Akár atom. A világ gyönyörű

Szerkesztői válasz

1913-ban a dán Niels Bohr fizikus javasolta az atom szerkezetére vonatkozó elméletét. Az atom bolygómodelljét vette alapul, amelyet Rutherford fizikus fejlesztett ki. Ebben az atomot a makrokozmosz objektumaihoz hasonlították - egy bolygórendszerhez, ahol a bolygók egy nagy csillag körül keringenek. Hasonlóképpen, az atom bolygómodelljében az elektronok a középpontban található nehéz atommag körül keringenek.

Bohr bevezette a kvantálás gondolatát az atomelméletbe. Eszerint az elektronok csak meghatározott energiaszinteknek megfelelő rögzített pályákon mozoghatnak. A Bohr-modell volt az alapja az atom modern kvantummechanikai modelljének megalkotásához. Ebben a modellben az atommagot, amely pozitív töltésű protonokból és töltetlen neutronokból áll, szintén negatív töltésű elektronok veszik körül. A kvantummechanika szerint azonban lehetetlen meghatározni egy elektron pontos pályáját vagy mozgási pályáját - csak egy régió van, amelyben hasonló energiaszintű elektronok vannak.

Mi van egy atom belsejében?

Az atomok elektronokból, protonokból és neutronokból állnak. A neutronokat azután fedezték fel, hogy fizikusok kidolgozták az atom bolygómodelljét. James Chadwick csak 1932-ben fedezte fel a töltés nélküli részecskéket kísérletsorozat során. A töltés hiányát megerősítette, hogy ezek a részecskék semmilyen módon nem reagáltak az elektromágneses térre.

Magát az atommagot nehéz részecskék - protonok és neutronok - alkotják: ezek a részecskék mindegyike majdnem kétezerszer nehezebb, mint egy elektron. A protonok és a neutronok méretükben is hasonlóak, de a protonoknak pozitív, a neutronoknak pedig nincs töltésük.

A protonok és neutronok viszont kvarknak nevezett elemi részecskékből állnak. A modern fizikában a kvarkok az anyag legkisebb, alapvető részecskéi.

Maga az atom mérete sokszorosa az atommag méretének. Ha egy atomot egy futballpálya méretűre megnagyobbítanak, akkor az atommag mérete egy ilyen pálya közepén lévő teniszlabdához hasonlítható.

A természetben sok atom létezik, amelyek méretükben, tömegükben és egyéb jellemzőikben különböznek egymástól. Az azonos típusú atomok csoportját kémiai elemnek nevezzük. A mai napig több mint száz kémiai elemek. Atomjaik mérete, tömege és szerkezete különbözik.

Elektronok az atom belsejében

A negatív töltésű elektronok az atommag körül mozognak, egyfajta felhőt alkotva. A masszív atommag vonzza az elektronokat, de maguk az elektronok energiája lehetővé teszi számukra, hogy távolabb „szökjenek” az atommagtól. Így minél nagyobb egy elektron energiája, annál távolabb van az atommagtól.

Az elektron energia értéke nem lehet tetszőleges, az atomban egy jól meghatározott energiaszint-készletnek felel meg. Vagyis az elektron energiája lépésről lépésre változik egyik szintről a másikra. Ennek megfelelően egy elektron csak egy meghatározott energiaszintnek megfelelő korlátozott elektronhéjon belül mozoghat – ez Bohr posztulátumainak jelentése.

Miután több energiát kapott, az elektron egy magasabb rétegbe „ugrik” az atommagból, energiát veszítve, éppen ellenkezőleg, egy alacsonyabb rétegbe. Így az atommag körüli elektronfelhő több "vágott" réteg formájában rendeződik.

Az atommal kapcsolatos eszmék története

Maga az „atom” szó a görög „oszthatatlan” szóból származik, és az eszmékhez nyúlik vissza ókori görög filozófusok az anyag legkisebb oszthatatlan részéről. A középkorban a kémikusok meg voltak győződve arról, hogy bizonyos anyagokat nem lehet tovább bontani alkotóelemeikre. Ezeket a legkisebb anyagrészecskéket atomoknak nevezzük. 1860-ban, a németországi nemzetközi vegyészkongresszuson ezt a meghatározást hivatalosan is beiktatta a világtudományba.

NÁL NÉL késő XIX A 20. század elején a fizikusok szubatomi részecskéket fedeztek fel, és világossá vált, hogy az atom valójában nem oszthatatlan. Azonnal előkerültek az atom belső szerkezetére vonatkozó elméletek, amelyek közül az elsők között volt a Thomson-modell vagy a „mazsolapuding”-modell. E modell szerint a kis elektronok egy hatalmas, pozitív töltésű testben voltak, mint a mazsola egy pudingban. Rutherford kémikus gyakorlati kísérletei azonban megcáfolták ezt a modellt, és arra késztették, hogy megalkotta az atom bolygómodelljét.

Bohr bolygómodelljének kidolgozása, valamint a neutronok 1932-es felfedezése képezte az alapot modern elmélet az atom szerkezetéről. Az atomra vonatkozó ismeretek fejlődésének következő szakaszai már az elemi részecskék fizikájához kapcsolódnak: kvarkok, leptonok, neutrínók, fotonok, bozonok és mások.

Minden nap használunk valamilyen tárgyat: kezünkbe vesszük, bármilyen manipulációt végzünk rajtuk - megfordítjuk, megvizsgáljuk, végül összetörjük. Elgondolkozott már azon, hogy miből készülnek ezek a tárgyak? "Mire kell gondolni? Fémből / fából / műanyagból / szövetből!" - válaszolják sokan értetlenül. Ez részben a helyes válasz. És miből állnak ezek az anyagok - fémből, fából, műanyagból, szövetből és sok más anyagból? Ma ezt a kérdést fogjuk megvitatni.

Molekula és atom: definíció

Egy hozzáértő ember számára egyszerű és banális a válasz: atomokból és molekulákból. De vannak, akik megzavarodnak, és kérdéseket tesznek fel: "Mi az atom és a molekula? Hogy néznek ki?" stb. Válaszoljunk sorban ezekre a kérdésekre. Nos, először is, mi az atom és a molekula? Azonnal elmondjuk, hogy ezek a meghatározások nem ugyanazok. Ráadásul teljesen más kifejezések. Tehát az atom a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója, csekély tömegű és méretű anyagrészecske. A molekula egy elektromosan semleges részecske, amelyet több összekapcsolt atom alkot.

Mi az atom: szerkezet

Egy atom elektronhéjból és (fotó) áll. Viszont az atommag protonokból és neutronokból, a héj pedig elektronokból áll. Egy atomban a protonok pozitív töltésűek, az elektronok negatív töltésűek, a neutronok pedig egyáltalán nem töltődnek. Ha a protonok száma megfelel, akkor az atom elektromosan semleges, azaz. ha ilyen atomokkal megérintünk egy molekulákból képződött anyagot, a legkisebb elektromos impulzust sem érezzük. És ez utóbbi hiánya miatt még a nagy teherbírású számítógépek sem fogják fel. De előfordul, hogy több proton van, mint elektron, és fordítva. Akkor helyesebb lenne az ilyen atomokat ionoknak nevezni. Ha több proton van benne, akkor elektromosan pozitív, de ha az elektronok vannak túlsúlyban, akkor elektromosan negatív. Minden egyes atomnak szigorú számú protonja, neutronja és elektronja van. És ki lehet számolni. A részecskék számának meghatározásával kapcsolatos problémák megoldására szolgáló sablon így néz ki:

Chem. elem - R (elemnév beszúrása)
Protonok (p) - ?
Elektronok (e) - ?
Neutronok (n) - ?
Megoldás:
p = kémiai anyag sorozatszáma. R elem a D.I.-ről elnevezett periodikus rendszerben. Mengyelejev
e = p
n \u003d A r (R) - No. R

Mi a molekula: szerkezet

A molekula egy kémiai anyag legkisebb részecskéje, vagyis már közvetlenül benne van az összetételében. Egy bizonyos anyag molekulája több azonos vagy különböző atomból áll. A molekulák szerkezeti jellemzői annak az anyagnak a fizikai tulajdonságaitól függenek, amelyben jelen vannak. A molekulák elektronokból és atomokból állnak. Ez utóbbi helyét a segítségével találhatjuk meg szerkezeti képlet. lehetővé teszi a kémiai reakció lefolyásának meghatározását. Általában semlegesek elektromos töltés), és nincsenek párosítatlan elektronjaik (minden vegyérték telített). Viszont azokat is fel lehet tölteni, akkor ők helyes név- ionok. A molekulák rendelkezhetnek párosítatlan elektronokkal és telítetlen vegyértékekkel is – ebben az esetben gyököknek nevezzük őket.

Következtetés

Most már tudod, mi az atom, és kivétel nélkül minden anyag molekulákból áll, az utóbbiak pedig atomokból épülnek fel. Egy anyag fizikai tulajdonságai határozzák meg benne az atomok és molekulák elrendeződését, kötéseit.

