Apakah sebuah atom. Dunia ini indah

Tanggapan redaksi

Pada tahun 1913 orang Denmark fisikawan Niels Bohr mengajukan teorinya tentang struktur atom. Dia mengambil sebagai dasar model planet atom, yang dikembangkan oleh fisikawan Rutherford. Di dalamnya, atom disamakan dengan objek makrokosmos - sistem planet, di mana planet-planet bergerak dalam orbit di sekitar bintang besar. Demikian pula, dalam model atom planet, elektron bergerak dalam orbit di sekitar inti berat yang terletak di pusat.

Bohr memperkenalkan ide kuantisasi ke dalam teori atom. Menurutnya, elektron hanya dapat bergerak dalam orbit tetap yang sesuai dengan tingkat energi tertentu. Model Bohr-lah yang menjadi dasar penciptaan model mekanika kuantum modern dari atom. Dalam model ini, inti atom, yang terdiri dari proton bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan, juga dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif. Namun, menurut mekanika kuantum, tidak mungkin untuk menentukan lintasan atau orbit gerak elektron yang tepat - hanya ada wilayah di mana terdapat elektron dengan tingkat energi yang sama.

Apa yang ada di dalam atom?

Atom terdiri dari elektron, proton dan neutron. Neutron ditemukan setelah model planet atom dikembangkan oleh fisikawan. Baru pada tahun 1932, saat melakukan serangkaian eksperimen, James Chadwick menemukan partikel yang tidak bermuatan. Tidak adanya muatan dikonfirmasi oleh fakta bahwa partikel-partikel ini tidak bereaksi dengan cara apa pun terhadap medan elektromagnetik.

Inti atom itu sendiri dibentuk oleh partikel berat - proton dan neutron: masing-masing partikel ini hampir dua ribu kali lebih berat daripada elektron. Proton dan neutron juga memiliki ukuran yang sama, tetapi proton memiliki muatan positif dan neutron tidak memiliki muatan sama sekali.

Pada gilirannya, proton dan neutron terdiri dari partikel elementer yang disebut quark. Dalam fisika modern, quark adalah partikel dasar terkecil dari materi.

Ukuran atom itu sendiri berkali-kali lebih besar dari ukuran inti. Jika sebuah atom diperbesar seukuran lapangan sepak bola, maka ukuran inti atomnya dapat sebanding dengan bola tenis di tengah lapangan tersebut.

Di alam, ada banyak atom yang berbeda dalam ukuran, massa dan karakteristik lainnya. Sekelompok atom yang sejenis disebut unsur kimia. Sampai saat ini, lebih dari seratus unsur kimia. Atom mereka berbeda dalam ukuran, massa, dan struktur.

Elektron di dalam atom

Elektron bermuatan negatif bergerak di sekitar inti atom, membentuk semacam awan. Sebuah inti besar menarik elektron, tetapi energi elektron itu sendiri memungkinkan mereka untuk "melarikan diri" lebih jauh dari inti. Jadi, semakin besar energi elektron, semakin jauh dari inti.

Nilai energi elektron tidak bisa sembarangan, itu sesuai dengan set tingkat energi yang terdefinisi dengan baik dalam atom. Artinya, energi elektron berubah secara bertahap dari satu tingkat ke tingkat lainnya. Dengan demikian, elektron hanya dapat bergerak di dalam kulit elektron terbatas yang sesuai dengan tingkat energi tertentu - ini adalah arti dari postulat Bohr.

Setelah menerima lebih banyak energi, elektron "melompat" ke lapisan yang lebih tinggi dari inti, kehilangan energi, sebaliknya, ke lapisan yang lebih rendah. Dengan demikian, awan elektron di sekitar nukleus tersusun dalam bentuk beberapa lapisan yang "terpotong".

Sejarah gagasan tentang atom

Kata "atom" berasal dari bahasa Yunani "tidak dapat dibagi" dan kembali ke gagasan filosof Yunani kuno tentang bagian terkecil dari materi. Pada Abad Pertengahan, ahli kimia menjadi yakin bahwa zat tertentu tidak dapat dipecah lebih lanjut menjadi unsur-unsur penyusunnya. Partikel terkecil dari materi ini disebut atom. Pada tahun 1860, pada kongres internasional ahli kimia di Jerman, definisi ini secara resmi diabadikan dalam ilmu pengetahuan dunia.

PADA terlambat XIX Pada awal abad ke-20, fisikawan menemukan partikel subatom dan menjadi jelas bahwa atom sebenarnya tidak dapat dibagi. Teori tentang struktur internal atom segera dikemukakan, salah satu yang pertama di antaranya adalah model Thomson atau model "puding kismis". Menurut model ini, elektron kecil berada di dalam benda bermuatan positif besar, seperti kismis di dalam puding. Namun, percobaan praktis ahli kimia Rutherford membantah model ini dan membawanya untuk membuat model atom planet.

Pengembangan model planet oleh Bohr, bersama dengan penemuan neutron pada tahun 1932, membentuk dasar untuk teori modern tentang struktur atom. Tahapan selanjutnya dalam pengembangan pengetahuan tentang atom sudah terhubung dengan fisika partikel elementer: quark, lepton, neutrino, foton, boson, dan lain-lain.

Setiap hari kami menggunakan beberapa objek: kami mengambilnya di tangan kami, kami melakukan manipulasi apa pun pada mereka - kami membalikkannya, memeriksanya, dan akhirnya menghancurkannya. Pernahkah Anda bertanya-tanya terbuat dari apa benda-benda ini? "Apa yang harus dipikirkan? Dari logam/kayu/plastik/kain!" - banyak dari kita akan menjawab dengan bingung. Ini sebagian merupakan jawaban yang benar. Dan terdiri dari apakah bahan-bahan ini - logam, kayu, plastik, kain, dan banyak zat lainnya? Hari ini kita akan membahas masalah ini.

Molekul dan atom: definisi

Untuk orang yang berpengetahuan, jawabannya sederhana dan dangkal: dari atom dan molekul. Tetapi beberapa orang menjadi bingung dan mulai mengajukan pertanyaan: "Apa itu atom dan molekul? Seperti apa bentuknya?" dll. Mari kita jawab pertanyaan-pertanyaan ini secara berurutan. Nah, pertama-tama, apa itu atom dan molekul? Biarkan kami memberi tahu Anda segera bahwa definisi ini bukanlah hal yang sama. Apalagi mereka adalah istilah yang sama sekali berbeda. Jadi, atom adalah bagian terkecil dari unsur kimia, yang merupakan pembawa sifat-sifatnya, partikel materi dengan massa dan ukuran yang sedikit. Molekul adalah partikel netral listrik yang dibentuk oleh beberapa atom yang terhubung.

Apa itu atom: struktur

Sebuah atom terdiri dari kulit elektron dan (foto). Pada gilirannya, nukleus terdiri dari proton dan neutron, dan kulit - elektron. Dalam atom, proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron tidak bermuatan sama sekali. Jika jumlah proton sesuai, maka atom bersifat netral secara listrik, mis. jika kita menyentuh zat yang terbentuk dari molekul dengan atom seperti itu, kita tidak akan merasakan impuls listrik sedikit pun. Dan bahkan komputer tugas berat tidak akan menangkapnya karena kurangnya yang terakhir. Tetapi kebetulan ada lebih banyak proton daripada elektron, dan sebaliknya. Maka akan lebih tepat untuk menyebut atom seperti itu ion. Jika ada lebih banyak proton di dalamnya, maka secara elektrik positif, tetapi jika elektron mendominasi, maka secara elektrik negatif. Setiap atom tertentu memiliki jumlah proton, neutron, dan elektron yang ketat. Dan itu bisa dihitung. Template untuk memecahkan masalah menemukan jumlah partikel ini terlihat seperti ini:

Kimia elemen - R (masukkan nama elemen)
Proton (p) - ?
Elektron (e) - ?
Neutron (n) - ?
Keputusan:
p = nomor seri kimia. unsur R dalam sistem periodik dinamai D.I. Mendeleev
e = p
n \u003d A r (R) - Tidak. R

Apa itu molekul: struktur

Molekul adalah partikel terkecil dari suatu zat kimia, yaitu sudah langsung termasuk dalam komposisinya. Molekul zat tertentu terdiri dari beberapa atom yang identik atau berbeda. Fitur struktural molekul tergantung pada sifat fisik zat di mana mereka hadir. Molekul terdiri dari elektron dan atom. Lokasi yang terakhir dapat ditemukan menggunakan Formula struktural. memungkinkan Anda untuk menentukan jalannya reaksi kimia. Mereka biasanya netral muatan listrik), dan mereka tidak memiliki elektron tidak berpasangan (semua valensi jenuh). Namun, mereka juga dapat dikenakan biaya, maka mereka nama yang benar- ion. Molekul juga dapat memiliki elektron tidak berpasangan dan valensi tak jenuh - dalam hal ini mereka disebut radikal.

