Ли атом. Мир прекрасен

Ответ редакции

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил свою теорию строения атома. За основу он взял планетарную модель атома, разработанную физиком Резерфордом. В ней атом уподоблялся объектам макромира — планетарной системе, где планеты двигаются по орбитам вокруг большой звезды. Аналогично в планетарной модели атома электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре тяжёлого ядра.

Бор ввёл в теорию атома идею квантования. Согласно ей, электроны могут двигаться только по фиксированным орбитам, соответствующим определённым энергетическим уровням. Именно модель Бора стала основой для создания современной квантово-механической модели атома. В этой модели ядро атома, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов, тоже окружено отрицательно заряженными электронами. Однако согласно квантовой механике, для электрона нельзя определить какую-то точную траекторию или орбиту движения — есть только область, в которой находятся электроны с близким энергетическим уровнем.

Что находится внутри атома?

Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Нейтроны были открыты после того, как физиками была разработана планетарная модель атома. Лишь в 1932 году, проводя серию опытов, Джеймс Чедвик обнаружил частицы, не имеющие никакого заряда. Отсутствие заряда подтверждалось тем, что эти частицы никак не реагировали на электромагнитное поле.

Само ядро атома образуют тяжёлые частицы — протоны и нейтроны: каждая из этих частиц почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Протоны и нейтроны также имеют схожие размеры, но протоны обладают положительным зарядом, а нейтроны не имеют заряда вообще.

В свою очередь, протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. В современной физике кварки являются самой маленькой, основной частицей материи.

Размеры самого атома во много раз превышают размеры ядра. Если увеличить атом до размеров футбольного поля, то размеры его ядра могут быть сопоставимы с теннисным мячиком в центре такого поля.

В природе существует множество атомов, различающихся размерами, массой и другими характеристиками. Совокупность атомов одного вида называется химическим элементом. На сегодняшний день известно более ста химических элементов. Их атомы различаются размерами, массой, а также строением.

Электроны внутри атома

Отрицательно заряженные электроны двигаются вокруг ядра атома, образуя своего рода облако. Массивное ядро притягивает электроны, но энергия самих электронов позволяет им «убегать» дальше от ядра. Таким образом, чем больше энергия электрона, тем дальше от ядра он находится.

Значение энергии электронов не может быть произвольным, оно соответствует чётко определенному набору энергетических уровней в атоме. То есть энергия электрона изменяется скачкообразно от одного уровня к другому. Соответственно, и двигаться электрон может только в рамках ограниченной электронной оболочки, соответствующей тому или иному энергетическому уровню — в этом смысл постулатов Бора.

Получив больше энергии, электрон «перескакивает» в более высокий от ядра слой, потеряв энергию — наоборот, в более низкий слой. Таким образом, облако электронов вокруг ядра упорядочено в виде нескольких «нарезанных» слоев.

История представлений об атоме

Само слово «атом» происходит от греческого «неделимый» и восходит к идеям древнегреческих философов о наименьшей неделимой части материи. В средние века химики убедились в том, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы. Такие наименьшие частицы вещества и получили название атомов. В 1860 году на международном съезде химиков в Германии это определение было официально закреплено в мировой науке.

В конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и стало ясно, что атом в действительности не является неделимым. Сразу же были выдвинуты теории о внутреннем строении атома, одной из первых среди которых стала модель Томсона или модель «пудинга с изюмом». Согласно этой модели, маленькие электроны находились внутри массивного положительно заряженного тела — как изюм внутри пудинга. Однако, практические эксперименты химика Резерфорда опровергли эту модель и привели того к созданию планетарной модели атома.

Развитие планетарной модели Бором наряду с открытием в 1932 году нейтронов сформировало основу для современной теории о строении атома. Следующие этапы в развитии знаний об атоме уже связаны с физикой элементарных частиц: кварков, лептонов, нейтринов, фотонов, бозонов и других.

Каждый день мы пользуемся какими-нибудь предметами: берем их в руки, совершаем над ними любые манипуляции - переворачиваем, рассматриваем, в конце концов, ломаем. А вы никогда не задумывались о том, из чего состоят эти предметы? "Чего уж здесь думать? Из металла/дерева/пластика/ткани!" - недоуменно ответят многие из нас. Отчасти это правильный ответ. А из чего состоят эти материалы - металл, дерево, пластик, ткань и многие другие вещества? Сегодня мы и обсудим этот вопрос.

Молекула и атом: определение

У знающего человека ответ на него прост и банален: из атомов и молекул. Но некоторые люди озадачиваются и начинают сыпать вопросами: "Что такое атом и молекула? Как они выглядят?" и т.д., и т.п. Ответим на эти вопросы по порядку. Ну, во-первых, что такое атом и молекула? Скажем вам сразу, что эти определения - не одно и то же. И даже более того - это совершенно разные термины. Итак, атом - это самая маленькая часть химического элемента, которая является носителем его свойств, частица вещества мизерных массы и размеров. А молекула - это электрически нейтральная частица, которую образуют несколько соединенных атомов.

Что такое атом: строение

Атом состоит из электронной оболочки и (фото). В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов, а оболочка - из электронов. В атоме протоны заряжены положительно, электроны - отрицательно, а нейтроны вообще не заряжены. Если число протонов соответствует то атом является электронейтральным, т.е. если мы прикоснемся к веществу, образованному из молекул с такими атомами, то не почувствуем ни малейшего электрического импульса. И даже сверхмощные ЭВМ его не уловят по причине отсутствия последнего. Но случается так, что протонов больше, чем электронов, и наоборот. Тогда такие атомы правильнее будет называть ионами. Если в нем больше протонов, то он электрически положительный, если же преобладают электроны - электрически отрицательный. В каждом определенном атоме есть строгое количество протонов, нейтронов и электронов. И его можно высчитать. Шаблон для решения задач по нахождению количества этих частиц выглядит так:

Хим. элемент - R (вставить название элемента)
Протоны (p) - ?
Электроны (е) - ?
Нейтроны (n) - ?
Решение:
р = порядковый № хим. элемента R в периодической системе им Д.И. Менделеева
е = р
n = А r (R) - № R

Что такое молекула: строение

Молекула - это наименьшая частица химического вещества, то есть она уже непосредственно входит в его состав. Молекула определенного вещества состоит из нескольких одинаковых или различных атомов. Особенности строения молекул зависят от физических свойств вещества, в котором они присутствуют. Молекулы состоят из электронов и атомов. Расположение последних можно узнать с помощью структурной формулы. позволяет определить ход химической реакции. Обычно они нейтральные (не имеют электрического заряда), и у них нет неспаренных электронов (все валентности являются насыщенными). Однако они могут быть и заряженными, тогда их правильное название - ионы. Также у молекул могут быть неспаренные электроны и ненасыщенные валентности - в этом случае их называют радикалами.