ATOM [francia atom, latinul atomus, görögül?τομος (ουσ?α) - oszthatatlan (lényeg)], anyagrészecske, a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója. Az egyes elemek atomjai szerkezetükben és tulajdonságaiban egyediek, és az elemek vegyjelei jelölik őket (például hidrogénatom H, vas vas, higany Hg, urán U stb.). Az atomok szabad és kötött állapotban is létezhetnek (lásd Kémiai kötés). Az anyagok sokfélesége miatt különféle kombinációk atomok egymáshoz. A gáznemű, folyékony és szilárd anyagok az alkotó atomjaik tulajdonságaitól függenek. Az atom minden fizikai és kémiai tulajdonságát a szerkezete határozza meg, és megfelel a kvantumtörvényeknek. (Az atomtan fejlődéstörténetéről lásd az Atomfizika cikket.)

Az atomok szerkezetének általános jellemzői. Az atom egy pozitív elektromos töltésű nehéz magból és az azt körülvevő, negatív elektromos töltésekkel körülvevő könnyű elektronokból áll, amelyek az atom elektronhéját alkotják. Az atom méreteit a külső elektronhéj mérete határozza meg, és nagyok az atommag méreteihez képest. Az átmérők, területek jellemző sorrendjei keresztmetszetés az atom és a mag térfogata:

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

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

Az atom elektronhéjainak nincsenek szigorúan meghatározott határai, és az atom méreteinek értékei kisebb-nagyobb mértékben függenek a meghatározásuk módszerétől.

Az atommag töltése az atom fő jellemzője, amely meghatározza egy bizonyos elemhez való tartozását. Az atommag töltése mindig a pozitív elemi elektromos töltés egész számú többszöröse, abszolút értékében egyenlő az -e elektron töltésével. Az atommag töltése +Ze, ahol Z a sorszám (atomszám). Z \u003d 1, 2, 3, ... a kémiai elemek periodikus rendszerében az egymást követő elemek atomjaira, azaz a H, He, Li, ... atomokra. Semleges atomban egy töltéssel rendelkező atommag A +Ze Z elektront tart teljes töltéssel - Ze. Egy atom veszíthet vagy nyerhet elektronokat, és pozitív vagy negatív ionná válhat (k = 1, 2, 3, ... - ionizációjának többszöröse). Egy bizonyos elem atomját gyakran ionoknak nevezik. Íráskor az ionokat a k + és k - index különbözteti meg a semleges atomtól; például az O semleges oxigénatom, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - pozitív és negatív ionjai. Egy semleges atom és más, azonos számú elektront tartalmazó elemek ionjainak kombinációja izoelektronikus sorozatot képez, például H, He +, Li 2+, Be 3+, ... hidrogénszerű atomok sorozatát.

Az atommag töltésének többszörösét az e elemi töltéshez az atommag szerkezetére vonatkozó elképzelések alapján magyaráztuk: Z egyenlő az atommagban lévő protonok számával, a proton töltése + e. Az atom tömege a Z növekedésével növekszik. Az atommag tömege megközelítőleg arányos az A tömegszámmal - az atommagban lévő protonok és neutronok teljes számával. Az elektron tömege (0,91 10 -27 g) sokkal kisebb (körülbelül 1840-szerese), mint a proton vagy neutron tömege (1,67 × 10 -24 g), így az atom tömegét főként az atom tömege határozza meg. a magja.

Egy adott elem atomjai eltérhetnek az atommag tömegében (a Z protonok száma állandó, az A-Z neutronok száma változhat); ugyanazon elem atomjainak ilyen változatait izotópoknak nevezzük. Az atommag tömegének különbsége szinte nincs hatással az adott atom elektronhéjainak Z-től függő szerkezetére és az atom tulajdonságaira. A legnagyobb tulajdonságbeli különbségeket (izotóphatások) a hidrogénizotópoknál (Z = 1) kapjuk, mivel nagy különbség közönséges könnyű hidrogénatom (A = 1), deutérium (A = 2) és trícium (A = 3) tömegében.

Egy atom tömege 1,67 × 10 -24 g-tól (a fő izotópnál egy hidrogénatom, Z = 1, A = 1) körülbelül 4 × 10 -22 g-ig (transzuránelemek atomjai) változik. A legtöbb pontos értékeket az atomok tömege tömegspektroszkópiai módszerekkel határozható meg. Az atom tömege nem pontosan egyenlő az atommag tömegének és az elektronok tömegének összegével, de valamivel kevesebb - a ΔM = W / c 2 tömeghibával, ahol W az atom keletkezésének energiája az atommag és az elektronok (kötési energia), c a fénysebesség. Ez a korrekció nehéz atomoknál m e elektrontömeg nagyságrendű, könnyű atomoknál pedig elhanyagolható (10 -4 m e nagyságrendű).

Az atom energiája és kvantálása. Az atommag kis mérete és nagy tömege miatt megközelítőleg pontnak tekinthető, és az atom tömegközéppontjában nyugszik (az atommag és az elektronok közös tömegközéppontja az atommag közelében található, és az atommag sebessége az atom tömegközéppontjához viszonyított mag az elektronok sebességéhez képest kicsi). Ennek megfelelően egy atomot olyan rendszernek tekinthetünk, amelyben N töltésekkel rendelkező elektron mozog - e egy mozdíthatatlan vonzási központ körül. Az elektronok mozgása egy atomban korlátozott térfogatban történik, azaz kötött. Az E atom teljes belső energiája egyenlő az összes elektron kinetikus energiájának T és az U potenciális energiájának összegével - az atommag vonzási energiájával és az egymástól való taszítással.

Az 1913-ban Niels Bohr által javasolt atomelmélet szerint a hidrogénatomban egy -e töltésű elektron egy +e töltésű rögzített központ körül mozog. A klasszikus mechanika szerint egy ilyen elektron kinetikus energiája egyenlő

ahol v a sebesség, p = m e v az elektron lendülete (impulzusa). A potenciális energia (az elektron atommag általi Coulomb-vonzásának energiájára redukálva) egyenlő

és csak az elektronnak az atommagtól való r távolságától függ. Grafikusan az U(r) függvényt egy görbe ábrázolja, amely korlátlanul csökken r csökkenésével, azaz amikor az elektron közeledik az atommaghoz. U(r) értékét r→∞-nél nullának vesszük. Nál nél negatív értékeket teljes energia E = T + U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U >0 az elektron mozgása szabad - a végtelenbe mehet E = T = (1/2)m e v 2 energiával, ami egy H + ionizált hidrogénatomnak felel meg. Így a semleges hidrogénatom elektrosztatikusan kötött magokból és E energiájú elektronokból álló rendszer< 0.

teljes belső energia E atom – a fő jellemzője, mint kvantumrendszer (lásd Kvantummechanika). Egy atom csak bizonyos energiájú – stacioner (időben invariáns) – állapotokban maradhat meg sokáig. A kötött mikrorészecskékből (beleértve az atomot is) álló kvantumrendszer belső energiája a diszkrét (nem folytonos) értéksorok egyikét veheti fel.

Ezen "megengedett" energiaértékek mindegyike egy vagy több stacionárius kvantumállapotnak felel meg. A rendszernek nem lehetnek köztes energiaértékei (például E 1 és E 2, E 2 és E 3 között, stb.), egy ilyen rendszer kvantáltnak mondható. Bármilyen változás E-ben a rendszer kvantum (ugrásszerű) átmenetéhez kapcsolódik egyik stacionárius kvantumállapotból a másikba (lásd alább).

Egy atom energiájának lehetséges diszkrét értékei (3) grafikusan ábrázolhatók a különböző magasságokra (különböző szintekre) emelt test potenciális energiájával analóg módon, energiaszintek diagramja formájában, ahol minden energia érték egy E i, i= 1, 2, 3, ... magasságban húzott egyenesnek felel meg (1. ábra). Az atom lehető legkisebb energiájának megfelelő legalacsonyabb E 1 szintet talajszintnek, a többit (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ... gerjesztettnek nevezzük, mert a hozzájuk való eljutáshoz (átmenet a megfelelő stacionárius gerjesztett állapotokba a talajról) szükséges a rendszer gerjesztése - kívülről tájékoztatni az E i -E 1 energiáról.

Az atom energiájának kvantálása az elektronok hullámtulajdonságainak következménye. A korpuszkuláris-hullám dualizmus elve szerint egy m tömegű mikrorészecske v sebességű mozgása λ = h/mv hullámhossznak felel meg, ahol h a Planck-állandó. Egy atomban lévő elektron esetében λ 10-8 cm nagyságrendű, vagyis az atom lineáris méreteinek nagyságrendje, és az atomban lévő elektron hullámtulajdonságait is figyelembe kell venni. Kapcsolódó mozgás Az atomban lévő elektronok helyzete hasonló az állóhullámhoz, és nem szabad mozgásnak tekinteni anyagi pont a pálya mentén, de milyen bonyolult hullám folyamat. Egy korlátozott térfogatú állóhullámnál csak a λ hullámhossz (és ennek következtében a v oszcillációs frekvencia) bizonyos értékei lehetségesek. A kvantummechanika szerint egy E atom energiája v-hez kapcsolódik az E = hν összefüggésben, ezért csak bizonyos értékeket vehet fel. A térben nem korlátozott mikrorészecske szabad transzlációs mozgása, például egy atomról levált elektron mozgása (energiája E> 0) hasonló egy haladó hullám korlátlan térfogatú terjedéséhez, amelyre bármely λ (és v) értéke lehetséges. Egy ilyen szabad mikrorészecske energiája bármilyen értéket felvehet (nem kvantált, folyamatos energiaspektrummal rendelkezik). Egy ilyen folytonos sorozat egy ionizált atomnak felel meg. Az E ∞ = 0 értéke az ionizációs határnak felel meg; az E ∞ -E 1 \u003d E ion különbséget ionizációs energiának nevezzük (lásd az Ionizációs potenciál című cikket); hidrogénatom esetén ez 13,6 eV.