Kesimpulan

Sekarang Anda tahu apa itu atom dan Semua zat, tanpa kecuali, terdiri dari molekul, dan yang terakhir, pada gilirannya, terdiri dari atom. Sifat fisik suatu zat menentukan susunan dan ikatan atom dan molekul di dalamnya.

ATOM [Atom Prancis, dari bahasa Latin atomus, dari bahasa Yunani?τομος (ουσ?α) - tak terbagi (esensi)], partikel materi, bagian terkecil dari unsur kimia, yang merupakan pembawa sifat-sifatnya. Atom-atom dari setiap elemen adalah individu dalam struktur dan sifat dan ditunjuk oleh simbol kimia dari elemen (misalnya, atom hidrogen - H, besi - Fe, merkuri - Hg, uranium - U, dll.). Atom dapat eksis baik dalam keadaan bebas maupun dalam keadaan terikat (lihat Ikatan kimia). Seluruh variasi zat adalah karena berbagai kombinasi atom satu sama lain. Sifat-sifat gas, cair dan padatan bergantung pada sifat-sifat atom penyusunnya. Semua sifat fisik dan kimia atom ditentukan oleh strukturnya dan mematuhi hukum kuantum. (Mengenai sejarah perkembangan doktrin atom, lihat artikel Fisika Atom.)

Ciri-ciri umum struktur atom. Sebuah atom terdiri dari inti berat dengan muatan listrik positif dan elektron ringan yang mengelilinginya dengan muatan listrik negatif yang membentuk kulit elektron atom. Dimensi atom ditentukan oleh dimensi kulit elektron terluarnya dan besar dibandingkan dengan dimensi inti atom. Urutan karakteristik diameter, luas persilangan dan volume atom dan inti adalah:

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

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

Kulit elektron atom tidak memiliki batas yang ditentukan secara ketat, dan nilai-nilai dimensi atom pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil bergantung pada metode penentuannya.

Muatan nukleus adalah karakteristik utama atom, yang menentukan kepemilikannya pada elemen tertentu. Muatan inti selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari muatan listrik dasar positif, yang nilainya sama dengan muatan elektron -e. Muatan inti adalah +Ze, di mana Z adalah nomor seri (nomor atom). Z \u003d 1, 2, 3, ... untuk atom unsur berurutan dalam sistem periodik unsur kimia, yaitu, untuk atom H, He, Li, .... Dalam atom netral, nukleus bermuatan +Ze menahan elektron Z dengan muatan total - Ze. Sebuah atom dapat kehilangan atau memperoleh elektron dan menjadi ion positif atau negatif (k = 1, 2, 3, ... - multiplisitas ionisasinya). Sebuah atom dari unsur tertentu sering disebut sebagai ionnya. Saat menulis, ion dibedakan dari atom netral dengan indeks k + dan k -; misalnya O adalah atom oksigen netral, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - ion positif dan negatifnya. Kombinasi atom netral dan ion unsur lain dengan jumlah elektron yang sama membentuk deret isoelektronik, misalnya deret atom mirip hidrogen H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

Multiplisitas muatan inti atom terhadap muatan dasar e dijelaskan berdasarkan gagasan tentang struktur inti: Z sama dengan jumlah proton dalam inti, muatan proton adalah + e. Massa atom meningkat dengan meningkatnya Z. Massa inti atom kira-kira sebanding dengan nomor massa A - jumlah total proton dan neutron dalam inti. Massa elektron (0,91 10 -27 g) jauh lebih kecil (sekitar 1840 kali) daripada massa proton atau neutron (1,67 × 10 -24 g), sehingga massa atom terutama ditentukan oleh massa nukleusnya.

Atom-atom dari unsur tertentu mungkin berbeda dalam massa inti (jumlah proton Z konstan, jumlah neutron A-Z dapat bervariasi); jenis atom seperti itu dari unsur yang sama disebut isotop. Perbedaan massa inti hampir tidak berpengaruh pada struktur kulit elektron atom tertentu, yang bergantung pada Z, dan pada sifat atom. Perbedaan terbesar dalam sifat (efek isotop) diperoleh untuk isotop hidrogen (Z = 1) karena perbedaan besar dalam massa atom hidrogen ringan biasa (A = 1), deuterium (A = 2) dan tritium (A = 3).

Massa atom bervariasi dari 1,67 × 10 -24 g (untuk isotop utama atom hidrogen, Z = 1, A = 1) hingga sekitar 4 × 10 -22 g (untuk atom unsur transuranium). Paling nilai yang tepat massa atom dapat ditentukan dengan metode spektroskopi massa. Massa atom tidak persis sama dengan jumlah massa inti dan massa elektron, tetapi agak kurang - dengan cacat massa M = W / c 2, di mana W adalah energi pembentukan atom dari inti dan elektron (energi ikat), c adalah kecepatan cahaya. Koreksi ini berorde massa elektron m e untuk atom berat, dan untuk atom ringan dapat diabaikan (berurutan 10 -4 m e).

Energi atom dan kuantisasinya. Karena ukurannya yang kecil dan massanya yang besar, inti atom kira-kira dapat dianggap sebagai titik dan beristirahat di pusat massa atom (pusat massa bersama inti dan elektron terletak di dekat inti, dan kecepatan inti relatif terhadap pusat massa atom kecil dibandingkan dengan kecepatan elektron). Dengan demikian, atom dapat dianggap sebagai sistem di mana N elektron dengan muatan - e bergerak di sekitar pusat tarik-menarik yang tidak bergerak. Pergerakan elektron dalam atom terjadi dalam volume terbatas, yaitu terikat. Energi internal total atom E sama dengan jumlah energi kinetik T dari semua elektron dan energi potensial U - energi tarik-menarik oleh nukleus dan tolakan satu sama lain.

Menurut teori atom, yang diusulkan pada tahun 1913 oleh Niels Bohr, dalam atom hidrogen satu elektron dengan muatan -e bergerak di sekitar pusat tetap dengan muatan +e. Sesuai dengan mekanika klasik, energi kinetik elektron tersebut sama dengan

di mana v adalah kecepatan, p = m e v adalah momentum (momentum) elektron. Energi potensial (dikurangi menjadi energi gaya tarik Coulomb elektron oleh nukleus) sama dengan

dan hanya bergantung pada jarak r elektron dari inti. Secara grafis, fungsi U(r) direpresentasikan oleh kurva yang menurun tanpa batas saat r menurun, yaitu saat elektron mendekati nukleus. Nilai U(r) pada r→∞ diambil sebagai nol. Pada nilai negatif energi total 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 gerakan elektron bebas - elektron dapat mencapai tak terhingga dengan energi E = T = (1/2)m e v 2 , yang sesuai dengan atom hidrogen terionisasi H + . Jadi, atom hidrogen netral adalah sistem inti yang terikat secara elektrostatis dan elektron dengan energi E< 0.

Menyelesaikan energi dalam atom E - karakteristik utamanya sebagai sistem kuantum (lihat Mekanika kuantum). Sebuah atom dapat tinggal untuk waktu yang lama hanya dalam keadaan dengan energi tertentu - keadaan stasioner (invarian dalam waktu). Energi internal sistem kuantum yang terdiri dari mikropartikel terikat (termasuk atom) dapat mengambil salah satu rangkaian nilai diskrit (tidak kontinu).

Masing-masing nilai energi yang "diizinkan" ini sesuai dengan satu atau lebih keadaan kuantum stasioner. Sistem tidak dapat memiliki nilai energi antara (misalnya, terletak di antara E 1 dan E 2, E 2 dan E 3, dll.), sistem seperti itu dikatakan terkuantisasi. Setiap perubahan dalam E dikaitkan dengan transisi kuantum (seperti lompat) dari sistem dari satu keadaan kuantum stasioner ke keadaan kuantum lainnya (lihat di bawah).

Nilai-nilai diskrit yang mungkin (3) dari energi suatu atom dapat digambarkan secara grafis dengan analogi energi potensial suatu benda yang dinaikkan ke ketinggian yang berbeda (ke tingkat yang berbeda), dalam bentuk diagram tingkat energi, di mana setiap energi nilai sesuai dengan garis lurus yang ditarik pada ketinggian E i , i= 1 , 2, 3, ... (Gbr. 1). Tingkat terendah E 1 , sesuai dengan energi serendah mungkin dari sebuah atom, disebut tingkat dasar, dan semua sisanya (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) disebut tereksitasi, karena untuk pergi ke mereka ( transisi ke keadaan tereksitasi stasioner yang sesuai dari tanah) perlu untuk menggairahkan sistem - untuk menginformasikannya dari luar energi E i -E 1 .