Заключение

Теперь вы знаете, что такое атом и Все без исключения вещества состоят из молекул, а последние, в свою очередь, построены из атомов. Физические свойства вещества определяют расположение и связь атомов и молекул в нем.

АТОМ [французский atome, от латинского atomus, от греческого?τομος (ουσ?α) - неделимая (сущность)], частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы каждого элемента индивидуальны по строению и свойствам и обозначаются химическими символами элементов (например, атом водорода - Н, железа - Fe, ртути - Hg, урана - U и т. д.). Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном (смотри Химическая связь). Всё многообразие веществ обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Свойства газообразных, жидких и твёрдых веществ зависят от свойств составляющих их атомов. Все физические и химические свойства атома определяются его строением и подчиняются квантовым законам. (Об истории развития учения об атоме смотри в статье Атомная физика.)

Общая характеристика строения атомов . Атом состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определяются размерами его внешней электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра атома. Характерные порядки диаметров, площадей поперечного сечения и объёмов атома и ядра составляют:

Атом 10 -8 см 10 -16 см 2 10 -24 см 3

Ядро 10 -12 см 10 -24 см 2 10 -36 см 3

Электронные оболочки атома не имеют строго определённых границ, и значения размеров атома в большей или меньшей степени зависят от способов их определения.

Заряд ядра - основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым, кратным положительному элементарному электрическому заряду, равному по абсолютному значению заряду электрона -е. Заряд ядра равен +Ze, где Z - порядковый номер (атомный номер). Z= 1, 2, 3,... для атомов последовательных элементов в периодической системе химических элементов, то есть для атомов Н, Не, Li, .... В нейтральном атоме ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом -Ze. Атом может потерять или присоединить к электронов и стать положительным или отрицательным ионом (к = 1, 2, 3, ... - кратность его ионизации). К атому определённого элемента часто относят и его ионы. При написании ионы отличают от нейтрального атома индексом к + и к - ; например, О - нейтральный атом кислорода, О + , О 2+ , О 3+ , ..., О 8+ , О - , О 2- - его положительные и отрицательные ионы. Совокупность нейтрального атома и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд, например ряд водородоподобных атомов Н, Не + , Li 2+ , Ве 3+ ,... .

Кратность заряда ядра атома элементарному заряду е получила объяснение на основании представлений о строении ядра: Z равно числу протонов в ядре, заряд протона равен +е. Масса атома возрастает с увеличением Z. Масса ядра атома приближённо пропорциональна массовому числу А - общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0,91 · 10 -27 г) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы протона или нейтрона (1,67?10 -24 г), поэтому масса атома в основном определяется массой его ядра.

Атомы данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А-Z может меняться); такие разновидности атомов одного и того же элемента называются изотопами. Различие массы ядра почти не сказывается на строении электронных оболочек данного атома, зависящем от Z, и свойствах атома. Наибольшие отличия в свойствах (изотопные эффекты) получаются для изотопов водорода (Z = 1) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого атома водорода (А = 1), дейтерия (А = 2) и трития (А= 3).

Масса атома изменяется от 1,67 ?10 -24 г (для основного изотопа атом водорода, Z=1, А=1) до примерно 4?10 -22 г (для атомов трансурановых элементов). Наиболее точные значения масс атомов могут быть определены методами масс-спектроскопии. Масса атома не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше - на дефект массы ΔM = W/c 2 , где W - энергия образования атома из ядра и электронов (энергия связи), с - скорость света. Эта поправка порядка массы электрона m e для тяжёлых атомов, а для лёгких пренебрежимо мала (порядка 10 -4 m e).

Энергия атома и её квантование . Благодаря малым размерам и большой массе атомное ядро можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс атома (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс атома мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно атом можно рассматривать как систему, в которой N электронов с зарядами — е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в атоме происходит в ограниченном объёме, то есть является связанным. Полная внутренняя энергия атома Е равна сумме кинетических энергий Т всех электронов и потенциальной энергии U - энергии притяжения их ядром и отталкивания друг от друга.

Согласно теории атома, предложенной в 1913 году Нильсом Бором, в атоме водорода один электрон с зарядом -е движется вокруг неподвижного центра с зарядом +е. В соответствии с классической механикой кинетическая энергия такого электрона равна

где v - скорость, p = m e v - количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии кулоновского притяжения электрона ядром) равна

и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция U(r) изображается кривой, неограниченно убывающей при уменьшении r, т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U(r) при r→∞ принято за нуль. При отрицательных значениях полной энергии Е = Т + U < 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U > 0 движение электрона является свободным - он может уйти на бесконечность с энергией Е = Т = (1/2)m е v 2 , что соответствует ионизованному атому водорода Н + . Таким образом, нейтральный атом водорода - система электростатически связанных ядра и электрона с энергией Е< 0.

Полная внутренняя энергия атома Е - его основная характеристика как квантовой системы (смотри Квантовая механика). Атом может длительно находиться лишь в состояниях с определённой энергией - стационарных (неизменных во времени) состояниях. Внутренняя энергия квантовой системы, состоящей из связанных микрочастиц (в том числе атома), может принимать одно из дискретного (прерывного) ряда значений

Каждому из этих «дозволенных» значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых состояний. Промежуточными значениями энергии (например, лежащими между Е 1 и Е 2 , Е 2 и Е 3 , и т.д.) система обладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована. Любое изменение Е связано с квантовым (скачкообразным) переходом системы из одного стационарного квантового состояния в другое (смотри ниже).

Возможные дискретные значения (3) энергии атома графически можно изобразить по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (на различные уровни), в виде схемы уровней энергии, где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте E i , i= 1, 2, 3, ... (рис. 1). Самый нижний уровень E 1 , соответствующий наименьшей возможной энергии атома, называется основным, а все остальные (E i >E 1), i = 2, 3, 4, ...) — возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные возбуждённые состояния из основного) необходимо возбудить систему - сообщить ей извне энергию E i -E 1 .

