0,2 г складається з 10 секстильйонів атомів вуглецю . [28] Якби яблуко можна було збільшити до розмірів Землі , то атоми досягли б вихідних розмірів яблука. [29]

Науковці з Харківського фізико-технічного інституту представили перші в історії науки знімки атома. Для отримання знімків вчені використовували електронний мікроскоп , що фіксує випромінювання та поля (field-emission electron microscope, FEEM). Фізики послідовно розмістили десятки атомів вуглецю у вакуумній камері і пропустили через них електричний розряд 425 вольт. Випромінювання останнього атома в ланцюжку на фосфорний екран дозволило отримати зображення хмари електронів навколо ядра. [30]

Радіоактивний розпад

Діаграма часу напіврозпаду (T ½ ) в секундах для різних ізотопів із Z протонами та N нейтронами.

У кожного хімічного елемента є один або більше ізотопів з нестабільними ядрами, які схильні до радіоактивного розпаду , в результаті чого атоми випускають частинки або електромагнітне випромінювання. Радіоактивність виникає, коли радіус ядра більший за радіус дії сильних взаємодій (відстаней порядку 1 фм [31] ).

Існують три основні форми радіоактивного розпаду [32] [33] :

  • Альфа-розпад відбувається, коли ядро ​​випускає альфа-частинку - ядро ​​атома гелію , що складається з двох протонів і двох нейтронів. В результаті випромінювання цієї частинки виникає елемент з меншим на два атомні номери .
  • Бета-розпад відбувається через слабкі взаємодії , і в результаті нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино , в другому випадку на протон, позитрон і нейтрино . Електрон та позитрон називають бета-частинками. Бета-розпад збільшує чи зменшує атомний номер на одиницю. До бета-розпаду відносять і зворотний процес - електронне захоплення , коли один із протонів атомного ядра захоплює орбітальний електрон і перетворюється на нейтрон, випускаючи електронне нейтрино.
  • Гамма-випромінювання відбувається через переходу ядра в стан з нижчою енергією з випромінюванням електромагнітного випромінювання. Гамма-випромінювання може відбуватися за випромінюванням альфа- або бета-частинки після радіоактивного розпаду.

Кожен радіоактивний ізотоп характеризується періодом напіврозпаду , тобто часом, за який розпадається половина ядер зразка. Це експоненційний розпад , який вдвічі зменшує кількість ядер, що залишилися, за кожен період напіврозпаду. Наприклад, після двох періодів напіврозпаду в зразку залишиться лише 25% ядер вихідного ізотопу. [31]

Магнітний момент

Елементарні частинки мають внутрішню квантовомеханічну властивість, відому як спин . Воно аналогічно кутовому моменту об'єкта, що обертається навколо власного центру мас , хоча строго кажучи, ці частинки є точковими і не можна говорити про їхнє обертання. Спін вимірюють в одиницях наведеної планківської постійної ( ), тоді електрони, протони та нейтрони мають спін, рівний ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину. [34]

Магнитное поле , создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули , по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии , связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — в состоянии со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов. [35]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие . Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля. [35] [36]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако для некоторых элементов (таких как ксенон-129 ) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией . Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии . [37] [38]

Энергетические уровни

Электрон в атоме находится в связанном состоянии; находясь на возбуждённом уровне, он обладает потенциальной энергией , которая пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ), и максимальное её значение равно энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). По мере перехода электрона (в атоме) на более низкие уровни потенциальная энергия уменьшается, но превращается не в кинетическую, а в энергию излучаемых фотонов. Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным (потенциальная энергия равна нулю — электрон глубже падать уже не может), а все остальные — возбуждёнными. [39]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Эту энергию можно сообщить атому путём удара другой частицей либо путём поглощения или, соответственно, испускания фотона , причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Частота испускаемого излучения пропорциональна энергии фотона, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра . [40] Каждый химический элемент имеет уникальный спектр испускания , который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов. [41]