Elektronsűrűség-eloszlás. Az elektron pontos helyzete az atomban Ebben a pillanatban az arány bizonytalansága miatt nem állapítható meg az idő. Az atomban lévő elektron állapotát hullámfüggvénye határozza meg, amely bizonyos módon függ a koordinátáitól; a hullámfüggvény modulusának négyzete jellemzi az elektron megtalálásának valószínűségi sűrűségét a tér adott pontjában. A hullámfüggvény kifejezetten a Schrödinger-egyenlet megoldása.

Így az elektron állapota egy atomban azzal jellemezhető, hogy elektromos töltése eloszlik a térben egy bizonyos sűrűséggel - az elektronsűrűség eloszlásával. Az elektronok mintegy "elkenődnek" a térben, és "elektronfelhőt" alkotnak. Egy ilyen modell pontosabban jellemzi az atomban lévő elektronokat, mint a szigorúan meghatározott pályákon mozgó pontelektron modellje (Bohr atomelméletében). Ugyanakkor minden ilyen Bohr-pálya egy meghatározott elektronsűrűség-eloszláshoz köthető. Az E 1 talajenergia-szint esetében az elektronsűrűség az atommag közelében koncentrálódik; az E 2, E 3, E 4 ... gerjesztett energiaszinteknél egyre nagyobb átlagos távolságra oszlik el az atommagtól. A többelektronos atomban az elektronok héjakba csoportosulnak, amelyek különböző távolságban veszik körül az atommagot, és bizonyos elektronsűrűség-eloszlások jellemzik őket. Az elektronok kötési erőssége az atommaggal a külső héjakban kisebb, mint a belső héjakban, és az elektronok a legkülső héjban kötődnek a leggyengébb, amely a legnagyobb dimenziókkal rendelkezik.

Az elektronspin és a magspin számítása. Az atom elméletében nagyon fontos figyelembe venni az elektron spinjét - saját (spin) impulzusnyomatékát, az elektron saját tengelye körüli forgásának megfelelő vizuális szempontból (ha a az elektront kis részecskének tekintjük). Száz saját (spin) mágneses momentum kapcsolódik egy elektron spinéhez. Ezért egy atomban az elektrosztatikus kölcsönhatásokkal együtt figyelembe kell venni a spin mágneses momentum által meghatározott mágneses kölcsönhatásokat és az elektron atommag körüli mozgásához kapcsolódó orbitális mágneses momentumot is; a mágneses kölcsönhatások kicsik az elektrosztatikusakhoz képest. A spin hatása a többelektronos atomokban a legjelentősebb: az atom elektronhéjainak bizonyos számú elektronnal való kitöltése az elektronok spinétől függ.

Az atommagnak is lehet saját mechanikai nyomatéka - a magspin, amely az elektronikusnál száz- és ezerszer kisebb magmágneses nyomatékhoz kapcsolódik. A spinek létezése további, nagyon kicsi kölcsönhatásokhoz vezet az atommag és az elektronok között (lásd alább).

A hidrogénatom kvantumállapotai. Az atom kvantumelméletében a legfontosabb szerepet a legegyszerűbb egyelektronos atom elmélete játssza, amely egy +Ze töltésű magból és egy -e töltésű elektronból áll, vagyis a hidrogén elmélete. atom H és hidrogénszerű ionok He +, Li 2+, Be 3+, ..., amelyeket általában a hidrogénatom elméleteként emlegetnek. Mód kvantummechanika pontos és teljes leírás az elektron állapotai egyelektronos atomban. A sokelektronos atom problémája csak megközelítőleg megoldott; ebben az esetben az egyelektronos atom problémájának megoldási eredményeiből indulnak ki.

Az egyelektronos atom energiája a nemrelativisztikus közelítésben (az elektronspin figyelembe vétele nélkül) egyenlő

egész szám n = 1, 2, 3, ... meghatározza a lehetséges diszkrét energiaértékeket - energiaszinteket -, és fő kvantumszámnak nevezik, R a Rydberg-állandó, ami 13,6 eV. Egy atom energiaszintjei konvergálnak (kondenzálódnak) az E ∞ = 0 ionizációs határhoz, ami megfelel n =∞. A hidrogénszerű ionok esetében csak az energiaértékek skálája változik (Z2-szeresével). A hidrogénszerű atom ionizációs energiája (elektronkötési energia) (eV-ban)

ami a H, He +, Li 2+, ... értékeket adja meg: 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

A (4) alapképlet az U(r) = -Ze 2 /r kifejezésnek felel meg az elektron potenciális energiájára elektromos mező magok +Ze töltéssel. Ezt a képletet először N. Bohr vezette le, figyelembe véve egy elektron mozgását az atommag körül egy r sugarú körpályán, és ez a Schrödinger-egyenlet pontos megoldása egy ilyen rendszerre. Az energiaszintek (4) a sugarú pályáknak felelnek meg

ahol a konstans a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A a hidrogénatom első körpályájának sugara, amely megfelel a talajszintjének (ezt a Bohr sugarat gyakran használják kényelmes egységként a hosszúságok mérésére atomfizika). A pályák sugara arányos az n 2 főkvantumszám négyzetével és fordítottan arányos Z-vel; a hidrogénszerű ionok esetében a lineáris dimenziók skálája a hidrogénatomhoz képest Z-szorosára csökken. A hidrogénatom relativisztikus leírását, figyelembe véve az elektron spinjét, a Dirac-egyenlet adja.

A kvantummechanika szerint a hidrogénatom állapotát négy fizikai mennyiség diszkrét értéke határozza meg: E energia; keringési momentum M l (az elektron impulzusnyomatéka az atommaghoz viszonyítva); az orbitális impulzus M lz-ét egy tetszőlegesen választott z irányra vetíti; vetületek M sz a spin impulzus (az elektron impulzus M s intrinsic momentum). Ezeknek a fizikai mennyiségeknek a lehetséges értékeit pedig az n, l, m l , m s kvantumszámok határozzák meg. Közelítésben, amikor egy hidrogénatom energiáját a (4) képlet írja le, azt csak az n fő kvantumszám határozza meg, amely egész számokat vesz fel 1, 2, 3, ... . Egy adott n-es energiaszint több olyan állapotnak felel meg, amelyek eltérnek az orbitális (azimutális) kvantumszám l = 0, 1, ..., n-1 értékében. Az adott n és l értékű állapotokat általában 1s, 2s, 2p, 3s, ... jelöléssel jelöljük, ahol a számok az n értékét, az s, p, d, f betűk pedig (a továbbiakban latinul) ábécé) - az l = 0, 1, 2, 3 értékek. Adott n és l esetén a különböző állapotok száma 2 (2l + 1) - a mágneses érték kombinációinak száma az m s mágneses spinszám m l orbitális kvantumszáma (az első 2l + 1 értéket vesz fel, a második - 2 értéket). Az adott n és l értékekkel rendelkező különböző állapotok száma összesen 2n 2 . Így egy hidrogénatom minden energiaszintje 2,8, 18,…2n 2 (n= 1, 2, 3, ... esetén) különböző stacionárius kvantumállapotoknak felel meg. Ha csak egy kvantumállapot felel meg egy energiaszintnek, akkor azt nem degeneráltnak, ha kettő vagy több - degeneráltnak nevezzük (lásd Degeneráció a kvantumelméletben), és az ilyen állapotok számát g a degeneráltság fokának vagy többszörösének nevezzük. nem degenerált energiaszintek g = 1). A hidrogénatom energiaszintje degenerált, degeneráltsági foka g n = 2n 2.

A hidrogénatom különböző állapotaira az elektronsűrűség eltérő eloszlását is kapjuk. Függ az n, l és kvantumszámoktól. Ugyanakkor az s állapotok elektronsűrűsége (l=0) eltér a nullától a középpontban, azaz az atommag helyén, és nem függ a iránya (gömbszimmetrikus), a nyugalmi állapotokra (l>0) pedig a középpontban nullával egyenlő és az iránytól függ. A hidrogénatom n = 1, 2, 3 állapotaihoz tartozó elektronsűrűség-eloszlás a 2. ábrán látható; az "elektronfelhő" méretei a (6) képletnek megfelelően nőnek n2-vel arányosan (a 2. ábrán a skála csökken, ha n = 1-ről n = 2-re, n = 2-ről n = 3-ra mozog). Az elektron kvantumállapotait hidrogénszerű ionokban ugyanaz a négy kvantumszám jellemzi: n, l, m l és m s, mint a hidrogénatomban. Az elektronsűrűség eloszlása ​​is megmarad, csak Z-szorosára nő.