Квантование энергии атома является следствием волновых свойств электронов. Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, движению микрочастицы массы m со скоростью v соответствует длина волны λ = h/mv, где h - постоянная Планка. Для электрона в атоме λ порядка 10 -8 см, то есть порядка линейных размеров атома, и учёт волновых свойств электрона в атоме является необходимым. Связанное движение электрона в атоме схоже со стоячей волной, и его следует рассматривать не как движение материальной точки по траектории, а как сложный волновой процесс. Для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определённые значения длины волны λ (и, следовательно, частоты колебаний v). Согласно квантовой механике, энергия атома Е связана с v соотношением Е = hν и поэтому может принимать лишь определённые значения. Свободное, не ограниченное в пространстве поступательное движение микрочастицы, например движение электрона, оторванного от атома (с энергией Е> 0), сходно с распространением бегущей волны в неограниченном объёме, для которой возможны любые значения λ (и v). Энергия такой свободной микрочастицы может принимать любые значения (не квантуется, имеет непрерывный энергетический спектр). Такая непрерывная последовательность соответствует ионизованному атому. Значение Е ∞ = 0 соответствует границе ионизации; разность Е ∞ —Е 1 = Е ион называется энергией ионизации (смотри в статье Ионизационный потенциал); для атома водорода она равна 13,6 эВ.

Распределение электронной плотности . Точное положение электрона в атоме в данный момент времени установить нельзя вследствие неопределенностей соотношения. Состояние электрона в атоме определяется его волновой функцией, определённым образом зависящей от его координат; квадрат модуля волновой функции характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Волновая функция в явном виде является решением Шрёдингера уравнения.

Таким образом, состояние электрона в атоме можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда с некоторой плотностью - распределением электронной плотности. Электроны как бы «размазаны» в пространстве и образуют «электронное облако». Такая модель правильнее характеризует электроны в атоме, чем модель точечного электрона, движущегося по строго определённым орбитам (в теории атома Бора). Вместе с тем каждой такой боровской орбите можно сопоставить конкретное распределение электронной плотности. Для основного уровня энергии E 1 электронная плотность концентрируется вблизи ядра; для возбуждённых уровней энергии Е 2 , Е 3 , Е 4 ... она распределяется на всё больших средних расстояниях от ядра. В многоэлектронном атоме электроны группируются в оболочки, окружающие ядро на различных расстояниях и характеризующиеся определёнными распределениями электронной плотности. Прочность связи электронов с ядром во внешних оболочках меньше, чем во внутренних, и слабее всего электроны связаны в самой внешней оболочке, обладающей наибольшими размерами.

Учёт спина электрона и спина ядра . В теории атома весьма существен учёт спина электрона - его собственного (спинового) момента количества движения, с наглядной точки зрения соответствующего вращению электрона вокруг собственной оси (если электрон рассматривать как частицу малых размеров). Со спином электрона связан сто собственный (спиновый) магнитный момент. Поэтому в атоме необходимо учитывать, наряду с электростатическими взаимодействиями, и магнитные взаимодействия, определяемые спиновым магнитным моментом и орбитальным магнитным моментом, связанным с движением электрона вокруг ядра; магнитные взаимодействия малы по сравнению с электростатическими. Наиболее существенно влияние спина в многоэлектронных атомах: от спина электронов зависит заполнение электронных оболочек атома определённым числом электронов.

Ядро в атоме также может обладать собственным механическим моментом - ядерным спином, с которым связан ядерный магнитный момент в сотни и тысячи раз меньший электронного. Существование спинов приводит к дополнительным, очень малым взаимодействиям ядра и электронов (смотри ниже).

Квантовые состояния атома водорода . Важнейшую роль в квантовой теории атома играет теория простейшего одноэлектронного атома, состоящего из ядра с зарядом +Ze и электрона с зарядом -е, то есть теория атома водорода Н и водородоподобных ионов Не + , Li 2+ , Ве 3+ ,..., называемая обычно теорией атома водорода. Методами квантовой механики можно получить точную и полную характеристику состояний электрона в одноэлектронном атоме. Задача о многоэлектронном атоме решается лишь приближённо; при этом исходят из результатов решения задачи об одноэлектронном атоме.

Энергия одноэлектронного атома в нерелятивистском приближении (без учёта спина электрона) равна

целое число n = 1, 2, 3, ... определяет возможные дискретные значения энергии - уровни энергии - и называется главным квантовым числом, R - постоянная Ридберга, равная 13,6 эВ. Уровни энергии атома сходятся (сгущаются) к границе ионизации Е ∞ = 0, соответствующей n =∞. Для водородоподобных ионов изменяется (в Z 2 раз) лишь масштаб значений энергий. Энергия ионизации водородоподобного атома (энергия связи электрона) равна (в эВ)

что даёт для Н, Не + , Li 2+ , ... значения 13,6эВ, 54,4 эВ, 122,4 эВ, ... .

Основная формула (4) соответствует выражению U(r) = -Ze 2 /r для потенциальной энергии электрона в электрическом поле ядра с зарядом +Ze. Эта формула была впервые выведена Н. Бором путём рассмотрения движения электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса r и является точным решением уравнения Шрёдингера для такой системы. Уровням энергии (4) соответствуют орбиты радиуса

где постоянная а 0 = 0,529·10 -8 см = = 0,529 А - радиус первой круговой орбиты атома водорода, соответствующей его основному уровню (этим боровским радиусом часто пользуются в качестве удобной единицы для измерений длин в атомной физике). Радиус орбит пропорционален квадрату главного квантового числа n 2 и обратно пропорционален Z; для водородоподобных ионов масштаб линейных размеров уменьшается в Z раз по сравнению с атомом водорода. Релятивистское описание атома водорода с учётом спина электрона даётся Дирака уравнением.