Kuantisasi energi atom adalah konsekuensi dari sifat gelombang elektron. Menurut prinsip dualisme gelombang sel, pergerakan partikel mikro bermassa m dengan kecepatan v sesuai dengan panjang gelombang = h/mv, di mana h adalah konstanta Planck. Untuk elektron dalam sebuah atom, adalah orde 10 -8 cm, yaitu orde dimensi linier atom, dan dengan mempertimbangkan sifat gelombang elektron dalam atom diperlukan. Gerakan terkait elektron dalam atom mirip dengan gelombang berdiri, dan tidak boleh dianggap sebagai gerakan poin materi di sepanjang lintasan, tetapi betapa rumitnya proses gelombang. Untuk gelombang berdiri dalam volume terbatas, hanya nilai-nilai tertentu dari panjang gelombang (dan, akibatnya, frekuensi osilasi v) yang mungkin. Menurut mekanika kuantum, energi atom E berhubungan dengan v dengan hubungan E = hν dan karena itu hanya dapat mengambil nilai-nilai tertentu. Gerak translasi bebas suatu mikropartikel, tidak terbatas dalam ruang, misalnya gerak elektron yang terlepas dari atom (dengan energi E > 0), serupa dengan perambatan gelombang berjalan dalam volume tak terbatas, di mana setiap nilai (dan v) dimungkinkan. Energi partikel mikro bebas semacam itu dapat mengambil nilai apa pun (tidak terkuantisasi, ia memiliki spektrum energi kontinu). Urutan kontinu seperti itu sesuai dengan atom terionisasi. Nilai E = 0 sesuai dengan batas ionisasi; perbedaan E -E 1 \u003d E ion disebut energi ionisasi (lihat artikel Potensi ionisasi); untuk atom hidrogen, itu sama dengan 13,6 eV.

Distribusi kerapatan elektron. Posisi yang tepat dari sebuah elektron dalam atom saat ini waktu tidak dapat ditentukan karena ketidakpastian rasio. Keadaan elektron dalam atom ditentukan oleh fungsi gelombangnya, yang dengan cara tertentu tergantung pada koordinatnya; kuadrat modulus fungsi gelombang mencirikan kerapatan probabilitas menemukan elektron pada titik tertentu dalam ruang. Fungsi gelombang secara eksplisit merupakan solusi dari persamaan Schrödinger.

Dengan demikian, keadaan elektron dalam suatu atom dapat dicirikan oleh distribusi muatan listriknya di ruang angkasa dengan kerapatan tertentu - distribusi kerapatan elektron. Elektron, seolah-olah, "diolesi" di ruang angkasa dan membentuk "awan elektron". Model seperti itu mencirikan elektron dalam atom lebih tepat daripada model elektron titik yang bergerak di sepanjang orbit yang ditentukan secara ketat (dalam teori atom Bohr). Pada saat yang sama, setiap orbit Bohr tersebut dapat dikaitkan dengan distribusi kerapatan elektron tertentu. Untuk tingkat energi dasar E 1, kerapatan elektron terkonsentrasi di dekat nukleus; untuk tingkat energi tereksitasi E 2 , E 3 , E 4 ... itu didistribusikan pada jarak rata-rata yang semakin besar dari nukleus. Dalam atom multi-elektron, elektron dikelompokkan ke dalam kulit yang mengelilingi nukleus pada jarak yang berbeda dan dicirikan oleh distribusi kerapatan elektron tertentu. Kekuatan ikatan antara elektron dan nukleus di kulit terluar lebih kecil daripada di kulit dalam, dan elektron terikat paling lemah di kulit terluar, yang memiliki dimensi terbesar.

Akuntansi untuk spin elektron dan spin nuklir. Dalam teori atom, sangat penting untuk memperhitungkan spin elektron - momen momentumnya sendiri (spin), dari sudut pandang visual yang sesuai dengan rotasi elektron di sekitar sumbunya sendiri (jika elektron dianggap sebagai partikel kecil). Seratus momen magnet sendiri (spin) dikaitkan dengan spin elektron. Oleh karena itu, dalam sebuah atom, perlu diperhitungkan, bersama dengan interaksi elektrostatik, interaksi magnetik yang ditentukan oleh momen magnetik spin dan momen magnetik orbital yang terkait dengan gerakan elektron di sekitar nukleus; interaksi magnetik kecil dibandingkan dengan yang elektrostatik. Pengaruh spin dalam atom multielektron paling signifikan: pengisian kulit elektron atom dengan sejumlah elektron tergantung pada spin elektron.

Nukleus dalam atom juga dapat memiliki momen mekanisnya sendiri - putaran nuklir, yang dikaitkan dengan momen magnet nuklir ratusan dan ribuan kali lebih kecil daripada momen elektronik. Adanya spin menyebabkan interaksi tambahan yang sangat kecil antara nukleus dan elektron (lihat di bawah).

Keadaan kuantum atom hidrogen. Peran paling penting dalam teori kuantum atom dimainkan oleh teori atom satu elektron paling sederhana, yang terdiri dari inti dengan muatan +Ze dan elektron dengan muatan -e, yaitu teori hidrogen atom H dan ion mirip hidrogen He +, Li 2+, Be 3+, ..., biasa disebut sebagai teori atom hidrogen. Metode mekanika kuantum Anda bisa mendapatkan yang akurat dan deskripsi lengkap keadaan elektron dalam atom satu elektron. Masalah atom banyak elektron diselesaikan hanya kira-kira; dalam hal ini, mereka melanjutkan dari hasil pemecahan masalah atom satu elektron.

Energi atom satu elektron dalam pendekatan nonrelativistik (tanpa memperhitungkan spin elektron) sama dengan

bilangan bulat n = 1, 2, 3, ... menentukan kemungkinan nilai diskrit energi - tingkat energi - dan disebut bilangan kuantum utama, R adalah konstanta Rydberg, sama dengan 13,6 eV. Tingkat energi suatu atom konvergen (mengembun) ke batas ionisasi E = 0 sesuai dengan n =∞. Untuk ion mirip hidrogen, hanya skala nilai energi yang berubah (dengan faktor Z2). Energi ionisasi atom mirip hidrogen (energi ikat elektron) adalah (dalam eV)

yang memberikan untuk H, He +, Li 2+, ... nilai 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... .

Rumus dasar (4) sesuai dengan ekspresi U(r) = -Ze 2 /r untuk energi potensial elektron dalam Medan listrik inti dengan muatan +Ze. Rumus ini pertama kali diturunkan oleh N. Bohr dengan mempertimbangkan gerakan elektron di sekitar nukleus dalam orbit melingkar berjari-jari r dan merupakan solusi eksak dari persamaan Schrödinger untuk sistem seperti itu. Tingkat energi (4) sesuai dengan orbit radius

di mana konstanta a 0 \u003d 0,529 10 -8 cm \u003d \u003d 0,529 A adalah jari-jari orbit lingkaran pertama atom hidrogen yang sesuai dengan permukaan dasarnya (jari-jari Bohr ini sering digunakan sebagai satuan yang nyaman untuk mengukur panjang dalam fisika atom). Jari-jari orbit sebanding dengan kuadrat bilangan kuantum utama n 2 dan berbanding terbalik dengan Z; untuk ion mirip hidrogen, skala dimensi linier berkurang sebesar faktor Z dibandingkan dengan atom hidrogen. Deskripsi relativistik atom hidrogen, dengan memperhitungkan spin elektron, diberikan oleh persamaan Dirac.