Hatás a külső mezők atomjára. atomszerű elektromos rendszer külső elektromos és mágneses mezőkben további energiára tesz szert. Az elektromos tér polarizálja az atomot - az elektronfelhőket az atommaghoz képest kiszorítja (lásd: Az atomok, ionok és molekulák polarizálhatósága), és a mágneses tér bizonyos módon orientálja az atom mágneses momentumát, amely az elektronok körüli mozgásához kapcsolódik. az atommag (M l pályaimpulzussal) és annak spinje. Az azonos energiájú hidrogénatom különböző állapotai egy külső térben megfelelnek különböző jelentések többletenergia ΔЕ, és a degenerált E n energiaszint több alszintre oszlik. Mind az energiaszintek felosztása elektromos térben - a Stark-effektus -, mind a mágneses térben történő felosztása - a Zeeman-effektus - arányos a megfelelő mezők erősségével.

Az atomon belüli kis mágneses kölcsönhatások szintén az energiaszintek felosztásához vezetnek. A hidrogénatom és a hidrogénszerű ionok esetében spin-pálya kölcsönhatás van - az elektron spin- és keringési momentumainak kölcsönhatása; az energiaszintek úgynevezett finomszerkezetét okozza - az E n gerjesztett szintek (n>1 esetén) részszintekre való felosztását. A hidrogénatom minden energiaszintjénél hiperfinom szerkezet is megfigyelhető, ami a magspin és az elektronikus nyomatékok nagyon kicsi mágneses kölcsönhatása miatt következik be.

Többelektronos atomok elektronikus héjai. A 2 vagy több elektront tartalmazó atom elmélete alapvetően különbözik a hidrogénatom elméletétől, mivel egy ilyen atomban azonos részecskék vannak egymással kölcsönhatásban - elektronok. Az elektronok kölcsönös taszítása egy többelektronos atomban jelentősen csökkenti az atommaghoz fűződő kötésük erősségét. Például egy hélium ionban (He +) egyetlen elektron leválási energiája 54,4 eV, míg egy semleges hélium atomban az elektronok taszítása következtében az egyik elektron leválási energiája 24,6 eV-ra csökken. A nehezebb atomok külső elektronjainál még jelentősebb a kötéserősség csökkenése a belső elektronok taszítása miatt. A sokelektronos atomokban fontos szerepet játszanak az elektronok, mint azonos mikrorészecskék tulajdonságai (lásd az azonosság elvét), spinnel s = 1/2, amelyre a Pauli-elv érvényes. Ezen elv szerint egy elektronrendszerben nem lehet egynél több elektron minden kvantumállapotban, ami egy atom szigorúan kitöltött elektronhéjának kialakulásához vezet. bizonyos számokat elektronok.

Figyelembe véve a kölcsönható elektronok megkülönböztethetetlenségét, célszerű csak az atom egészének kvantumállapotairól beszélni. Az egyes elektronok kvantumállapotait azonban megközelítőleg figyelembe vehetjük, és mindegyiket n, l, m l és m s kvantumszámok halmazával jellemezhetjük, hasonlóan a hidrogénatom elektronjaihoz. Ebben az esetben az elektron energiája nemcsak n-től függ, mint a hidrogénatomban, hanem l-től is; még mindig nem m l-től és m s-től függ. A többelektronos atomban adott n és l értékkel rendelkező elektronok energiája azonos, és egy bizonyos elektronhéjat alkotnak. Az ilyen ekvivalens elektronokat és az általuk alkotott héjakat, valamint a kvantumállapotokat és energiaszinteket adott n és l értékkel ns, np, nd, nf, ... szimbólumokkal jelöljük (1 = 0, 1, 2, 3, ...) és beszélnek 2p elektronokról, 3s héjakról stb.

A Pauli-elv szerint egy atomban bármely 2 elektronnak különböző kvantumállapotban kell lennie, és ezért el kell térnie a négy kvantumszám közül legalább az egyikben (n, l, m l és m s ), valamint az ekvivalens elektronok esetében (n és l). azonosak) - m l és m s értékekkel. Az m l , m s párok száma, azaz egy elektron adott n és l értékkel rendelkező különböző kvantumállapotainak száma a g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14 energiaszintjének degeneráltsági foka, ... . Meghatározza az elektronok számát a teljesen kitöltött elektronhéjakban. Így az s-, p-, d-, f-, ... héjak n értékétől függetlenül 2, 6, 10, 14, ... elektronnal vannak kitöltve. Az adott n-es elektronok l = 0, 1, 2, ..., n - 1 héjakból álló és 2n 2 elektronnal megtöltött réteget alkotnak, az ún. K-, L-, M, N-réteget. A teljes befejezés után a következőkkel rendelkezünk:

Minden rétegben a kisebb l-es héjakat nagyobb elektronsűrűség jellemzi. Az elektron és az atommag közötti kötés erőssége n növekedésével csökken, adott n esetén pedig l növekedésével. Minél gyengébb a kötött elektron a megfelelő héjban, annál magasabb az energiaszintje. Egy adott Z-jelű atommag a kötésük erőssége csökkenésének sorrendjében köti össze az elektronokat: először két elektron 1s, majd két elektron 2s, hat elektron 2p stb. Minden egyes kémiai elem atomja rendelkezik bizonyos elektroneloszlással a héjak között - az elektronja konfiguráció, például:

(az adott héjban lévő elektronok számát a jobb felső sarokban lévő index jelzi). Az elemek tulajdonságainak periodicitását az atom külső elektronhéjainak hasonlósága határozza meg. Például a semleges P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) atomok három p-elektront tartalmaznak a külső elektronhéjban, mint az N atom, és kémiai és számos fizikai tulajdonságukban hasonlóak hozzá. .

Minden atomra jellemző a normál elektronkonfiguráció, amelyet akkor kapunk, amikor az atomban lévő összes elektron a legerősebben kötődik, és a gerjesztett elektronkonfigurációkat, amikor egy vagy több elektron gyengébb kötésű, magasabb energiaszinten vannak. Például egy hélium atom esetében a normál 1s2 mellett gerjesztett elektronkonfigurációk is lehetségesek: 1s2s, 1s2p, ... (egy elektron gerjesztve van), 2s 2, 2s2p, ... (mindkét elektron gerjesztve van). Egy bizonyos elektronikus konfiguráció megfelel az atom egészének egy energiaszintjének, ha az elektronhéjak teljesen megteltek (például az atom normál konfigurációja Ne 1s 2 2s 2 2р 6), és számos energiaszint, ha vannak részben kitöltött héjak (például a nitrogénatom normál konfigurációja 1s 2 2s 2 2p 3, amelynél a 2p héj félig meg van töltve). Részben kitöltött d- és f-héjak jelenlétében az egyes konfigurációknak megfelelő energiaszintek száma elérheti a sok százat, így a részben kitöltött héjú atom energiaszintjének sémája igen összetett. Az atom alapvető energiaszintje a normál elektronikus konfiguráció legalacsonyabb szintje.

Kvantumátmenetek az atomban. A kvantumátmenetek során egy atom átmegy egyik álló állapotból a másikba - egyik energiaszintről a másikra. A magasabb E i energiaszintről egy alacsonyabb Е energiaszintre való átmenet során az atom E i - E k energiát ad le, a fordított átmenet során kapja meg. Mint minden kvantumrendszerben, az atomok kvantumátmenetei kétféleek lehetnek: sugárzással (optikai átmenetek) és sugárzás nélkül (sugárzásos vagy nem optikai átmenetek). A kvantumátmenet legfontosabb jellemzője a valószínűsége, amely meghatározza, hogy ez az átmenet milyen gyakran fordulhat elő.

A sugárzással járó kvantumátmenetek során egy atom elnyeli (átmenet E → E i-be) vagy kibocsát (E i → E átmenet) elektromágneses sugárzást. Az elektromágneses energiát egy atom fénykvantum - foton - formájában nyeli el és bocsátja ki, amelyet egy bizonyos v rezgési frekvencia jellemez, a következő összefüggés szerint:

ahol hv a foton energia. A (7) reláció a sugárzással kapcsolatos mikroszkopikus folyamatok energiamaradásának törvénye.

Egy atom alapállapotban csak fotonokat képes elnyelni, gerjesztett állapotban pedig elnyelni és ki is bocsátani. Az alapállapotban lévő szabad atom korlátlanul létezhet. Az atom gerjesztett állapotban való tartózkodásának időtartama (ennek az állapotnak az élettartama) korlátozott, az atom spontán módon (spontán módon), részben vagy teljesen elveszíti a gerjesztési energiát, fotont bocsát ki és alacsonyabb energiaszintre lép; ilyen spontán emisszió mellett stimulált emisszió is lehetséges, amely az abszorpcióhoz hasonlóan azonos frekvenciájú fotonok hatására jön létre. Egy gerjesztett atom élettartama minél rövidebb, annál nagyobb a spontán átmenet valószínűsége, hidrogénatomnál ez 10-8 s nagyságrendű.