Согласно квантовой механике, состояние атома водорода полностью определяется дискретными значениями четырёх физических величин: энергии Е; орбитального момента М l (момента количества движения электрона относительно ядра); проекции М lz орбитального момента на произвольно выбранное направление z; проекции M sz спинового момента (собственного момента количества движения электрона M s). Возможные значения этих физических величин, в свою очередь, определяются квантовыми числами n, l, m l , m s соответственно. В приближении, когда энергия атома водорода описывается формулой (4), она определяется только главным квантовым числом n, принимающим целочисленные значения 1, 2, 3, ... . Уровню энергии с заданным n соответствует несколько состояний, различающихся значениями орбитального (азимутального) квантового числа l = 0, 1, ..., n-1. Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать как 1s, 2s, 2р, 3s, ..., где цифры указывают значение n, а буквы s, р, d, f (дальше по латинскому алфавиту) - соответственно значения l = 0, 1, 2, 3. При заданных n и l число различных состояний равно 2(2l + 1) - числу комбинаций значений магнитного орбитального квантового числа m l магнитного спинового числа m s (первое принимает 2l + 1 значений, второе - 2 значения). Общее число различных состояний с заданными n и l получается равным 2n 2 . Таким образом, каждому уровню энергии атома водорода соответствует 2,8, 18,…2n 2 (при n= 1, 2, 3, ...) различных стационарных квантовых состояний. Если уровню энергии соответствует лишь одно квантовое состояние, то его называют невырожденным, если два или более - вырожденным (смотри Вырождение в квантовой теории), а число таких состояний g называется степенью или кратностью вырождения (для невырожденных уровней энергии g=1). Уровни энергии атома водорода являются вырожденными, а их степень вырождения g n = 2n 2 .

Для различных состояний атома водорода получается и разное распределение электронной плотности. Оно зависит от квантовых чисел n, l и При этом электронная плотность для s-состояний (l=0) отлична от нуля в центре, т. е. в месте нахождения ядра, и не зависит от направления (сферически симметрична), а для остальных состояний (l>0) она равна нулю в центре и зависит от направления. Распределение электронной плотности для состояний атома водорода с n = 1, 2, 3 показано на рисунке 2; размеры «электронного облака» растут в соответствии с формулой (6) пропорционально n2 (масштаб на рисунке 2 уменьшается при переходе от n = 1 к n = 2 и от n = 2 к n = 3). Квантовые состояния электрона в водородоподобных ионах характеризуются теми же четырьмя квантовыми числами n, l, m l и m s , что и в атоме водорода. Сохраняется и распределение электронной плотности, только она увеличивается в Z раз.

Действие на атом внешних полей . Атом как электрическая система во внешнем электрическом и магнитном полях приобретает дополнительную энергию. Электрическое поле поляризует атом - смещает электронные облака относительно ядра (смотри Поляризуемость атомов, ионов и молекул), а магнитное поле ориентирует определённым образом магнитный момент атома, связанный с движением электрона вокруг ядра (с орбитальным моментом M l) и его спином. Различным состояниям атома водорода с той же энергией Е n во внешнем поле соответствуют разные значения дополнительной энергии ΔЕ, и вырожденный уровень энергии E n расщепляется на ряд подуровней. Как расщепление уровней энергии в электрическом поле - Штapкa эффект, - так и их расщепление в магнитном поле - Зеемана эффект - пропорциональны напряжённостям соответствующих полей.

К расщеплению уровней энергии приводят и малые магнитные взаимодействия внутри атома. Для атома водорода и водородоподобных ионов имеет место спин-орбитальное взаимодействие - взаимодействие спинового и орбитального моментов электрона; оно обусловливает так называемую тонкую структуру уровней энергии — расщепление возбуждённых уровней E n (при n>1) на подуровни. Для всех уровней энергии атома водорода наблюдается и сверхтонкая структура, обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами.

Электронные оболочки многоэлектронных атомов . Теория атома, содержащих 2 или более электронов, принципиально отличается от теории атома водорода, так как в таком атоме имеются взаимодействующие друг с другом одинаковые частицы - электроны. Взаимное отталкивание электронов в многоэлектронном атоме существенно уменьшает прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва единственного электрона в ионе гелия (Не +) равна 54,4 эВ, в нейтральном же атоме гелия в результате отталкивания электронов энергия отрыва одного из них уменьшается до 24,6 эВ. Для внешних электронов более тяжёлых атомов уменьшение прочности их связи из-за отталкивания внутренними электронами ещё более значительно. Важную роль в многоэлектронных атомах играют свойства электронов как одинаковых микрочастиц (смотри Тождественности принцип), обладающих спином s = 1/2, для которых справедлив Паули принцип. Согласно этому принципу, в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом квантовом состоянии, что приводит к образованию электронных оболочек атома, заполняющихся строго определёнными числами электронов.

Учитывая неразличимость взаимодействующих между собой электронов, имеет смысл говорить только о квантовых состояниях атома в целом. Однако приближённо можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждый из них совокупностью квантовых чисел n, l, m l и m s , аналогично электрону в атоме водорода. При этом энергия электрона оказывается зависящей не только от n, как в атоме водорода, но и от l; от m l и m s она по-прежнему не зависит. Электроны с данными n и l в многоэлектронном атоме имеют одинаковую энергию и образуют определённую электронную оболочку. Такие эквивалентные электроны и образованные ими оболочки обозначают, как и квантовые состояния и уровни энергии с заданными n и l, символами ns, nр, nd, nf, ... (для 1 = 0, 1, 2,3,...) и говорят о 2р-электронах, 3s-о6олочках и т.п.

Согласно принципу Паули, любые 2 электрона в атоме должны находиться в различных квантовых состояниях и, следовательно, отличаться хотя бы одним из четырёх квантовых чисел n, l, m l и m s , а для эквивалентных электронов (n и l одинаковы) - значениями m l и m s . Число пар m l , m s , т. е. число различных квантовых состояний электрона с заданными n и l, и есть степень вырождения его уровня энергии g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Оно определяет число электронов в полностью заполненных электронных оболочках. Таким образом, s-, р-, d-, f-, ... оболочки заполняются 2, 6, 10, 14, ... электронами, независимо от значения n. Электроны с данным n образуют слой, состоящий из оболочек с l = 0, 1, 2, ..., n - 1 и заполняемый 2n 2 электронами, так называемый К- , L-, М, N-слой. При полном заполнении имеем:

В каждом слое оболочки с меньшими l характеризуются большей электронной плотностью. Прочность связи электрона с ядром уменьшается с увеличением n, а при заданном n — с увеличением l. Чем слабее связан электрон в соответствующей оболочке, тем выше лежит его уровень энергии. Ядро с заданным Z присоединяет электроны в порядке уменьшения прочности их связи: сначала два электрона 1s, затем два электрона 2s, шесть электронов 2р и т. д. Атому каждого химического элемента присуще определённое распределение электронов по оболочкам - его электронная конфигурация, например:

(число электронов в данной оболочке указывается индексом справа сверху). Периодичность в свойствах элементов определяется сходством внешних электронных оболочек атома. Например, нейтральные атомы Р, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) имеют по три р-электрона во внешней электронной оболочке, подобно атому N, и схожи с ним по химическим и многим физическим свойствам.