Menurut mekanika kuantum, keadaan atom hidrogen sepenuhnya ditentukan oleh nilai-nilai diskrit dari empat besaran fisik: energi E; momen orbital M l (momen momentum elektron relatif terhadap nukleus); proyeksi M lz dari momentum orbital ke arah yang dipilih secara sewenang-wenang z; proyeksi M sz dari momentum putaran (momentum intrinsik dari momentum elektron M s). Nilai yang mungkin dari kuantitas fisik ini, pada gilirannya, ditentukan oleh bilangan kuantum n, l, ml , m s, masing-masing. Dalam pendekatan ketika energi atom hidrogen dijelaskan oleh rumus (4), itu hanya ditentukan oleh bilangan kuantum utama n, yang mengambil nilai bilangan bulat 1, 2, 3, ... . Tingkat energi dengan n tertentu sesuai dengan beberapa keadaan yang berbeda dalam nilai bilangan kuantum orbital (azimut) l = 0, 1, ..., n-1. Negara dengan nilai n dan l yang diberikan biasanya dilambangkan sebagai 1s, 2s, 2p, 3s, ..., di mana angka menunjukkan nilai n, dan huruf s, p, d, f (selanjutnya dalam bahasa Latin alfabet) - masing-masing, nilai l \u003d 0, 1, 2, 3. Untuk n dan l yang diberikan, jumlah status yang berbeda adalah 2(2l + 1) - jumlah kombinasi nilai magnet bilangan kuantum orbital ml dari bilangan spin magnetik m s (yang pertama mengambil nilai 2l + 1, yang kedua - 2 nilai). Jumlah total negara bagian yang berbeda dengan n dan l yang diberikan adalah 2n 2 . Jadi, setiap tingkat energi atom hidrogen sesuai dengan 2,8, 18,…2n 2 (pada n= 1, 2, 3, ...) keadaan kuantum stasioner yang berbeda. Jika hanya satu keadaan kuantum yang sesuai dengan tingkat energi, maka itu disebut non-degenerasi, jika dua atau lebih - merosot (lihat Degenerasi dalam teori kuantum), dan jumlah keadaan tersebut g disebut derajat atau multiplisitas degenerasi (untuk tingkat energi non-degenerasi g = 1). Tingkat energi atom hidrogen mengalami degenerasi, dan tingkat degenerasinya adalah g n = 2n 2 .

Untuk keadaan atom hidrogen yang berbeda, distribusi kerapatan elektron yang berbeda juga diperoleh. Itu tergantung pada bilangan kuantum n, l dan Pada saat yang sama, kerapatan elektron untuk keadaan-s (l=0) berbeda dari nol di pusat, yaitu di lokasi inti, dan tidak bergantung pada arah (simetris bola), dan untuk keadaan diam (l>0) itu sama dengan nol di pusat dan tergantung pada arah. Distribusi kerapatan elektron untuk keadaan atom hidrogen dengan n = 1, 2, 3 ditunjukkan pada Gambar 2; dimensi "awan elektron" tumbuh sesuai dengan rumus (6) sebanding dengan n2 (skala pada Gambar 2 berkurang ketika bergerak dari n = 1 ke n = 2 dan dari n = 2 ke n = 3). Keadaan kuantum elektron dalam ion mirip hidrogen dicirikan oleh empat bilangan kuantum yang sama n, l, ml dan m s seperti pada atom hidrogen. Distribusi kerapatan elektron juga dipertahankan, hanya meningkat dengan faktor Z.

Aksi pada atom medan eksternal. atom seperti sistem listrik di medan listrik dan magnet eksternal memperoleh energi tambahan. Medan listrik mempolarisasi atom - ia menggantikan awan elektron relatif terhadap nukleus (lihat Polarisabilitas atom, ion, dan molekul), dan medan magnet mengarahkan dengan cara tertentu momen magnetik atom, terkait dengan pergerakan elektron di sekitar inti (dengan momentum orbital M l) dan putarannya. Keadaan yang berbeda dari atom hidrogen dengan energi yang sama E n dalam medan eksternal sesuai dengan arti yang berbeda energi tambahan , dan tingkat energi yang merosot E n dibagi menjadi beberapa sublevel. Baik pemisahan tingkat energi dalam medan listrik - efek Stark - dan pemisahannya dalam medan magnet - efek Zeeman - sebanding dengan kekuatan medan yang sesuai.

Interaksi magnetik kecil di dalam atom juga menyebabkan pemisahan tingkat energi. Untuk atom hidrogen dan ion mirip hidrogen, ada interaksi spin-orbit - interaksi momen spin dan orbital elektron; itu menyebabkan apa yang disebut struktur halus tingkat energi - pemisahan tingkat tereksitasi E n (untuk n>1) menjadi sublevel. Untuk semua tingkat energi atom hidrogen, struktur hyperfine juga diamati, karena interaksi magnetik yang sangat kecil dari putaran nuklir dengan momen elektronik.

Kulit elektronik atom multielektron. Teori atom yang mengandung 2 atau lebih elektron pada dasarnya berbeda dari teori atom hidrogen, karena dalam atom seperti itu ada partikel identik yang berinteraksi satu sama lain - elektron. Tolakan timbal balik elektron dalam atom multielektron secara signifikan mengurangi kekuatan ikatannya dengan nukleus. Misalnya, energi pelepasan satu elektron dalam ion helium (He +) adalah 54,4 eV, sedangkan pada atom helium netral, sebagai akibat dari gaya tolak menolak elektron, energi pelepasan salah satunya berkurang menjadi 24,6 eV. Untuk elektron terluar dari atom yang lebih berat, penurunan kekuatan ikatan karena tolakan oleh elektron dalam bahkan lebih signifikan. Peran penting dalam atom banyak elektron dimainkan oleh sifat-sifat elektron sebagai mikropartikel identik (lihat Prinsip identitas) dengan spin s = 1/2, di mana prinsip Pauli berlaku. Menurut prinsip ini, dalam sistem elektron tidak boleh ada lebih dari satu elektron di setiap keadaan kuantum, yang mengarah pada pembentukan kulit elektron atom, diisi dengan ketat. angka tertentu elektron.

Mempertimbangkan ketidakterbedaan elektron yang berinteraksi, masuk akal untuk berbicara hanya tentang keadaan kuantum atom secara keseluruhan. Namun, seseorang dapat secara kira-kira mempertimbangkan keadaan kuantum elektron individu dan mengkarakterisasi masing-masing dengan satu set bilangan kuantum n, l, ml dan m s , mirip dengan elektron dalam atom hidrogen. Dalam hal ini, energi elektron ternyata tidak hanya bergantung pada n, seperti pada atom hidrogen, tetapi juga pada l; itu masih tidak tergantung pada ml dan m s. Elektron dengan n dan l yang diberikan dalam atom multi-elektron memiliki energi yang sama dan membentuk kulit elektron tertentu. Elektron ekivalen tersebut dan kulit yang dibentuk olehnya, serta keadaan kuantum dan tingkat energi dengan n dan l yang diberikan, dilambangkan dengan simbol ns, np, nd, nf, ... (untuk 1 = 0, 1, 2, 3, ...) dan mereka berbicara tentang elektron 2p, kulit 3s, dan seterusnya.

Menurut prinsip Pauli, setiap 2 elektron dalam sebuah atom harus berada dalam keadaan kuantum yang berbeda dan, oleh karena itu, berbeda setidaknya satu dari empat bilangan kuantum n, l, ml dan m s , dan untuk elektron yang setara (n dan l adalah sama) - dengan nilai ml dan m s . Jumlah pasangan ml , m s , yaitu jumlah keadaan kuantum yang berbeda dari elektron dengan n dan l yang diberikan, adalah derajat degenerasi tingkat energinya g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Ini menentukan jumlah elektron dalam kulit elektron yang terisi penuh. Jadi, kulit s-, p-, d-, f-, ... kulit diisi dengan 2, 6, 10, 14, ... elektron, berapa pun nilai n. Elektron dengan n tertentu membentuk lapisan yang terdiri dari kulit dengan l = 0, 1, 2, ..., n - 1 dan diisi dengan elektron 2n 2, yang disebut lapisan K-, L-, M, N. Pada penyelesaian penuh, kami memiliki:

Di setiap lapisan, kulit dengan l yang lebih kecil dicirikan oleh kerapatan elektron yang lebih tinggi. Kekuatan ikatan antara elektron dan inti berkurang dengan peningkatan n, dan untuk n tertentu, dengan peningkatan l. Semakin lemah elektron terikat pada kulit yang sesuai, semakin tinggi tingkat energinya. Sebuah inti dengan Z tertentu mengikat elektron dalam urutan penurunan kekuatan ikatannya: pertama dua elektron 1s, kemudian dua elektron 2s, enam elektron 2p, dll. Sebuah atom dari setiap unsur kimia memiliki distribusi elektron tertentu di atas kulit - elektronnya konfigurasi, misalnya:

(jumlah elektron dalam kulit tertentu ditunjukkan oleh indeks di kanan atas). Periodisitas dalam sifat-sifat unsur ditentukan oleh kesamaan kulit elektron terluar atom. Misalnya, atom netral P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) memiliki tiga elektron p di kulit elektron terluar, seperti atom N, dan mirip dalam sifat kimia dan fisika. .