A sugárzással lehetséges átmenetek v frekvenciájának halmaza határozza meg a megfelelő atom atomi spektrumát: az alsó szintről a felső szintre való átmenetek frekvenciájának halmaza az abszorpciós spektruma, a felső szintről az alsó szintre való átmenetek frekvenciájának halmaza az emissziós spektrum. . Az atomspektrum minden ilyen átmenete egy bizonyos v frekvencia spektrumvonalnak felel meg.

A nem sugárzó kvantumátmeneteknél az atom energiát kap vagy ad le, amikor kölcsönhatásba lép más részecskékkel, amelyekkel gázban ütközik, vagy hosszan meg van kötve egy molekulában, folyadékban vagy szilárd test. Gázban egy atom szabadnak tekinthető az ütközések közötti időintervallumokban; ütközés (ütés) során egy atom mehet egy alacsonyabb ill magas szint energia. Az ilyen ütközést rugalmatlannak nevezzük (ellentétben a rugalmas ütközéssel, amelyben az atom transzlációs mozgásának csak a kinetikai energiája változik, miközben a belső energiája változatlan marad). Fontos speciális eset a szabad atom ütközése elektronnal; általában egy elektron gyorsabban mozog, mint egy atom, az ütközési idő nagyon rövid, és elektronbecsapódásról beszélhetünk. Az atomok elektronbecsapódással történő gerjesztése az energiaszintek meghatározásának egyik módja.

Vegyi és fizikai tulajdonságok atom. Az atomok tulajdonságainak többségét a külső elektronhéjak szerkezete és jellemzői határozzák meg, amelyekben az elektronok viszonylag gyengén kötődnek az atommaghoz (több eV-tól több tíz eV-ig kötő energiák). Szerkezet belső héjak atom, melynek elektronjai sokkal erősebben kötődnek (kötési energiák száz, ezer és tízezer eV), csak az atom kölcsönhatásaiban nyilvánul meg gyors részecskékkel és nagy energiájú fotonokkal (több mint száz eV) . Az ilyen kölcsönhatások meghatározzák az atom röntgenspektrumát és a gyors részecskék szóródását (lásd Részecskediffrakció). Az atom tömege határozza meg mechanikai tulajdonságait az atom egészének mozgása során - a mozgás mennyiségét, mozgási energiáját. Az atom különféle rezonáns és egyéb fizikai tulajdonságai az atom mechanikai és kapcsolódó mágneses és elektromos momentumaitól függenek (lásd Elektronparamágneses rezonancia, Magmágneses rezonancia, Magkvadrupólus rezonancia).

Az atom külső héjának elektronjai könnyen ki vannak téve külső hatásoknak. Amikor az atomok közelednek egymáshoz, erős elektrosztatikus kölcsönhatások lépnek fel, amelyek kémiai kötés kialakulásához vezethetnek. Két atom gyengébb elektrosztatikus kölcsönhatása kölcsönös polarizációjukban nyilvánul meg - az elektronok atommagokhoz viszonyított elmozdulásában, ami a gyengén kötött külső elektronok esetében a legerősebb. Az atomok között polarizációs vonzási erők lépnek fel, amelyeket a köztük lévő nagy távolságok esetén is figyelembe kell venni. Az atom polarizációja külső elektromos térben is előfordul; ennek eredményeként az atom energiaszintjei eltolódnak, és ami különösen fontos, a degenerált energiaszintek kettéválnak (Stark-effektus). Egy atom polarizációját okozhatja elektromos mező fény (elektromágneses) hullám; a fény frekvenciájától függ, ami meghatározza az attól való függést és a törésmutatót (lásd Fénydiszperzió), ami az atom polarizálhatóságához kapcsolódik. Szoros kapcsolat optikai jellemzők egy atom elektromos tulajdonságaival különösen világosan megnyilvánul optikai spektrumában.

Az atomok mágneses tulajdonságait elsősorban elektronhéjuk szerkezete határozza meg. Egy atom mágneses momentuma a mechanikai nyomatékától függ (lásd: Magneto-mechanikai arány), a teljesen feltöltött elektronhéjjal rendelkező atomban nulla, valamint a mechanikai nyomaték. A részben kitöltött külső elektronhéjjal rendelkező atomok általában nullától eltérő mágneses nyomatékkal rendelkeznek, és paramágnesesek. Külső mágneses térben az atomok minden szintje, amelyben a mágneses momentum nem egyenlő nullával, felhasad - a Zeeman-effektus megy végbe. Minden atomnak van diamágnesessége, ami annak köszönhető, hogy külső hatás hatására mágneses momentum jelenik meg bennük mágneses mező(az ún. indukált mágneses momentum, analóg az atom elektromos dipólusmomentumával).

Egy atom egymást követő ionizációjával, azaz elektronjainak szétválásával, a legkülső elektronoktól kiindulva a kötés erőssége szerint, ennek megfelelően megváltozik az atom külső héja által meghatározott összes tulajdonsága. Egyre több szilárdan kötött elektron válik külsővé; ennek következtében az atom elektromos térben való polarizációs képessége nagymértékben lecsökken, az energiaszintek közötti távolságok és az e szintek közötti optikai átmenetek frekvenciái megnövekednek (ami a spektrumok egyre rövidebb hullámhosszok felé történő eltolódásához vezet). Számos tulajdonság periodicitást mutat: a hasonló külső elektronokkal rendelkező ionok tulajdonságai hasonlónak bizonyulnak; például az N 3+ (két 2s elektron) hasonlóságot mutat az N 5+-hoz (két 1s elektron). Ez vonatkozik az energiaszintek jellemzőire és egymáshoz viszonyított elrendezésére és az optikai spektrumokra, az atom mágneses momentumaira stb. A tulajdonságok legdrámaibb változása akkor következik be, amikor az utolsó elektront eltávolítják külső burok, amikor csak a teljesen kitöltött héjak maradnak, például amikor N 4+-ról N 5+-ra megyünk (elektronikus konfigurációk 1s 2 2s és 1s 2). Ebben az esetben az ion a legstabilabb, és teljes mechanikai és teljes mágneses momentuma nulla.

Az atom tulajdonságai kötött állapot(például egy molekula része) eltérnek a szabad atom tulajdonságaitól. Az atom tulajdonságai a legnagyobb változásokon mennek keresztül, amelyet a legkülső elektronok határoznak meg, amelyek részt vesznek egy adott atomnak a másikhoz való hozzáadásában. Ugyanakkor a belső héjak elektronjai által meghatározott tulajdonságok gyakorlatilag változatlanok maradhatnak, akárcsak a röntgenspektrumok esetében. Az atomok bizonyos tulajdonságai viszonylag kis mértékben változhatnak, amiből információ nyerhető a kötött atomok kölcsönhatásának természetéről. Fontos példa erre a kristályokban és összetett vegyületekben az atomi energiaszintek felosztása, amely a környező ionok által létrehozott elektromos mezők hatására megy végbe.

Az atom szerkezetének, energiaszintjének, más atomokkal, elemi részecskékkel, molekulákkal, külső mezőkkel és így tovább való kölcsönhatásainak tanulmányozására szolgáló kísérleti módszerek változatosak, de a fő információkat a spektrumai tartalmazzák. Az atomspektroszkópiai módszerek minden hullámhossz-tartományban, és különösen a modern lézerspektroszkópia módszerei lehetővé teszik az atomhoz kapcsolódó egyre finomabb hatások vizsgálatát. A 19. század elejétől az atom létezése nyilvánvaló volt a tudósok számára, de a 20. század elején J. Perrin kísérletet állított fel létezésének valóságának bizonyítására. A mikroszkópia fejlődésével lehetővé vált, hogy a szilárd testek felszínén lévő atomokról képeket készítsenek. Az atomot először E. Muller (USA, 1955) látta az általa feltalált mező-ion mikroszkóp segítségével. A modern atomerő- és alagútmikroszkópok lehetővé teszik a szilárd testek felületének jó felbontású képét. atomi szint(lásd a 3. ábrát).

Rizs. 3. A szilícium felület atomi szerkezetének képe, amelyet az Oxfordi Egyetem professzora, M. Kapstell készített pásztázó alagútmikroszkóp segítségével.

Léteznek úgynevezett egzotikus atomok, amelyeket széles körben alkalmaznak a különböző tanulmányokban, például müonatomok, azaz olyan atomok, amelyekben az elektronok egy részét vagy egészét negatív müonok helyettesítik, müónium, pozitrónium, valamint hadron atomok, amelyek töltött pionokból állnak. , kaonok, protonok, deuteronok stb. Megtörténtek az első megfigyelések az antihidrogén atomról is (2002) - egy pozitronból és antiprotonból álló atomról.

Lit .: Született M. Atomfizika. 3. kiadás M., 1970; Fano U., Fano L. Atomok és molekulák fizikája. M., 1980; Shpolsky E.V. Atomfizika. 7. kiadás M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA Atom- és molekulaspektroszkópia. 2. kiadás M., 2000.