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму ), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно возвращаются на уровень, лежащий ниже по шкале энергии, снова испуская фотоны. Испущенные фотоны излучаются не в том направлении, в каком падал поглощённый, а произвольно в телесном угле 4 пи стерадиан. В результате в непрерывном спектре появляются участки с очень низким уровнем излучения, то есть темные линии поглощения. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения , в котором имеются серии тёмных линий и полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром , испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём. [42]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле « тонкой структурой » спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона. [43]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана . Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный ( эффект Пашена — Бака ). [44] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка . [45]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу . Это свойство используется в лазерах , которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот. [46]

Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи . Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки. [47]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов , их упорядочивают в виде периодической таблицы . Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами . [48] [49]

Дисперсионное притяжение

Важным свойством атома является его склонность к дисперсионному притяжению . Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Ф. Лондоном . Межатомное взаимодействие возникает вследствие флуктуаций заряда в двух атомах, находящихся близко друг от друга. Поскольку электроны движутся, каждый атом обладает мгновенным дипольным моментом, отличным от нуля. Если бы флуктуации электронной плотности в двух атомах были бы несогласованными, то не было бы результирующего притяжения между атомами. Однако мгновенный диполь на одном атоме наводит противоположно направленный диполь в соседнем атоме. Эти диполи притягиваются друг к другу за счёт возникновения силы притяжения, которая называется дисперсионной силой, или силой Лондона. Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости атома α и обратно пропорциональна r 6 , где r — расстояние между двумя атомами. [50]

Деформационная поляризация атома

Деформационная поляризация проявляется в присущей атомам способности к упругой деформации их электронных оболочек под действием электромагнитных полей. Сегодняшнее понимание явления деформационной поляризации основано на представлениях о конечной упругости электронных оболочек атомов под действием электрического поля [51] . Снятие внешнего электрического поля приводит к восстановлению электронной оболочки атома.

Деформация электронной оболочки атома приводит к смещению электронной плотности в атоме, что сопровождается образованием наведённого электрического дипольного момента μ. Дипольный момент равен произведению величины положительного заряда q на расстояние между зарядами L и направлен от отрицательного заряда к положительному μ=qL. В относительно слабых электрических полях наведённый дипольный момент пропорционален напряжённости электрического поля E. μ =α e E, где α e — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.

Ионизация атома

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля наблюдается необратимая деформация атома, сопровождающаяся отрывом электрона.

Происходит ионизация атома, атом отдаёт электрон и превращается в положительно заряженный ионкатион . Отрыв электрона от атома требует затраты энергии, называемой потенциалом ионизации или энергией ионизации.

Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Изменение энергии отрыва первого электрона в зависимости от порядкового номера элемента приведено на рисунке.

Наименьшей энергией ионизации обладают атомы щелочных металлов, наибольшей — атомы благородных газов.

Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I 1 , I 2 , I 3 … соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Взаимодействие атома с электроном

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

Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион .

Энергетический эффект процесса присоединения к нейтральному атому (Э) принято называть энергией сродства к электрону. Э + e - → Э -

На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3-4 эВ):

атом Энергия сродства к электрону, эВ [52]
F 3,62 ± 0,09
Cl 3,82 ± 0,06
Br 3,54 ± 0,06
I 3,23 ± 0,06

Электроотрицательность атома

Электроотрицательность атома (χ) — фундаментальное свойство атома смещать к себе общие электронные пары в молекуле. Способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений ( по Малликену ) электроотрицательность атома (χ) может быть выражена как полусумма его энергии ионизации (i) и сродства к электрону (F):

Имеется около двадцати шкал электроотрицательности атома, в основу расчёта значений которых положены различные свойства веществ. Полученные значения разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково.

Детальный поиск взаимосвязи между шкалами электроотрицательности позволил сформулировать новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов [53] .

Электроотрицательность.jpg

Символізм

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

С момента вхождения человечества в атомную эру атом приобрел и символический смысл. Чаще всего атом изображается в виде упрощенной модели Бора-Резерфорда. Однако, встречаются и более усложненные варианты изображения. Чаще всего изображение атома символизирует атомную энергетику («мирный атом»), ядерное оружие, ядерную физику, либо науку и научно-технический прогресс в целом.

Див. також

Примітки

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

Література

На англійській мові

Посилання