Setiap atom dicirikan oleh konfigurasi elektronik normal, yang diperoleh ketika semua elektron dalam atom terikat paling kuat, dan konfigurasi elektronik tereksitasi, ketika satu atau lebih elektron terikat lebih lemah - berada pada tingkat energi yang lebih tinggi. Misalnya, untuk atom helium, bersama dengan 1s2 normal, konfigurasi elektron tereksitasi dimungkinkan: 1s2s, 1s2p, ... (satu elektron tereksitasi), 2s 2, 2s2p, ... (kedua elektron tereksitasi). Konfigurasi elektronik tertentu sesuai dengan satu tingkat energi atom secara keseluruhan, jika kulit elektron terisi penuh (misalnya, konfigurasi normal atom adalah Ne 1s 2 2s 2 2р 6), dan sejumlah tingkat energi, jika ada kulit yang terisi sebagian (misalnya, konfigurasi normal atom nitrogen adalah 1s 2 2s 2 2p 3 dengan kulit 2p yang terisi setengah). Dengan adanya kulit d dan f yang terisi sebagian, jumlah tingkat energi yang sesuai untuk setiap konfigurasi dapat mencapai ratusan, sehingga skema tingkat energi atom dengan kulit yang terisi sebagian sangat kompleks. Tingkat energi dasar atom adalah tingkat terendah dari konfigurasi elektron normal.

Transisi kuantum dalam atom. Dalam transisi kuantum, sebuah atom berpindah dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya - dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Selama transisi dari tingkat energi yang lebih tinggi E i ke yang lebih rendah ke atom mengeluarkan energi E i - E k , selama transisi terbalik ia menerimanya. Untuk sistem kuantum apa pun, transisi kuantum untuk atom dapat terdiri dari dua jenis: dengan radiasi (transisi optik) dan tanpa radiasi (transisi radiasi, atau non-optik). Karakteristik paling penting dari transisi kuantum adalah probabilitasnya, yang menentukan seberapa sering transisi ini dapat terjadi.

Selama transisi kuantum dengan radiasi, sebuah atom menyerap (transisi E ke → E i) atau memancarkan (transisi E i → E ke) radiasi elektromagnetik. Energi elektromagnetik diserap dan dipancarkan oleh atom dalam bentuk kuantum cahaya - foton - ditandai dengan frekuensi osilasi tertentu v, sesuai dengan hubungan:

di mana hv adalah energi foton. Hubungan (7) adalah hukum kekekalan energi untuk proses mikroskopis yang berhubungan dengan radiasi.

Sebuah atom dalam keadaan dasar hanya dapat menyerap foton, sedangkan dalam keadaan tereksitasi dapat menyerap dan memancarkan keduanya. Sebuah atom bebas dalam keadaan dasar bisa eksis tanpa batas. Durasi tinggal atom dalam keadaan tereksitasi (masa hidup keadaan ini) terbatas, atom secara spontan (spontan), sebagian atau seluruhnya kehilangan energi eksitasi, memancarkan foton dan pindah ke tingkat energi yang lebih rendah; bersama dengan emisi spontan seperti itu, emisi terstimulasi juga dimungkinkan, yang terjadi, seperti penyerapan, di bawah aksi foton dengan frekuensi yang sama. Masa hidup atom yang tereksitasi semakin pendek, semakin besar kemungkinan transisi spontan, untuk atom hidrogen orde 10 -8 s.

Himpunan frekuensi v dari kemungkinan transisi dengan radiasi menentukan spektrum atom dari atom yang sesuai: himpunan frekuensi transisi dari tingkat yang lebih rendah ke atas adalah spektrum penyerapannya, himpunan frekuensi transisi dari tingkat atas ke tingkat yang lebih rendah adalah spektrum emisi . Setiap transisi tersebut dalam spektrum atom sesuai dengan garis spektral frekuensi v tertentu.

Dalam transisi kuantum nonradiatif, sebuah atom menerima atau melepaskan energi ketika berinteraksi dengan partikel lain yang bertabrakan dengannya dalam gas atau terikat jangka panjang dalam molekul, cairan, atau tubuh yang kokoh. Dalam gas, sebuah atom dapat dianggap bebas dalam interval waktu antara tumbukan; selama tumbukan (benturan), sebuah atom dapat bergerak ke posisi yang lebih rendah atau level tinggi energi. Tumbukan semacam itu disebut tumbukan lenting (berlawanan dengan tumbukan lenting, di mana hanya energi kinetik dari gerak translasi atom yang berubah, sedangkan energi dalamnya tetap). Kasus khusus yang penting adalah tumbukan atom bebas dengan elektron; biasanya elektron bergerak lebih cepat daripada atom, waktu tumbukan sangat singkat dan orang dapat berbicara tentang dampak elektron. Eksitasi atom oleh tumbukan elektron adalah salah satu metode untuk menentukan tingkat energinya.

Kimia dan properti fisik atom. Sebagian besar sifat atom ditentukan oleh struktur dan karakteristik kulit elektron terluarnya, di mana elektron relatif lemah terikat pada nukleus (energi ikat dari beberapa eV sampai beberapa puluh eV). Struktur cangkang bagian dalam atom, elektron yang ikatannya jauh lebih kuat (energi ikat ratusan, ribuan dan puluhan ribu eV), memanifestasikan dirinya hanya dalam interaksi atom dengan partikel cepat dan foton energi tinggi (lebih dari ratusan eV). Interaksi tersebut menentukan spektrum sinar-X atom dan hamburan partikel cepat (lihat Difraksi Partikel). Massa atom menentukan sifat mekaniknya selama pergerakan atom secara keseluruhan - jumlah gerakan, energi kinetik. Berbagai resonansi dan sifat fisik atom lainnya bergantung pada momen magnetik dan elektrik atom yang terkait dengannya (lihat Resonansi paramagnetik elektron, Resonansi magnetik nuklir, Resonansi quadrupole nuklir).

Elektron kulit terluar atom mudah terkena pengaruh eksternal. Ketika atom saling mendekat, interaksi elektrostatik yang kuat muncul, yang dapat mengarah pada pembentukan ikatan kimia. Interaksi elektrostatik yang lebih lemah dari dua atom dimanifestasikan dalam polarisasi timbal baliknya - perpindahan elektron relatif terhadap inti, yang merupakan yang terkuat untuk elektron eksternal yang terikat lemah. Gaya tarik polarisasi muncul di antara atom-atom, yang harus diperhitungkan sudah pada jarak yang jauh di antara mereka. Polarisasi atom juga terjadi di medan listrik eksternal; akibatnya, tingkat energi atom digeser dan, yang paling penting, tingkat energi yang merosot terpecah (efek Stark). Polarisasi atom dapat timbul di bawah pengaruh Medan listrik gelombang cahaya (elektromagnetik); itu tergantung pada frekuensi cahaya, yang menentukan ketergantungan padanya dan indeks bias (lihat Dispersi cahaya), terkait dengan polarisasi atom. Tutup koneksi karakteristik optik sebuah atom dengan sifat listriknya secara khusus dimanifestasikan dalam spektrum optiknya.

Sifat magnetik atom ditentukan terutama oleh struktur kulit elektronnya. Momen magnetik suatu atom bergantung pada momen mekanisnya (lihat rasio Magneto-mekanik), dalam atom dengan kulit elektron yang terisi penuh. nol, serta momen mekanis. Atom dengan kulit elektron terluar yang terisi sebagian biasanya memiliki momen magnetik bukan nol dan bersifat paramagnetik. Dalam medan magnet eksternal, semua tingkat atom, di mana momen magnet tidak sama dengan nol, terbelah - efek Zeeman terjadi. Semua atom memiliki diamagnetisme, yang disebabkan oleh munculnya momen magnetik di dalamnya di bawah pengaruh eksternal Medan gaya(yang disebut momen magnet induksi, analog dengan momen dipol listrik atom).

Dengan ionisasi atom yang berurutan, yaitu, dengan pemisahan elektronnya, mulai dari yang terluar menurut peningkatan kekuatan ikatannya, semua sifat atom yang ditentukan oleh kulit terluarnya berubah. Semakin banyak elektron yang terikat kuat menjadi eksternal; akibatnya, kemampuan atom untuk mempolarisasi dalam medan listrik sangat berkurang, jarak antara tingkat energi dan frekuensi transisi optik antara tingkat ini meningkat (yang mengarah pada pergeseran spektrum menuju panjang gelombang yang lebih pendek). Sejumlah sifat menunjukkan periodisitas: sifat ion dengan elektron terluar yang serupa ternyata serupa; misalnya, N 3+ (dua elektron 2s) menunjukkan kemiripan dengan N 5+ (dua elektron 1s). Ini berlaku untuk karakteristik dan pengaturan relatif tingkat energi dan spektrum optik, momen magnetik atom, dan seterusnya. Perubahan sifat yang paling dramatis terjadi ketika elektron terakhir dilepaskan dari cangkang luar, ketika hanya kulit yang terisi penuh yang tersisa, misalnya, ketika berpindah dari N 4+ ke N 5+ (konfigurasi elektronik 1s 2 2s dan 1s 2). Dalam hal ini, ion paling stabil dan momen mekanis total dan momen magnetik totalnya sama dengan nol.