Каждый атом характеризуется нормальной электронной конфигурацией, получающейся, когда все электроны в атоме связываются наиболее прочно, и возбуждёнными электронными конфигурациями, когда один или несколько электронов связаны более слабо - находятся на более высоких уровнях энергии. Например, для атома гелия наряду с нормальной 1s2 возможны возбуждённые электронные конфигурации: 1s2s, 1s2р, ... (возбуждён один электрон), 2s 2 , 2s2р, ... (возбуждены оба электрона). Определённой электронной конфигурации соответствует один уровень энергии атома в целом, если электронные оболочки целиком заполнены (например, нормальная конфигурация атома Ne 1s 2 2s 2 2р 6), и ряд уровней энергии, если имеются частично заполненные оболочки (например, нормальная конфигурация атома азота 1s 2 2s 2 2р 3 для которой оболочка 2р заполнена наполовину). При наличии частично заполненных d- и f-оболочек число уровней энергии, соответствующих каждой конфигурации, может достигать многих сотен, так что схема уровней энергии атома с частично заполненными оболочками получается очень сложной. Основным уровнем энергии атома является самый нижний уровень нормальной электронной конфигурации.

Квантовые переходы в атоме . При квантовых переходах атом переходит из одного стационарного состояния в другое - с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии E i на более низкий Е к атом отдаёт энергию E i - E k , при обратном переходе получает её. Как для любой квантовой системы, для атома квантовые переходы могут быть двух типов: с излучением (оптические переходы) и без излучения (безызлучательные, или неоптические, переходы). Важнейшая характеристика квантового перехода - его вероятность, определяющая, как часто этот переход может происходить.

При квантовых переходах с излучением атом поглощает (переход Е к → E i) или испускает (переход E i →Е к) электромагнитное излучение. Электромагнитная энергия поглощается и испускается атомом в виде кванта света - фотона, - характеризуемого определённой частотой колебаний v, согласно соотношению:

где hv - энергия фотона. Соотношение (7) представляет собой закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.

Атом в основном состоянии может только поглощать фотоны, а в возбуждённых состояниях может, как поглощать, так и испускать их. Свободный атом в основном состоянии может существовать неограниченно долго. Продолжительность пребывания атома в возбуждённом состоянии (время жизни этого состояния) ограничена, атом спонтанно (самопроизвольно), частично или полностью теряет энергию возбуждения, испуская фотон и переходя на более низкий уровень энергии; наряду с таким спонтанным испусканием возможно и вынужденное испускание, происходящее, подобно поглощению, под действием фотонов той же частоты. Время жизни возбуждённого атома тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода, для атома водорода оно порядка 10 -8 с.

Совокупность частот v возможных переходов с излучением определяет атомный спектр соответствующего атома: совокупность частот переходов с нижних уровней на верхние - его спектр поглощения, совокупность частот переходов с верхних уровней на нижние - спектр испускания. Каждому такому переходу в атомном спектре соответствует определённая спектральная линия частоты v.

При безызлучательных квантовых переходах атом получает или отдаёт энергию при взаимодействии с другими частицами, с которыми он сталкивается в газе или длительно связан в молекуле, жидкости или твёрдом теле. В газе атом можно считать свободным в промежутках времени между столкновениями; во время столкновения (удара) атом может перейти на более низкий или высокий уровень энергии. Такое столкновение называется неупругим (в противоположность упругому столкновению, при котором изменяется только кинетическая энергия поступательного движения атома, а его внутренняя энергия остаётся неизменной). Важный частный случай - столкновение свободного атома с электроном; обычно электрон движется быстрее атома, время столкновения очень мало и можно говорить об электронном ударе. Возбуждение атома электронным ударом является одним из методов определения его уровней энергии.

Химические и физические свойства атома . Большинство свойств атома определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны с ядром сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эВ до нескольких десятков эВ). Строение внутренних оболочек атома, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч эВ), проявляется лишь при взаимодействиях атома с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен эВ). Такие взаимодействия определяют рентгеновские спектры атома и рассеяние быстрых частиц (смотри Дифракция частиц). От массы атома зависят его механические свойства при движении атома как целого - количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрических моментов атома зависят различные резонансные и другие физические свойства атома (смотри Электронный парамагнитный резонанс, Ядерный магнитный резонанс, Ядерный квадрупольный резонанс).

Электроны внешних оболочек атома легко подвергаются внешним воздействиям. При сближении атомов возникают сильные электростатические взаимодействия, которые могут приводить к образованию химической связи. Более слабые электростатические взаимодействия двух атомов проявляются в их взаимной поляризации - смещении электронов относительно ядер, наиболее сильном для слабо связанных внешних электронов. Возникают поляризационные силы притяжения между атомами, которые надо учитывать уже на больших расстояниях между ними. Поляризация атома происходит и во внешних электрических полях; в результате уровни энергии атома смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни энергии расщепляются (эффект Штарка). Поляризация атома может возникнуть под действием электрического поля световой (электромагнитной) волны; она зависит от частоты света, что обусловливает зависимость от неё и показателя преломления (смотри Дисперсия света), связанного с поляризуемостью атома. Тесная связь оптических характеристик атома с его электрическими свойствами особенно ярко проявляется в его оптических спектрах.

Магнитные свойства атомов определяются в основном строением их электронных оболочек. Магнитный момент атома зависит от его механического момента (смотри Магнитомеханическое отношение), в атоме с полностью заполненными электронными оболочками он равен нулю, так же, как и механический момент. Атомы с частично заполненными внешними электронными оболочками обладают, как правило, отличными от нуля магнитными моментами и являются парамагнитными. Во внешнем магнитном поле все уровни атомов, у которых магнитный момент не равен нулю, расщепляются - имеет место эффект Зеемана. Все атомы обладают диамагнетизмом, который обусловлен возникновением у них магнитного момента под действием внешнего магнитного поля (так называемого индуцированного магнитного момента, аналогичного электрическому дипольному моменту атома).