Az atom összetétele.

Az atom abból áll atommagés elektronhéj.

Az atommag protonokból áll ( p+) és neutronok ( n 0). A legtöbb hidrogénatom egyetlen protonmaggal rendelkezik.

A protonok száma N(p+) egyenlő a nukleáris töltéssel ( Z) és az elem sorszáma a természetes elemsorokban (és a periodikus elemrendszerben).

N(p +) = Z

A neutronok számának összege N(n 0), egyszerűen betűvel jelölve N, és a protonok száma Z hívott tömegszámés betűvel van jelölve DE.

A = Z + N

Az atom elektronhéja az atommag körül mozgó elektronokból áll ( e -).

Elektronok száma N(e-) a semleges atom elektronhéjában egyenlő a protonok számával Z Magjában.

A proton tömege megközelítőleg megegyezik a neutron tömegével és 1840-szerese az elektron tömegével, tehát az atom tömege gyakorlatilag megegyezik az atommag tömegével.

Az atom alakja gömb alakú. Az atommag sugara körülbelül 100 000-szer kisebb, mint az atom sugara.

Kémiai elem- azonos magtöltésű (azonos számú protonnal az atommagban) atomok típusa (atomhalmaz).

Izotóp- egy elem atomjainak halmaza, amelyekben az atommagban azonos számú neutron található (vagy egy olyan atomtípus, amelynek az atommagjában azonos számú proton és ugyanannyi neutron van).

A különböző izotópok az atommagjukban lévő neutronok számában különböznek egymástól.

Egyetlen atom vagy izotóp megnevezése: (E - elem szimbólum), például: .

Az atom elektronhéjának szerkezete

atompálya az elektron állapota egy atomban. Orbitális szimbólum - . Minden pálya egy elektronfelhőnek felel meg.

Az alap (gerjesztetlen) állapotú valós atomok pályáinak négy típusa van: s, p, dés f.

elektronikus felhő- a tér azon része, amelyben egy elektron 90 (vagy több) százalékos valószínűséggel megtalálható.

jegyzet: néha nem különböztetik meg az "atomi pálya" és az "elektronfelhő" fogalmát, mindkettőt "atomi pályának" nevezik.

Az atom elektronhéja réteges. Elektronikus réteg azonos méretű elektronfelhők alkotják. Egyrétegű pályák alakulnak ki elektronikus ("energia") szint, energiájuk a hidrogénatomnál azonos, de más atomoknál eltérő.

Az azonos szintű pályákat csoportosítják elektronikus (energia) alszintek:
s- alszint (egyből áll s-pályák), szimbólum - .
p alszint (háromból áll p
d alszint (ötből áll d-pályák), szimbólum - .
f alszint (hétből áll f-pályák), szimbólum - .

Az azonos alszint pályáinak energiái azonosak.

Alszintek kijelölésekor a réteg (elektronikus szint) száma hozzáadódik az alszint szimbólumhoz, például: 2 s, 3p, 5d eszközök s- a második szint alszintje, p- a harmadik szint alszintje, d- az ötödik szint alszintje.

Az egy szinten lévő alszintek teljes száma megegyezik a szintszámmal n. Az egy szinten lévő pályák teljes száma a n 2. Ennek megfelelően az egy rétegben lévő felhők teljes száma is n 2 .

Megnevezések: - szabad pálya (elektronok nélkül), - pálya párosítatlan elektronnal, - pálya elektronpárral (két elektronnal).

Azt, hogy az elektronok milyen sorrendben töltik ki egy atom pályáját, három természettörvény határozza meg (a megfogalmazásokat leegyszerűsítve adjuk meg):

1. A legkisebb energia elve - az elektronok töltik ki a pályákat a pályák energiájának növekedési sorrendjében.

2. Pauli-elv - egy pályán nem lehet kettőnél több elektron.

3. Hund szabálya - az alszinten belül az elektronok először szabad pályákat töltenek meg (egyenként), majd csak ezután alkotnak elektronpárokat.

Az elektronszintben (vagy az elektronikus rétegben) lévő elektronok teljes száma 2 n 2 .

Az alszintek energia szerinti megoszlását a következőképpen fejezzük ki (az energia növekedésének sorrendjében):

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

Vizuálisan ezt a sorrendet az energiadiagram fejezi ki:

Egy atom elektronjainak szintek, alszintek és pályák szerinti megoszlása ​​(az atom elektronikus konfigurációja) ábrázolható elektronikus képlet, energiadiagram vagy egyszerűbben elektronréteg diagram formájában (" elektronikus diagram").

Példák az atomok elektronszerkezetére:

vegyérték elektronok- egy atom elektronjai, amelyek részt vehetnek a kémiai kötések kialakításában. Bármely atom esetében ezek az összes külső elektronok, valamint azok a külső elektronok előtti elektronok, amelyek energiája nagyobb, mint a külső elektronoké. Például: A Ca atomnak 4 külső elektronja van s 2, ezek is vegyértékek; a Fe atomnak külső elektronjai vannak - 4 s 2 de neki 3 van d 6, ezért a vasatomnak 8 vegyértékelektronja van. Vegyérték elektronikus képlet kalcium atomok - 4 s 2, vasatom pedig 4 s 2 3d 6 .

D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periodikus rendszere
(kémiai elemek természetes rendszere)

A kémiai elemek periodikus törvénye(modern megfogalmazás): a kémiai elemek, valamint az általuk képződött egyszerű és összetett anyagok tulajdonságai periodikusan függenek az atommagokból származó töltés értékétől.

Periodikus rendszer- a periodikus törvény grafikus kifejezése.

A kémiai elemek természetes köre- számos kémiai elem, amelyek aszerint vannak elrendezve, hogy az atommagjukban növekszik a protonok száma, vagy ami ugyanaz, az atommagok töltéseinek növekedése szerint. Egy elem sorozatszáma ebben a sorozatban megegyezik az elem bármely atomjának magjában lévő protonok számával.

A kémiai elemek táblázata a kémiai elemek természetes sorozatának „bevágásával” készül időszakokban(a táblázat vízszintes sorai) és az atomok hasonló elektronszerkezetű elemeinek csoportosításai (a táblázat függőleges oszlopai).

Attól függően, hogy az elemek hogyan vannak csoportosítva, egy táblázat lehet hosszú időszak(az azonos számú és típusú vegyértékelektronnal rendelkező elemeket csoportokba gyűjtjük) ill rövid időszak(az azonos számú vegyértékelektronnal rendelkező elemeket csoportokba gyűjtjük).

A rövid periódusos táblázat csoportjait alcsoportokra osztjuk ( fő-és mellékhatások), egybeesik a hosszú periódusú táblázat csoportjaival.

Az azonos időszak elemeinek összes atomja ugyanaz a szám elektronikus rétegek, megegyezik a periódus számával.

Az elemek száma a periódusokban: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. A nyolcadik periódus elemeinek többségét mesterségesen kaptuk, ennek az időszaknak az utolsó elemeit még nem szintetizálták. Az első kivételével minden periódus alkálifém-képző elemmel (Li, Na, K stb.) kezdődik és nemesgázképző elemmel (He, Ne, Ar, Kr stb.) végződik.

A rövid periódusos táblázatban - nyolc csoport, amelyek mindegyike két alcsoportra (fő és másodlagos) van osztva, a hosszú periódusos táblázatban - tizenhat csoport, amelyek római számmal vannak számozva A vagy B betűkkel, például: IA, IIIB, VIA, VIIB. A hosszú periódusos tábla IA csoportja a rövid időszaki táblázat első csoportjának fő alcsoportja; VIIB csoport - a hetedik csoport másodlagos alcsoportja: a többi - hasonlóan.

A kémiai elemek jellemzői természetesen csoportonként és periódusonként változnak.

Időszakban (növekvő sorozatszámmal)

• a nukleáris töltés növekszik
• a külső elektronok száma nő,
• az atomok sugara csökken,
• nő az elektronok kötési erőssége az atommaggal (ionizációs energia),
• az elektronegativitás nő.
• fokozza oxidáló tulajdonságok egyszerű anyagok ("nem fémesség"),
• az egyszerű anyagok redukáló tulajdonságai ("fémesség") gyengülnek,
• gyengíti a hidroxidok és a megfelelő oxidok alapvető karakterét,
• a hidroxidok és a megfelelő oxidok savas jellege megnő.

Csoportosan (növekvő sorozatszámmal)

• a nukleáris töltés növekszik
• az atomok sugara nő (csak az A-csoportokban),
• csökken az elektronok és az atommag közötti kötés erőssége (ionizációs energia; csak az A-csoportokban),
• az elektronegativitás csökken (csak az A-csoportokban),
• gyengítik az egyszerű anyagok oxidáló tulajdonságait ("nem fémesség"; csak az A-csoportokban),
• az egyszerű anyagok redukáló tulajdonságai javulnak ("fémesség"; csak az A-csoportokban),
• a hidroxidok és a megfelelő oxidok bázikus karaktere nő (csak az A-csoportokban),
• a hidroxidok és a megfelelő oxidok savas természete gyengül (csak az A-csoportokban),
• a stabilitás csökken hidrogénvegyületek(redukáló aktivitásuk növekszik; csak az A-csoportokban).