Sifat-sifat atom dalam keadaan terikat(misalnya, bagian dari molekul) berbeda dari sifat atom bebas. Sifat-sifat atom mengalami perubahan terbesar, ditentukan oleh elektron terluar yang mengambil bagian dalam penambahan suatu atom ke atom lain. Pada saat yang sama, sifat-sifat yang ditentukan oleh elektron-elektron kulit bagian dalam mungkin tetap tidak berubah, seperti halnya spektrum sinar-X. Beberapa sifat atom dapat mengalami perubahan yang relatif kecil, dari mana informasi dapat diperoleh tentang sifat interaksi atom terikat. Contoh penting adalah pemisahan tingkat energi atom dalam kristal dan senyawa kompleks, yang terjadi di bawah aksi medan listrik yang diciptakan oleh ion sekitarnya.

Metode eksperimental untuk mempelajari struktur atom, tingkat energinya, interaksinya dengan atom lain, partikel elementer, molekul, medan eksternal, dan sebagainya bervariasi, tetapi informasi utama terkandung dalam spektrumnya. Metode spektroskopi atom dalam semua rentang panjang gelombang, dan khususnya metode spektroskopi laser modern, memungkinkan untuk mempelajari lebih banyak dan lebih banyak efek halus yang terkait dengan atom. Sejak awal abad ke-19, keberadaan atom sudah jelas bagi para ilmuwan, tetapi sebuah eksperimen untuk membuktikan realitas keberadaannya telah dilakukan oleh J. Perrin pada awal abad ke-20. Dengan perkembangan mikroskop, menjadi mungkin untuk mendapatkan gambar atom pada permukaan padatan. Atom pertama kali dilihat oleh E. Muller (AS, 1955) dengan bantuan mikroskop ion medan yang ia temukan. Gaya atom modern dan mikroskop tunneling memungkinkan untuk memperoleh gambar permukaan benda padat dengan resolusi yang baik pada tingkat atom(lihat gambar 3).

Beras. 3. Gambar struktur atom permukaan silikon, diperoleh oleh profesor Universitas Oxford M. Kapstell menggunakan mikroskop tunneling pemindaian.

Apa yang disebut atom eksotik ada dan banyak digunakan dalam berbagai penelitian, misalnya atom muonik, yaitu atom yang seluruh atau sebagian elektronnya digantikan oleh muon negatif, muonium, positronium, serta atom hadronik, yang terdiri dari pion bermuatan. , kaon, proton, deuteron, dll. Pengamatan pertama dari atom antihidrogen juga dilakukan (2002) - sebuah atom yang terdiri dari positron dan antiproton.

Lit.: Lahir M. Fisika atom. edisi ke-3 M., 1970; Fano U., Fano L. Fisika atom dan molekul. M., 1980; Shpolsky E.V. Fisika atom. edisi ke-7. M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA Spektroskopi atom dan molekul. edisi ke-2 M, 2000.

Komposisi atom.

Sebuah atom terdiri dari inti atom dan kulit elektron.

Inti atom terdiri dari proton ( p+) dan neutron ( n 0). Kebanyakan atom hidrogen memiliki inti proton tunggal.

Jumlah proton N(p+) sama dengan muatan inti ( Z) dan nomor urut unsur dalam deret alami unsur (dan dalam sistem periodik unsur).

N(p +) = Z

Jumlah dari jumlah neutron N(n 0), dilambangkan hanya dengan huruf N, dan jumlah proton Z ditelepon nomor massa dan ditandai dengan huruf TETAPI.

A = Z + N

Kulit elektron atom terdiri dari elektron yang bergerak mengelilingi inti ( e -).

Jumlah elektron N(e-) pada kulit elektron atom netral sama dengan jumlah proton Z pada intinya.

Massa proton kira-kira sama dengan massa neutron dan 1840 kali massa elektron, sehingga massa atom praktis sama dengan massa inti.

Bentuk atom adalah bulat. Jari-jari inti sekitar 100.000 kali lebih kecil dari jari-jari atom.

unsur kimia- jenis atom (kumpulan atom) dengan muatan inti yang sama (dengan jumlah proton yang sama dalam nukleus).

Isotop- satu set atom dari satu unsur dengan jumlah neutron yang sama dalam nukleus (atau jenis atom dengan jumlah proton yang sama dan jumlah neutron yang sama dalam nukleus).

Isotop yang berbeda berbeda satu sama lain dalam jumlah neutron dalam inti atomnya.

Penunjukan atom tunggal atau isotop: (E - simbol elemen), misalnya: .

Struktur kulit elektron atom

orbital atom adalah keadaan elektron dalam atom. Simbol orbit - . Setiap orbital sesuai dengan awan elektron.

Orbital atom nyata dalam keadaan dasar (tidak tereksitasi) terdiri dari empat jenis: s, p, d dan f.

awan elektronik- bagian ruang di mana elektron dapat ditemukan dengan probabilitas 90 (atau lebih) persen.

Catatan: terkadang konsep "orbital atom" dan "awan elektron" tidak dibedakan, menyebut keduanya "orbital atom".

Kulit elektron suatu atom berlapis-lapis. Lapisan elektronik dibentuk oleh awan elektron dengan ukuran yang sama. Orbital dari satu lapisan terbentuk tingkat elektronik ("energi"), energinya sama untuk atom hidrogen, tetapi berbeda untuk atom lain.

Orbital dengan tingkat yang sama dikelompokkan menjadi elektronik (energi) sublevel:
s- sublevel (terdiri dari satu s-orbital), simbol - .
p sublevel (terdiri dari tiga p
d sublevel (terdiri dari lima d-orbital), simbol - .
f sublevel (terdiri dari tujuh f-orbital), simbol - .

Energi orbital dari sublevel yang sama adalah sama.

Saat menunjuk sublevel, jumlah lapisan (level elektronik) ditambahkan ke simbol sublevel, misalnya: 2 s, 3p, 5d cara s- sublevel dari tingkat kedua, p- sublevel dari tingkat ketiga, d- sublevel dari tingkat kelima.

Jumlah total sublevel dalam satu level sama dengan jumlah level n. Jumlah orbital dalam satu tingkat adalah n 2. Dengan demikian, jumlah total awan dalam satu lapisan juga n 2 .

Sebutan: - orbital bebas (tanpa elektron), - orbital dengan elektron tidak berpasangan, - orbital dengan pasangan elektron (dengan dua elektron).

Urutan elektron mengisi orbital atom ditentukan oleh tiga hukum alam (formulasi diberikan dengan cara yang disederhanakan):

1. Prinsip energi terkecil - elektron mengisi orbital sesuai dengan peningkatan energi orbital.

2. Prinsip Pauli - tidak boleh ada lebih dari dua elektron dalam satu orbital.

3. Aturan Hund - di dalam sublevel, elektron pertama-tama mengisi orbital bebas (satu per satu), dan baru setelah itu mereka membentuk pasangan elektron.

Jumlah total elektron di tingkat elektronik (atau di lapisan elektronik) adalah 2 n 2 .

Distribusi sublevel berdasarkan energi dinyatakan berikutnya (dalam urutan peningkatan energi):

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

Secara visual, urutan ini dinyatakan oleh diagram energi:

Distribusi elektron atom berdasarkan level, sublevel dan orbital (konfigurasi elektron atom) dapat digambarkan dalam bentuk rumus elektronik, diagram energi, atau, lebih sederhana, dalam bentuk diagram lapisan elektron (" diagram elektronik").

Contoh struktur elektron atom:

Elektron valensi- elektron suatu atom yang dapat mengambil bagian dalam pembentukan ikatan kimia. Untuk setiap atom, ini semua adalah elektron terluar ditambah elektron pra-luar yang energinya lebih besar daripada elektron terluar. Contoh: atom Ca memiliki 4 elektron terluar s 2, mereka juga valensi; atom Fe memiliki elektron eksternal - 4 s 2 tapi dia punya 3 d 6, maka atom besi memiliki 8 elektron valensi. Valensi rumus elektronik atom kalsium - 4 s 2, dan atom besi - 4 s 2 3d 6 .

Sistem periodik unsur kimia D. I. Mendeleev
(sistem alami unsur kimia)

Hukum periodik unsur kimia(formulasi modern): sifat-sifat unsur kimia, serta zat sederhana dan kompleks yang dibentuk olehnya, secara berkala bergantung pada nilai muatan dari inti atom.

Sistem periodik- ekspresi grafis dari hukum periodik.

Rentang alami elemen kimia- sejumlah unsur kimia, diatur menurut peningkatan jumlah proton dalam inti atomnya, atau, yang sama, menurut peningkatan muatan inti atom-atom ini. Nomor seri suatu elemen dalam seri ini sama dengan jumlah proton dalam inti atom apa pun dari elemen ini.