При последовательной ионизации атома, то есть при отрыве его электронов, начиная с самых внешних в порядке увеличения прочности их связи, соответственно изменяются все свойства атома, определяемые его внешней оболочкой. Внешними становятся всё более прочно связанные электроны; в результате сильно уменьшается способность атома поляризоваться в электрическом поле, увеличиваются расстояния между уровнями энергии и частоты оптических переходов между этими уровнями (что приводит к смещению спектров в сторону всё более коротких длин волн). Ряд свойств обнаруживает периодичность: сходными оказываются свойства ионов с аналогичными внешними электронами; например, N 3+ (два электрона 2s) обнаруживают сходство с N 5+ (два электрона 1s). Это относится к характеристикам и относительному расположению уровней энергии и к оптическим спектрам, к магнитным моментам атома и так далее. Наиболее резкое изменение свойств происходит при удалении последнего электрона из внешней оболочки, когда остаются лишь полностью заполненные оболочки, например при переходе от N 4+ к N 5+ (электронные конфигурации 1s 2 2s и 1s 2). В этом случае ион наиболее устойчив и его полный механический и полный магнитный моменты равны нулю.

Свойства атома, находящегося в связанном состоянии (например, входящего в состав молекулы), отличаются от свойств свободного атома. Наибольшие изменения претерпевают свойства атома, определяемые самыми внешними электронами, принимающими участие в присоединении данного атома к другому. Вместе с тем свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут практически не измениться, как это имеет место для рентгеновских спектров. Некоторые свойства атома могут испытывать сравнительно небольшие изменения, по которым можно получить информацию о характере взаимодействий связанных атомов. Важным примером может служить расщепление уровней энергии атома в кристаллах и комплексных соединениях, которое происходит под действием электрических полей, создаваемых окружающими ионами.

Экспериментальные методы исследования структуры атома, его уровней энергии, его взаимодействий с другими атомами, элементарными частицами, молекулами, внешними полями и так далее разнообразны, однако основная информация содержится в его спектрах. Методы атомной спектроскопии во всех диапазонах длин волн, и в особенности методы современной лазерной спектроскопии, позволяют изучать всё более тонкие эффекты, связанные с атомом. С начала 19 века существование атома для учёных было очевидным, однако эксперимент по доказательству реальности его существования был поставлен Ж. Перреном в начале 20 века. С развитием микроскопии появилась возможность получать изображения атомов на поверхности твёрдых тел. Впервые атом увидел Э. Мюллер (США, 1955) с помощью изобретённого им автоионного микроскопа. Современные атомно-силовые и туннельные микроскопы позволяют получать изображения поверхностей твёрдых тел с хорошим разрешением на атомном уровне (смотри рисунок 3).

Рис. 3. Изображение атомной структуры поверхности кремния, полученное профессором Оксфордского университета М. Капстеллом с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Существуют и широко используются в различных исследованиях так называемые экзотические атомы, например мюонные атомы, т. е. атомы, в которых все или часть электронов заменены отрицательными мюонами, мюоний, позитроний, а также адронные атомы, состоящие из заряженных пионов, каонов, протонов, дейтронов и др. Осуществлены также первые наблюдения атома антиводорода (2002) - атома, состоящего из позитрона и антипротона.

Лит.: Борн М. Атомная физика. 3-е изд. М., 1970; Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. М., 1980; Шпольский Э. В. Атомная физика. 7-е изд. М., 1984. Т. 1-2; Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. 2-е изд. М., 2000.

Состав атома.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки .

Ядро атома состоит из протонов (p + ) и нейтронов (n 0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.

Число протонов N (p + ) равно заряду ядра (Z ) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

N (p +) = Z

Сумма числа нейтронов N (n 0), обозначаемого просто буквой N , и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А .

A = Z + N

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е -).

Число электронов N (e -) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.

Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.

Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.

Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).

Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).

Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.

Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например: .

Строение электронной оболочки атома

Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако.

Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s , p , d и f .

Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.

Примечание : иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью".

Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень , их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.

Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:
s -подуровень (состоит из одной s -орбитали), условное обозначение - .
p -подуровень (состоит из трех p
d -подуровень (состоит из пяти d -орбиталей), условное обозначение - .
f -подуровень (состоит из семи f -орбиталей), условное обозначение - .

Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.

При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s , 3p , 5d означает s -подуровень второго уровня, p -подуровень третьего уровня, d -подуровень пятого уровня.

Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n . Общее число орбиталей на одном уровне равно n 2 . Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n 2 .

Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).

Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):

1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.

2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов.

3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.

Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n 2 .

Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):

1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f , 5d , 6p , 7s , 5f , 6d , 7p ...

Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:

Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев ("электронная схема").

Примеры электронного строения атомов:

Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s 2 , они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s 2 , но у него есть 3d 6 , следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s 2 , а атома железа - 4s 2 3d 6 .

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)

Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.

Периодическая система - графическое выражение периодического закона.

Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.

Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.

В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).

Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные ), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.

У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.

Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).

В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично.

Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.

В периодах (с увеличением порядкового номера)

увеличивается заряд ядра,
увеличивается число внешних электронов,
уменьшается радиус атомов,
увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
увеличивается электроотрицательность,
усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),
ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),
ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.

В группах (с увеличением порядкового номера)

увеличивается заряд ядра,
увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),
усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),
возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).

Задачи и тесты по теме "Тема 9. "Строение атома. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ)"."

Периодический закон - Периодический закон и строение атомов 8–9 класс
Вы должны знать: законы заполнения орбиталей электронами (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда), структуру периодической системы элементов.
Вы должны уметь: определять состав атома по положению элемента в периодической системе, и, наоборот, находить элемент в периодической системе, зная его состав; изображать схему строения, электронную конфигурацию атома, иона, и, наоборот, определять по схеме и электронной конфигурации положение химического элемента в ПСХЭ; давать характеристику элемента и образуемых им веществ по его положению в ПСХЭ; определять изменения радиуса атомов, свойств химических элементов и образуемых ими веществ в пределах одного периода и одной главной подгруппы периодической системы.
Пример 1. Определите количество орбиталей на третьем электронном уровне. Какие это орбитали?
Для определения количества орбиталей воспользуемся формулой N орбиталей = n 2 , где n - номер уровня. N орбиталей = 3 2 = 9. Одна 3s -, три 3p - и пять 3d -орбиталей.
Пример 2. Определите, у атома какого элемента электронная формула 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
Для того, чтобы определить, кокой это элемент, надо выяснить его порядковый номер, который равен суммарному числу электронов атома. В данном случае: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Это алюминий.
Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий. Желаем успехов.

Рекомендованная литература:
- О. С. Габриелян и др. Химия 11 кл. М., Дрофа, 2002;
- Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 11 кл. М., Просвещение, 2001.