Feladatok és tesztek a "9. témakörben. "Az atom szerkezete. D. I. Mengyelejev (PSCE) periodikus törvénye és kémiai elemeinek periodikus rendszere."

• Periodikus törvény - Az atomok periodikus törvénye és szerkezete 8–9
  Tudnia kell: a pályák elektronokkal való feltöltésének törvényeit (a legkisebb energia elve, Pauli-elv, Hund-szabály), az elemek periodikus rendszerének felépítését.

  Képesnek kell lennie: meghatározni egy atom összetételét egy elemnek a periódusos rendszerben elfoglalt helyzete alapján, és fordítva, az összetételének ismeretében elemet találni a periódusos rendszerben; ábrázolja a szerkezeti diagramot, egy atom, ion elektronikus konfigurációját, és fordítva, határozza meg egy kémiai elem helyzetét a PSCE-ben a diagramból és az elektronikus konfigurációból; jellemezze az elemet és az általa alkotott anyagokat a PSCE-ben elfoglalt helye szerint; meghatározza az atomok sugarának változásait, a kémiai elemek és az általuk képződött anyagok tulajdonságait a periódusrendszer egy periódusán és egy fő alcsoportján belül.

  1. példa Határozza meg a pályák számát a harmadik elektronikus szinten! Mik ezek a pályák?
  A pályák számának meghatározásához a képletet használjuk N pályák = n 2, hol n- szintszám. N pályák = 3 2 = 9. Egy 3 s-, három 3 p- és öt 3 d-pályák.

  2. példa Határozzuk meg, hogy melyik elem atomja rendelkezik az 1-es elektronképlettel! s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
  Annak meghatározásához, hogy melyik elemről van szó, meg kell találnia a sorozatszámát, amely megegyezik az atomban lévő elektronok teljes számával. Ebben az esetben: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Ez alumínium.

  Miután meggyőződött arról, hogy mindent megtanult, amire szüksége van, folytassa a feladatokkal. Sok sikert kívánunk.

  
  Ajánlott irodalom:
  • O. S. Gabrielyan és mások Kémia, 11. osztály. M., Bustard, 2002;
  • G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Kémia 11 sejt. M., Oktatás, 2001.

Az ókortól a 18. század közepéig a tudományt az a gondolat uralta, hogy az atom az anyag részecskéje, amely nem osztható. Az angol tudós, valamint D. Dalton természettudós az atomot a kémiai elem legkisebb alkotóelemeként határozta meg. M. V. Lomonoszov atom- és molekulaelméletében képes volt meghatározni az atomot és a molekulát. Biztos volt benne, hogy az általa "testtesteknek" nevezett molekulák "elemekből" - atomokból - állnak, és állandó mozgásban vannak.

D. I. Mengyelejev úgy vélte, hogy az anyagi világot alkotó anyagoknak ez az alegysége csak akkor őrzi meg minden tulajdonságát, ha nincs kitéve szétválasztásnak. Ebben a cikkben az atomot a mikrovilág tárgyaként határozzuk meg, és tanulmányozzuk tulajdonságait.

Az atom szerkezetére vonatkozó elmélet megalkotásának előfeltételei

A 19. században az atom oszthatatlanságára vonatkozó kijelentést általánosan elfogadottnak tekintették. A legtöbb tudós úgy vélte, hogy az egyik kémiai elem részecskéi semmilyen körülmények között nem alakulhatnak át egy másik elem atomjaivá. Ezek az elképzelések szolgáltak az atom meghatározásának alapjául egészen 1932-ig. A 19. század végén olyan alapvető felfedezések születtek a tudományban, amelyek megváltoztatták ezt a nézetet. Először is 1897-ben J. J. Thomson angol fizikus fedezte fel az elektront. Ez a tény gyökeresen megváltoztatta a tudósok elképzeléseit a kémiai elem alkotórészeinek oszthatatlanságáról.

Hogyan bizonyítsuk be, hogy egy atom összetett

A tudósok már korábban is egyöntetűen egyetértettek abban, hogy az atomoknak nincs töltése. Aztán kiderült, hogy az elektronok könnyen felszabadulnak bármely kémiai elemből. Lángokban megtalálhatóak, hordozók elektromos áram, röntgensugárzás során anyagok bocsátják ki őket.

De ha az elektronok kivétel nélkül minden atom részét képezik és negatív töltésűek, akkor az atomban még mindig vannak olyan részecskék, amelyeknek szükségszerűen pozitív töltése van, különben az atomok nem lennének elektromosan semlegesek. Az atom szerkezetének feltárásában egy olyan fizikai jelenség segített, mint a radioaktivitás. Megadta az atom helyes meghatározását a fizikában, majd a kémiában.

Láthatatlan sugarak

A. Becquerel francia fizikus volt az első, aki leírta bizonyos kémiai elemek, a vizuálisan láthatatlan sugarak atomjai általi kibocsátásának jelenségét. Ionizálják a levegőt, áthaladnak az anyagokon, a fotólemezek elfeketedését okozzák. Később a Curie házastársak úgy találták, hogy a radioaktív anyagok más kémiai elemek atomjaivá alakulnak (például az uránból neptúniummá).

A radioaktív sugárzás heterogén összetételű: alfa-részecskék, béta-részecskék, gamma-sugarak. Így a radioaktivitás jelensége megerősítette, hogy a periódusos rendszer elemeinek részecskéi rendelkeznek összetett szerkezet. Ez a tény volt az oka az atom meghatározásában végrehajtott változtatásoknak. Milyen részecskékből áll egy atom a Rutherford által feltárt új tudományos tények alapján? A kérdésre a választ a tudós által javasolt atommagmodell adta, amely szerint az elektronok egy pozitív töltésű atommag körül keringenek.

Rutherford modelljének ellentmondásai

A tudós elmélete kiemelkedő karaktere ellenére nem tudta objektíven meghatározni az atomot. Következtetései ellenkeztek a termodinamika alaptörvényeivel, miszerint az atommag körül keringő összes elektron elveszíti energiáját, és bármi is legyen, előbb-utóbb bele kell esnie. Az atom ebben az esetben megsemmisül. Ez valójában nem történik meg, mivel a kémiai elemek és az őket alkotó részecskék nagyon hosszú ideig léteznek a természetben. Megmagyarázhatatlan az atom ilyen, Rutherford elméletén alapuló meghatározása, valamint az a jelenség, amely akkor következik be, amikor forró egyszerű anyagokat vezetnek át diffrakciós rácson. Végül is a kapott atomspektrumok lineáris alakúak. Ez ellentétben állt Rutherford atommodelljével, amely szerint a spektrumnak folytonosnak kellett volna lennie. A kvantummechanika elképzelései szerint az atommag elektronjait jelenleg nem pontobjektumként, hanem elektronfelhő formájúként jellemzik.

Legnagyobb sűrűsége az atommag körüli tér bizonyos lokuszában van, és a részecske elhelyezkedésének tekintjük egy adott időpillanatban. Azt is megállapították, hogy az atomban az elektronok rétegekbe rendeződtek. A rétegek számát úgy határozhatjuk meg, hogy ismerjük annak a periódusnak a számát, amelyben az elem D. I. Mengyelejev periodikus rendszerében található. Például egy foszforatom 15 elektront tartalmaz, és 3 energiaszinttel rendelkezik. Az energiaszintek számát meghatározó mutatót főkvantumszámnak nevezzük.

Kísérletileg megállapították, hogy az atommaghoz legközelebb eső energiaszintű elektronok energiája a legkisebb. Minden energiahéj alszintekre oszlik, ezek pedig pályákra. A különböző pályákon elhelyezkedő elektronok egyenlő felhőalakúak (s, p, d, f).

A fentiek alapján az következik, hogy az elektronfelhő alakja nem lehet tetszőleges. Szigorúan a pálya szerint van meghatározva. Tegyük hozzá azt is, hogy a makrorészecskékben lévő elektron állapotát további két érték határozza meg - a mágneses és a spinkvantumszámok. Az első a Schrödinger-egyenletre épül, és világunk háromdimenzióssága alapján jellemzi az elektronfelhő térbeli orientációját. A második indikátor a spinszám, amely az elektron tengelye körüli forgásának meghatározására szolgál az óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irányban.

A neutron felfedezése

D. Chadwick 1932-ben végzett munkájának köszönhetően az atom új meghatározása született a kémiában és a fizikában. Kísérleteiben a tudós bebizonyította, hogy a polónium hasadása során sugárzás lép fel, amelyet töltés nélküli részecskék okoznak, amelyek tömege 1,008665. Az új elemi részecskét neutronnak nevezték el. Felfedezése és tulajdonságainak tanulmányozása lehetővé tette V. Gapon és D. Ivanenko szovjet tudósok számára, hogy új elméletet alkossanak a protonokat és neutronokat tartalmazó atommag szerkezetére vonatkozóan.