Tabel unsur kimia dibuat dengan "memotong" rangkaian alami unsur kimia menjadi periode(baris horizontal tabel) dan pengelompokan (kolom vertikal tabel) unsur-unsur dengan struktur elektron atom yang serupa.

Bergantung pada bagaimana elemen digabungkan ke dalam grup, sebuah tabel dapat menjadi periode panjang(elemen dengan jumlah dan jenis elektron valensi yang sama dikumpulkan dalam kelompok) dan jangka pendek(elemen dengan jumlah elektron valensi yang sama dikumpulkan dalam kelompok).

Kelompok tabel periode pendek dibagi menjadi subkelompok ( utama dan efek samping), bertepatan dengan kelompok tabel periode panjang.

Semua atom unsur berperiode sama nomor yang sama lapisan elektronik, sama dengan jumlah periode.

Jumlah unsur pada periode: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Sebagian besar unsur periode kedelapan diperoleh secara artifisial, unsur terakhir periode ini belum disintesis. Semua periode kecuali yang pertama dimulai dengan unsur pembentuk logam alkali (Li, Na, K, dll.) dan diakhiri dengan unsur pembentuk gas mulia (He, Ne, Ar, Kr, dll.).

Dalam tabel periode pendek - delapan kelompok, yang masing-masing dibagi menjadi dua subkelompok (utama dan sekunder), dalam tabel periode panjang - enam belas kelompok, yang diberi nomor romawi dengan huruf A atau B, misalnya: IA, IIIB, VIA, VIIB. Grup IA dari tabel periode panjang sesuai dengan subgrup utama dari grup pertama tabel periode pendek; grup VIIB - subgrup sekunder dari grup ketujuh: sisanya - sama.

Sifat-sifat unsur kimia secara alami berubah dalam golongan dan periode.

Dalam periode (dengan meningkatnya nomor seri)

muatan inti bertambah
jumlah elektron terluar bertambah,
jari-jari atom mengecil,
kekuatan ikatan elektron dengan inti meningkat (energi ionisasi),
elektronegativitas meningkat.
mengintensifkan sifat pengoksidasi zat sederhana ("non-metalik"),
sifat pereduksi zat sederhana ("metalik") melemah,
melemahkan sifat dasar hidroksida dan oksida yang sesuai,
karakter asam hidroksida dan oksida yang sesuai meningkat.

Dalam kelompok (dengan meningkatnya nomor seri)

muatan inti bertambah
jari-jari atom meningkat (hanya dalam kelompok-A),
kekuatan ikatan antara elektron dan inti berkurang (energi ionisasi; hanya pada gugus A),
keelektronegatifan berkurang (hanya pada gugus A),
melemahkan sifat pengoksidasi zat sederhana ("non-metalik"; hanya dalam kelompok-A),
sifat pereduksi zat sederhana ditingkatkan ("metalik"; hanya dalam kelompok-A),
karakter dasar hidroksida dan oksida yang sesuai meningkat (hanya dalam kelompok A),
sifat asam hidroksida dan oksida yang sesuai melemah (hanya dalam kelompok A),
stabilitas menurun senyawa hidrogen(aktivitas pengurangannya meningkat; hanya dalam kelompok-A).

Tugas dan tes pada topik "Topik 9. "Struktur atom. Hukum periodik dan sistem periodik unsur kimia D. I. Mendeleev (PSCE)"."

Hukum periodik - Hukum periodik dan struktur atom Grade 8–9
Anda harus tahu: hukum pengisian orbital dengan elektron (prinsip energi terkecil, prinsip Pauli, aturan Hund), struktur sistem periodik unsur.
Anda harus dapat: menentukan komposisi atom berdasarkan posisi unsur dalam sistem periodik, dan, sebaliknya, menemukan unsur dalam sistem periodik, mengetahui komposisinya; menggambarkan diagram struktur, konfigurasi elektron suatu atom, ion, dan sebaliknya menentukan posisi suatu unsur kimia dalam PSCE dari diagram dan konfigurasi elektron; mengkarakterisasi unsur dan zat yang terbentuk menurut posisinya dalam PSCE; menentukan perubahan jari-jari atom, sifat-sifat unsur kimia dan zat yang terbentuk dalam satu periode dan satu subkelompok utama sistem periodik.
Contoh 1 Tentukan jumlah orbital pada tingkat elektronik ketiga. Apa orbital ini?
Untuk menentukan jumlah orbital, kita menggunakan rumus N orbital = n 2 , dimana n- nomor tingkat. N orbital = 3 2 = 9. Satu 3 s-, tiga 3 p- dan lima 3 d-orbital.
Contoh 2 Tentukan atom unsur yang memiliki rumus elektron 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
Untuk menentukan elemen mana, Anda perlu mengetahui nomor serinya, yang sama dengan jumlah total elektron dalam atom. Dalam hal ini: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Ini adalah aluminium.
Setelah memastikan bahwa semua yang Anda butuhkan telah dipelajari, lanjutkan ke tugas. Kami berharap Anda sukses.

Literatur yang direkomendasikan:
- O. S. Gabrielyan dan lainnya Kimia, kelas 11. M., Bustard, 2002;
- G.E. Rudzitis, F.G. Feldman. Kimia 11 sel. M., Pendidikan, 2001.

Dari zaman kuno hingga pertengahan abad ke-18, sains didominasi oleh gagasan bahwa atom adalah partikel materi yang tidak dapat dibagi. Ilmuwan Inggris, serta naturalis D. Dalton, mendefinisikan atom sebagai komponen terkecil dari unsur kimia. M. V. Lomonosov dalam teori atom dan molekulnya mampu mendefinisikan atom dan molekul. Dia yakin bahwa molekul, yang dia sebut "sel darah", terdiri dari "elemen" - atom - dan selalu bergerak.

D. I. Mendeleev percaya bahwa subunit zat yang membentuk dunia material ini mempertahankan semua sifatnya hanya jika tidak mengalami pemisahan. Pada artikel ini, kita akan mendefinisikan atom sebagai objek dari dunia mikro dan mempelajari sifat-sifatnya.

Prasyarat untuk penciptaan teori struktur atom

Pada abad ke-19, pernyataan tentang atom yang tidak dapat dibagi-bagi dianggap diterima secara umum. Sebagian besar ilmuwan percaya bahwa partikel dari satu unsur kimia dalam keadaan apa pun tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain. Ide-ide ini menjadi dasar definisi atom sampai tahun 1932. Pada akhir abad ke-19, penemuan mendasar dibuat dalam sains yang mengubah pandangan ini. Pertama-tama, pada tahun 1897, fisikawan Inggris J. J. Thomson menemukan elektron. Fakta ini secara radikal mengubah gagasan para ilmuwan tentang ketidakterpisahan bagian penyusun suatu unsur kimia.

Bagaimana membuktikan bahwa atom itu kompleks?

Bahkan sebelumnya, para ilmuwan sepakat bahwa atom tidak memiliki muatan. Kemudian ditemukan bahwa elektron mudah dilepaskan dari unsur kimia apa pun. Mereka dapat ditemukan dalam api, mereka adalah pembawa arus listrik, mereka dipancarkan oleh zat selama radiasi sinar-X.

Tetapi jika elektron adalah bagian dari semua atom tanpa kecuali dan bermuatan negatif, maka masih ada beberapa partikel dalam atom yang tentu memiliki muatan positif, jika tidak atom tidak akan netral secara listrik. Untuk membantu mengungkap struktur atom, fenomena fisik seperti radioaktivitas membantu. Ini memberikan definisi yang benar tentang atom dalam fisika, dan kemudian dalam kimia.

Sinar tak terlihat

Fisikawan Prancis A. Becquerel adalah orang pertama yang menggambarkan fenomena emisi oleh atom unsur kimia tertentu, sinar yang tidak terlihat secara visual. Mereka mengionisasi udara, melewati zat, menyebabkan menghitamnya pelat fotografi. Kemudian, pasangan Curie menemukan bahwa zat radioaktif diubah menjadi atom unsur kimia lain (misalnya, uranium menjadi neptunium).

Radiasi radioaktif heterogen dalam komposisi: partikel alfa, partikel beta, sinar gamma. Dengan demikian, fenomena radioaktivitas menegaskan bahwa partikel-partikel unsur-unsur tabel periodik memiliki struktur kompleks. Fakta ini adalah alasan untuk perubahan yang dilakukan pada definisi atom. Partikel apa yang terdiri dari atom, mengingat fakta ilmiah baru yang diperoleh Rutherford? Jawaban atas pertanyaan ini adalah model nuklir atom yang diusulkan oleh ilmuwan, yang menurutnya elektron berputar di sekitar inti bermuatan positif.