Начиная от периода античности и до средины 18-го века в науке господствовали представления о том, что атом - это частица материи, которую нельзя разделить. Английский ученый, а также и естествоиспытатель Д. Дальтон дал определение атома как наименьшей составной части химического элемента. М. В. Ломоносов в своем атомно-молекулярном учении смог дать определение атома и молекулы. Он был уверен в том, что молекулы, которые он называл «корпускулами», состоят из «элементов» - атомов - и находятся в постоянном движении.

Д. И. Менделеев считал, что эта субъединица веществ, составляющих материальный мир, сохраняет все свои свойства только в случае, если она не подвергается разделению. В данной статье мы дадим определение атома как объекта микромира и изучим его свойства.

Предпосылки создания теории строения атома

В 19 веке общепризнанным считалось утверждение о неделимости атома. Большинство ученых считали, что частицы одного химического элемента ни при каких условиях не могут превратиться в атомы другого элемента. Эти представления служили основой, на которой базировалось определение атома до 1932 года. В конце 19 столетия в науке были сделаны фундаментальные открытия, которые изменили эту точку зрения. Прежде всего в 1897 году английским физиком Д. Ж. Томсоном был открыт электрон. Этот факт в корне менял представления ученых о неделимости составной части химического элемента.

Как доказать, что атом сложно устроен

Еще до ученые единодушно сходились во мнении о том, что атомы не имеют зарядов. Потом было установлено, что электроны легко выделяются из какого угодно химического элемента. Их можно обнаружить в пламени, они являются переносчиками электрического тока, их выделяют вещества во время рентгеновского излучения.

Но если электроны входят в состав всех без исключения атомов и заряжены отрицательно, значит, в атоме есть еще какие-то частицы, которые обязательно имеют положительный заряд, в противном случае атомы не были бы электронейтральными. Помочь разгадать строение атома помогло такое физическое явление, как радиоактивность. Оно дало правильно определение атома в физике, а затем и в химии.

Невидимые лучи

Французским физиком А. Беккерелем было впервые описано явление испускания атомами некоторых химических элементов, визуально невидимых лучей. Они ионизируют воздух, проходят через вещества, вызывают почернение фотопластинок. Позже супруги Кюри и установили, что радиоактивные вещества превращаются в атомы других химических элементов (например, уран - в нептуний).

Радиоактивное излучение неоднородно по составу: альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи. Таким образом, явление радиоактивности подтвердило, что частицы элементов таблицы Менделеева имеют сложное строение. Этот факт послужил причиной изменений, внесенных в определение атома. Из каких частиц состоит атом, если учитывать полученные Резерфордом новые научные факты? Ответом на этот вопрос стала предложенная ученым ядерная модель атома, согласно которой вокруг положительно-заряженного ядра вращаются электроны.

Противоречия модели Резерфорда

Теория ученого, несмотря на ее выдающийся характер, не смогла объективно дать определение атома. Её выводы шли вразрез с фундаментальными законами термодинамики, согласно которым все электроны, вращающиеся вокруг ядра, теряют свою энергию и, как бы то ни было, рано или поздно должны упасть на него. Атом в этом случае разрушается. Этого на самом деле не происходит, так как химические элементы и частицы, из которых они состоят, существуют в природе очень долго. Необъяснимо такое определение атома, базирующиеся на теории Резерфорда, равно как и явление, возникающее при пропускании раскаленных простых веществ через дифракционную решетку. Ведь образующиеся при этом атомные спектры имеют линейную форму. Это вступало в противоречие с резерфордовской моделью атома, согласно которой спектры должны были бы быть сплошными. Согласно представлениям квантовой механики, в настоящее время электроны характеризуются в ядре не как точечные объекты, а как имеющие вид электронного облака.

Наибольшая его плотность в определенном локусе пространства вокруг ядра и считается местоположением частицы в данный момент времени. Также было выяснено, что в атоме электроны расположены послойно. Количество слоев можно определить, зная номер периода, в котором находится элемент в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, атом фосфора содержит 15 электроном и имеет 3 энергетических уровня. Показатель, определяющий количество энергетических уровней, называют главным квантовым числом.

Экспериментально было установлено, что электроны энергетического уровня, расположенного ближе всех к ядру, имеют наименьшую энергию. Каждая энергетическая оболочка делится на подуровни, а они, в свою очередь, на орбитали. Электроны, расположенные на различных орбиталях, имеют равную форму облака (s, p, d, f).

Исходя из вышесказанного следует, что форма электронного облака не может быть произвольной. Она строго определена согласно орбитального Добавим еще и то, что состояние электрона в макрочастице определяется еще двумя значениями - магнитным и спиновым квантовыми числами. Первое базируется на уравнении Шредингера и характеризует пространственную ориентацию электронного облака исходя из трехмерности нашего мира. Второй показатель - спиновое число, по нему определяют вращение электрона вокруг своей оси по или против часовой стрелки.

Открытие нейтрона

Благодаря работам Д. Чедвика, проведенным им в 1932 году, было дано новое определение атома в химии и физике. В своих опытах ученый доказал, что при расщеплении полония возникает излучение, вызванное частицами, не имеющими заряда, с массой 1,008665. Новая элементарная частица была названа нейтроном. Её открытие и изучение её свойств позволило советским ученым В. Гапону и Д. Иваненко создать новую теорию строения атомного ядра, содержащего протоны и нейтроны.

Согласно новой теории, определение атома вещества имело следующий вид: это структурная единица химического элемента, состоящая из ядра, содержащего протоны и нейтроны и электронов, движущихся вокруг него. Число положительных частиц в ядре всегда равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе.

В дальнейшем профессор А. Жданов в своих опытах подтвердил, что под влиянием жесткого космического излучения атомные ядра расщепляются на протоны и нейтроны. Кроме этого, было доказано, что силы, удерживающие эти элементарные частицы в ядре, чрезвычайно энергоемкие. Они действуют на очень коротких расстояниях (порядка 10 -23 см) и называются ядерными. Как было сказано ранее, еще М. В. Ломоносов смог дать определение атома и молекулы исходя из известных ему научных фактов.

В настоящее время общепризнанной считают следующую модель: атом состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг него по строго определенным траекториям - орбиталям. Электроны одновременно проявляют свойства и частицы, и волны, то есть, имеют дуальную природу. В ядре атома сосредоточена практически вся его масса. Она состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами.