Az új elmélet szerint az anyagatom definíciója a következő volt: egy kémiai elem szerkezeti egysége, amely protonokat és neutronokat, valamint körülötte mozgó elektronokat tartalmazó magból áll. A pozitív részecskék száma a magban mindig megegyezik a kémiai elem sorszámával a periódusos rendszerben.

Később A. Zsdanov professzor kísérletei során megerősítette, hogy a kemény kozmikus sugárzás hatására atommagok protonokra és neutronokra bomlik. Ráadásul bebizonyosodott, hogy az ezeket tartó erők elemi részecskék a magban rendkívül energiaigényes. Nagyon kis távolságra működnek (10-23 cm nagyságrendűek), és nukleárisnak nevezik. Mint korábban említettük, még M. V. Lomonoszov is képes volt meghatározni az atomot és a molekulát az általa ismert tudományos tények alapján.

Jelenleg a következő modellt tekintik általánosan elfogadottnak: egy atom magból és körülötte szigorúan meghatározott pályákon - pályákon - mozgó elektronokból áll. Az elektronok egyszerre mutatják a részecskék és a hullámok tulajdonságait, vagyis kettős természetük van. Szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik. A nukleáris erők által megkötött protonokból és neutronokból áll.

Lehetséges-e lemérni egy atomot

Kiderült, hogy minden atomnak van tömege. Például a hidrogénnél 1,67x10 -24 g, még elképzelni is nehéz, milyen kicsi ez az érték. Egy ilyen tárgy súlyának megállapításához nem mérleget használnak, hanem egy oszcillátort, ami egy szén nanocső. Egy atom és egy molekula tömegének kiszámításához kényelmesebb érték a relatív tömeg. Megmutatja, hogy egy molekula vagy atom tömege hányszor nagyobb, mint a szénatom 1/12-e, ami 1,66x10 -27 kg. A relatív atomtömegeket a kémiai elemek periodikus rendszerében adjuk meg, és nincs méretük.

A tudósok jól tudják ezt atomtömeg kémiai elem az átlagérték tömegszámok minden izotópját. Kiderült, hogy a természetben egy kémiai elem egységeinek tömege eltérő lehet. Ebben az esetben az ilyen szerkezeti részecskék magjainak töltései azonosak.

A tudósok azt találták, hogy az izotópok az atommagban lévő neutronok számában különböznek egymástól, és a magjuk töltése azonos. Például egy 35 tömegű klóratom 18 neutront és 17 protont tartalmaz, tömege pedig 37-20 neutron és 17 proton. Sok kémiai elem izotóp keveréke. Például az olyan egyszerű anyagok, mint a kálium, argon, oxigén, összetételükben 3 különböző izotópot képviselő atomokat tartalmaznak.

Az atomitás definíciója

Ennek többféle értelmezése van. Fontolja meg, mit jelent ez a kifejezés a kémiában. Ha bármely kémiai elem atomjai legalább rövid ideig képesek létezni külön-külön, anélkül, hogy bonyolultabb részecske - molekula - képzésére törekednének, akkor azt mondják, hogy az ilyen anyagok atomszerkezettel rendelkeznek. Például egy többlépcsős metán klórozási reakció. Széles körben alkalmazzák a szerves szintézis kémiájában a legfontosabb halogéntartalmú származékok: diklór-metán, szén-tetraklorid előállítására. A klórmolekulákat nagyon reaktív atomokra hasítja. Megszakítják a szigma kötéseket a metán molekulában, biztosítva láncreakció helyettesítés.

Egy másik példa egy kémiai folyamatra, amely nagyon fontos az iparban a hidrogén-peroxid használata fertőtlenítő és fehérítő szerként. Az atomi oxigén, mint a hidrogén-peroxid bomlástermékének meghatározása élő sejtekben (a kataláz enzim hatására) és laboratóriumi körülmények között egyaránt megtörténik. minőségileg meghatározza magas antioxidáns tulajdonságai, valamint a kórokozók: baktériumok, gombák és spóráik elpusztításának képessége.

Milyen az atomhéj

Korábban már megtudtuk, hogy egy kémiai elem szerkezeti egysége összetett szerkezetű. Az elektronok egy pozitív töltésű atommag körül keringenek. A Nobel-díjas Niels Bohr a fény kvantumelméletére alapozva alkotta meg doktrínáját, amelyben az atom jellemzői és meghatározása a következő: az elektronok csak meghatározott stacionárius pályákon mozognak az atommag körül, miközben energiát nem sugároznak ki. Bohr doktrínája bebizonyította, hogy a mikrovilág részecskéi, amelyek atomokat és molekulákat tartalmaznak, nem engedelmeskednek a nagy testekre - a makrokozmosz objektumaira - érvényes törvényeknek.

A makrorészecskék elektronhéjának szerkezetét kvantumfizikai munkákban tanulmányozták olyan tudósok, mint Hund, Pauli, Klechkovsky. Így vált ismertté, hogy az elektronok nem véletlenszerűen, hanem bizonyos stacionárius pályák mentén végeznek forgó mozgásokat az atommag körül. Pauli azt találta, hogy az elektronikus cellákban lévő s, p, d, f pályáján egy energiaszinten belül nem lehet több, mint két negatív töltésű részecske ellentétes spinekkel + ½ és - ½.

Hund szabálya elmagyarázta, hogy az azonos energiaszintű pályákat hogyan töltik meg helyesen elektronokkal.

A Klecskovszkij-szabály, amelyet n + l szabálynak is neveznek, megmagyarázta, hogyan töltődnek ki a többelektronos atomok (5, 6, 7 periódusú elemek) pályái. A fenti minták mindegyike elméleti igazolásként szolgált a Dmitrij Mengyelejev által létrehozott kémiai elemek rendszeréhez.

Oxidációs állapot

Ez egy alapvető fogalom a kémiában, és egy molekulában lévő atom állapotát jellemzi. Az atomok oxidációs állapotának modern meghatározása a következő: ez egy molekulában lévő atom feltételes töltése, amelyet abból a felfogásból számítanak ki, hogy a molekula csak ionos összetételű.

Az oxidációs állapot egész vagy tört számként fejezhető ki, pozitív, negatív vagy nulla értékekkel. Leggyakrabban a kémiai elemek atomjainak több oxidációs állapota van. Például a nitrogénnek -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 van. De egy ilyen kémiai elemnek, mint a fluor, minden vegyületében csak egy oxidációs állapota van, ami egyenlő -1. Ha bemutatják egyszerű anyag, akkor az oxidációs állapota nulla. Ez a kémiai mennyiség kényelmesen használható anyagok osztályozására és tulajdonságaik leírására. Leggyakrabban egy atom oxidációs állapotát használják a kémiában, amikor a redoxreakciók egyenleteit állítják össze.

az atomok tulajdonságai

A felfedezéseknek köszönhetően kvantumfizika, modern meghatározás atom, D. Ivanenko és E. Gapon elmélete alapján, a következőkkel egészül ki tudományos tények. Az atommag szerkezete közben nem változik kémiai reakciók. Csak az álló elektronpályák változhatnak. Szerkezetük sokféle fizikai és kémiai tulajdonságot magyarázhat az anyagoknak. Ha egy elektron elhagyja az álló pályát, és magasabb energiaindexű pályára megy, akkor az ilyen atomot gerjesztettnek nevezzük.

Meg kell jegyezni, hogy az elektronok nem képesek hosszú idő hogy ilyen szokatlan pályákon legyen. Álló pályájára visszatérve az elektron egy energiakvantumot bocsát ki. A kémiai elemek szerkezeti egységeinek olyan jellemzőinek tanulmányozása, mint az elektronaffinitás, elektronegativitás, ionizációs energia, lehetővé tette a tudósok számára, hogy ne csak az atomot a mikrokozmosz legfontosabb részecskéjeként határozzák meg, hanem lehetővé tették számukra az atomok képződési képességének magyarázatát is. az anyag stabil és energetikailag kedvezőbb molekuláris állapota, amely a teremtésnek köszönhetően lehetséges különféle típusok stabil kémiai kötés: ionos, kovalens-poláris és nem poláris, donor-akceptor (változatként kovalens kötés) és fém. Ez utóbbi határozza meg az összes fém legfontosabb fizikai és kémiai tulajdonságait.

Kísérletileg megállapították, hogy az atomok mérete változhat. Minden attól függ, hogy melyik molekulában található. A röntgendiffrakciós elemzésnek köszönhetően egy kémiai vegyületben ki lehet számítani az atomok közötti távolságot, valamint megtudni az elem szerkezeti egységének sugarát. Egy periódusba vagy kémiai elemcsoportba tartozó atomok sugarának változási mintázatainak ismeretében megjósolható fizikai és kémiai tulajdonságaik. Például az atommag töltésének növekedésével járó periódusokban csökken a sugaruk („az atom összenyomódása”), így a vegyületek fémes tulajdonságai gyengülnek, a nemfémeseké pedig nő.

Így a vonatkozó ismeretek lehetővé teszik a benne szereplő összes elem fizikai és kémiai tulajdonságainak pontos meghatározását periodikus rendszer Mengyelejev.