Можно ли взвесить атом

Оказывается, каждый атом имеет массу. Например, у гидрогена она равна 1,67х10 -24 г. Даже трудно представить насколько мала эта величина. Чтобы найти вес такого объекта, используют не весы, а осциллятор, представляющий собой углеродную нанотрубку. Для расчета веса атома и молекулы более удобной величиной является относительная масса. Она показывает, во сколько раз вес молекулы или атома больше чем 1/12 часть атома карбона, которая составляет 1,66х10 -27 кг. Относительные атомные массы указаны в периодической системе химических элементов, и они не имеют размерности.

Ученые хорошо знают, что атомная масса химического элемента - это средняя величина массовых чисел всех его изотопов. Оказывается, в природе единицы одного химического элемента могут иметь различные массы. При этом заряды ядер таких структурных частиц одинаковы.

Учеными установлено, что изотопы различаются между собой количеством нейтронов в ядре, а заряд ядер у них одинаков. Например, у атома хлора, имеющего массу 35 содержится 18 нейтронов и 17 протонов, а с массой 37 - 20 нейтронов и 17 протонов. Многие химические элементы представляют собой смеси изотопов. Например, такие простые вещества, как калий, аргон, кислород содержат в своем составе атомы, представляющие 3 разных изотопа.

Определение атомарности

Оно имеет несколько трактовок. Рассмотрим, что понимают под этим термином в химии. Если атомы какого-либо химического элемента способны хотя бы кратковременно существовать обособленно, не стремясь к образованию более сложной частицы - молекулы, то говорят, что такие вещества имеют атомарное строение. Например, многостадийная реакция хлорирования метана. Она широко применяется в химии органического синтеза для получения важнейших галогеносодержащих производных: дихлорметана, четыреххлористого углерода. В ней происходит расщепление молекул хлора на атомы, обладающие высокой реакционной способностью. Они разрушают сигма-связи в молекуле метана, обеспечивая цепную реакцию замещения.

Еще один пример химического процесса, имеющего большое значение в промышленности - использование пероксида водорода в качестве дезинфицирующего и отбеливающего средства. Определение атомарного кислорода, как продукта расщепления перекиси водорода, происходит как в живых клетках (под действием фермента каталазы), так и в лабораторных условиях. качественно определяют по его высоким антиоксидантным свойствам, а также по способности разрушать патогенные агенты: бактерии, грибы и их споры.

Как устроена атомная оболочка

Нами было уже выяснено ранее, что структурная единица химического элемента имеет сложное строение. Вокруг положительно-заряженного ядра вращаются отрицательные частицы электроны. Лауреат Нобелевской премии Нильс Бор, основываясь на квантовой теории света, создал свое учение, в котором характеристика и определение атома имеют следующий вид: электроны двигаются вокруг ядра только по определенным стационарным траекториям, при этом не излучают энергию. Учение Бора доказало, что частицы микромира, к которым относятся атомы и молекулы, не подчиняются законам, справедливым для больших тел - объектов макрокосмоса.

Строение электронных оболочек макрочастиц было изучено в работах по квантовой физике таких ученых, как Хунд, Паули, Клечковский. Так стало известно, что электроны делают вращательные движения вокруг ядра не хаотично, а по определенным стационарным траекториям. Паули установил, что в пределах одного энергетического уровня на каждой из его орбиталей s, p, d, f в электронных ячейках может находиться не более двух отрицательно заряженных частиц с противоположным значением спина + ½ и - ½.

Правило Хунда объяснило, как правильно заполняются электронами орбитали с одинаковым уровнем энергии.

Правило Клечковского, называемое еще правилом n+l, объяснило, как заполняются орбитали многоэлектронных атомов (элементов 5, 6, 7 периодов). Все вышеперечисленные закономерности послужили теоретическим обоснованием системы химических элементов, созданной Дмитрием Менделеевым.

Степень окисления

Она является фундаментальным понятием в химии и характеризует состояние атома в молекуле. Современное определение степени окисления атомов звучит следующим образом: это условный заряд атома в молекуле, который рассчитывают исходя из представлений, что молекула имеет только ионный состав.

Степень окисления может выражаться целым или дробным числом, с положительным, отрицательным или нулевым значениями. Чаще всего атомы химических элементов имеют несколько степеней окисления. Например, у азота это -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. А вот такой химический элемент, как фтор, во всех своих соединениях имеет только одну степень окисления, равную -1. Если он представлен простым веществом, то его степень окисления равна нулю. Этой химической величиной удобно пользоваться для классификации веществ и для описания их свойств. Чаще всего степенью окисления атома пользуются в химии при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Свойства атомов

Благодаря открытиям квантовой физики, современное определение атома, базирующееся на теории Д. Иваненко и Е. Гапона, дополняется следующими научными фактами. Строение ядра атома не изменяется во время химических реакций. Изменению подвергаются только стационарные электронные орбитали. Их строением можно объяснить очень много физических и химических свойств веществ. Если электрон покидает стационарную орбиту и переходит на орбиталь с более высоким показателем энергии, такой атом называется возбужденным.

Нужно отметить, что электроны не могут длительное время находиться на таких несвойственных им орбиталях. Возвращаясь на свою стационарную орбиту, электрон излучает квант энергии. Изучение таких характеристик структурных единиц химических элементов, как сродство к электрону, электроотрицательность, энергия ионизации, позволило ученым не только дать определение атома, как важнейшей частице микромира, но также позволило им объяснить способность атомов образовывать стойкое и энергетически более выгодное молекулярное состояние материи, возможное вследствие создания различных типов устойчивой химической связи: ионной, ковалентно-полярной и неполярной, донорно-акцепторной (как разновидности ковалентной связи) и металлической. Последняя обуславливает важнейшие физические и химические свойства всех металлов.

Экспериментально установлено, что размер атома может изменяться. Всё будет зависеть от того, в какую молекулу он входит. Благодаря рентгеноструктурному анализу можно рассчитать расстояние между атомами в химическом соединении, а также узнать радиус структурной единицы элемента. Владея закономерностями изменения радиусов атомов, входящих в период или в группу химических элементов, можно спрогнозировать их физические и химические свойства. Например, в периодах с увеличением заряда ядра атомов их радиусы уменьшаются («сжатие атома»), поэтому металлические свойства соединений ослабевают, а неметаллические усиливаются.

Таким образом, знания о позволяют точно определить физические и химические свойства всех элементов, входящих в периодическую систему Менделеева.