Kontradiksi model Rutherford

Teori ilmuwan, terlepas dari karakternya yang luar biasa, tidak dapat mendefinisikan atom secara objektif. Kesimpulannya bertentangan dengan hukum dasar termodinamika, yang menurutnya semua elektron yang berputar di sekitar nukleus kehilangan energinya dan, bagaimanapun juga, cepat atau lambat harus jatuh ke dalamnya. Atom dihancurkan dalam kasus ini. Ini tidak benar-benar terjadi, karena unsur-unsur kimia dan partikel penyusunnya ada di alam untuk waktu yang sangat lama. Definisi atom seperti itu, berdasarkan teori Rutherford, tidak dapat dijelaskan, seperti halnya fenomena yang terjadi ketika zat sederhana yang panas dilewatkan melalui kisi difraksi. Bagaimanapun, spektrum atom yang dihasilkan memiliki bentuk linier. Ini bertentangan dengan model atom Rutherford, yang menurutnya spektrum seharusnya kontinu. Menurut konsep mekanika kuantum, elektron dalam nukleus saat ini dicirikan bukan sebagai objek titik, tetapi memiliki bentuk awan elektron.

Kepadatan terbesarnya berada di tempat ruang tertentu di sekitar nukleus dan dianggap sebagai lokasi partikel pada saat tertentu dalam waktu. Ditemukan juga bahwa elektron dalam atom tersusun berlapis-lapis. Jumlah lapisan dapat ditentukan dengan mengetahui jumlah periode di mana unsur tersebut berada dalam sistem periodik D. I. Mendeleev. Misalnya, atom fosfor mengandung 15 elektron dan memiliki 3 tingkat energi. Indikator yang menentukan jumlah tingkat energi disebut bilangan kuantum utama.

Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa elektron dari tingkat energi yang paling dekat dengan nukleus memiliki energi terendah. Setiap kulit energi dibagi menjadi sublevel, dan mereka, pada gilirannya, menjadi orbital. Elektron yang terletak pada orbital yang berbeda memiliki bentuk awan yang sama (s, p, d, f).

Berdasarkan hal tersebut di atas, maka bentuk awan elektron tidak bisa sembarangan. Ini didefinisikan secara ketat sesuai dengan orbital.Kami juga menambahkan bahwa keadaan elektron dalam partikel makro ditentukan oleh dua nilai lagi - bilangan kuantum magnetik dan spin. Yang pertama didasarkan pada persamaan Schrödinger dan mencirikan orientasi spasial awan elektron berdasarkan tiga dimensi dunia kita. Indikator kedua adalah bilangan spin, digunakan untuk menentukan putaran sebuah elektron di sekitar sumbunya searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

Penemuan neutron

Berkat karya D. Chadwick, yang dilakukan olehnya pada tahun 1932, definisi baru atom diberikan dalam kimia dan fisika. Dalam eksperimennya, ilmuwan membuktikan bahwa selama pemecahan polonium, terjadi radiasi, yang disebabkan oleh partikel yang tidak bermuatan, dengan massa 1,008665. Partikel elementer baru diberi nama neutron. Penemuan dan studi sifat-sifatnya memungkinkan ilmuwan Soviet V. Gapon dan D. Ivanenko menciptakan teori baru tentang struktur inti atom yang mengandung proton dan neutron.

Menurut teori baru, definisi atom materi adalah sebagai berikut: itu adalah unit struktural dari unsur kimia, yang terdiri dari inti yang mengandung proton dan neutron dan elektron yang bergerak di sekitarnya. Jumlah partikel positif dalam inti selalu sama dengan jumlah urut unsur kimia dalam sistem periodik.

Kemudian, Profesor A. Zhdanov mengkonfirmasi dalam eksperimennya bahwa di bawah pengaruh radiasi kosmik keras inti atom terpecah menjadi proton dan neutron. Selain itu, telah terbukti bahwa kekuatan yang menahan ini partikel dasar di inti, sangat intensif energi. Mereka beroperasi pada jarak yang sangat pendek (pada urutan 10 -23 cm) dan disebut nuklir. Seperti disebutkan sebelumnya, bahkan M. V. Lomonosov mampu mendefinisikan atom dan molekul berdasarkan fakta-fakta ilmiah yang diketahuinya.

Saat ini, model berikut dianggap diterima secara umum: atom terdiri dari nukleus dan elektron yang bergerak di sekitarnya di sepanjang lintasan yang ditentukan secara ketat - orbital. Elektron secara bersamaan menunjukkan sifat-sifat partikel dan gelombang, yaitu, mereka memiliki sifat ganda. Hampir semua massanya terkonsentrasi di inti atom. Ini terdiri dari proton dan neutron yang terikat oleh gaya nuklir.

Apakah mungkin untuk menimbang atom?

Ternyata setiap atom memiliki massa. Misalnya untuk hidrogen adalah 1,67x10 -24 g, bahkan sulit membayangkan betapa kecilnya nilai ini. Untuk mencari berat benda seperti itu, mereka tidak menggunakan timbangan, tetapi osilator, yang merupakan tabung nano karbon. Untuk menghitung berat atom dan molekul, nilai yang lebih tepat adalah massa relatif. Ini menunjukkan berapa kali berat molekul atau atom lebih besar dari 1/12 atom karbon, yaitu 1,66x10 -27 kg. Massa atom relatif diberikan dalam sistem periodik unsur kimia, dan mereka tidak memiliki dimensi.

Para ilmuwan sangat menyadari bahwa massa atom unsur kimia adalah nilai rata-rata nomor massa semua isotopnya. Ternyata di alam, satuan satu unsur kimia dapat memiliki massa yang berbeda. Dalam hal ini, muatan inti partikel struktural tersebut adalah sama.

Para ilmuwan telah menemukan bahwa isotop berbeda dalam jumlah neutron dalam nukleus, dan muatan nukleusnya sama. Misalnya, atom klor dengan massa 35 mengandung 18 neutron dan 17 proton, dan dengan massa 37 - 20 neutron dan 17 proton. Banyak unsur kimia adalah campuran isotop. Misalnya, zat sederhana seperti kalium, argon, oksigen mengandung atom dalam komposisinya yang mewakili 3 isotop berbeda.

Definisi atomitas

Ini memiliki beberapa interpretasi. Pertimbangkan apa yang dimaksud dengan istilah ini dalam kimia. Jika atom dari setiap unsur kimia dapat eksis setidaknya untuk waktu yang singkat secara terpisah, tanpa berusaha untuk membentuk partikel yang lebih kompleks - molekul, maka mereka mengatakan bahwa zat tersebut memiliki struktur atom. Misalnya, reaksi klorinasi metana multi-tahap. Ini banyak digunakan dalam kimia sintesis organik untuk mendapatkan turunan yang mengandung halogen yang paling penting: diklorometana, karbon tetraklorida. Ini membagi molekul klorin menjadi atom yang sangat reaktif. Mereka memutuskan ikatan sigma dalam molekul metana, memberikan reaksi berantai pengganti.

Contoh lain dari proses kimia yang memiliki sangat penting dalam industri, penggunaan hidrogen peroksida sebagai desinfektan dan zat pemutih. Penentuan atom oksigen, sebagai produk pemecahan hidrogen peroksida, terjadi baik dalam sel hidup (di bawah aksi enzim katalase) dan dalam kondisi laboratorium. ditentukan secara kualitatif oleh sifat antioksidannya yang tinggi, serta oleh kemampuan untuk menghancurkan agen patogen: bakteri, jamur dan spora mereka.

Bagaimana kulit atom?

Kita telah mengetahui sebelumnya bahwa unit struktural suatu unsur kimia memiliki struktur yang kompleks. Elektron berputar mengelilingi inti yang bermuatan positif. Pemenang Hadiah Nobel Niels Bohr, berdasarkan teori kuantum cahaya, menciptakan doktrinnya, di mana karakteristik dan definisi atom adalah sebagai berikut: elektron bergerak di sekitar nukleus hanya sepanjang lintasan stasioner tertentu, sementara mereka tidak memancarkan energi. Doktrin Bohr membuktikan bahwa partikel mikrokosmos, yang meliputi atom dan molekul, tidak mematuhi hukum yang berlaku untuk benda besar - objek makrokosmos.

Struktur kulit elektron partikel makro dipelajari dalam karya fisika kuantum oleh para ilmuwan seperti Hund, Pauli, Klechkovsky. Jadi diketahui bahwa elektron melakukan gerakan rotasi di sekitar nukleus tidak secara acak, tetapi di sepanjang lintasan stasioner tertentu. Pauli menemukan bahwa dalam satu tingkat energi pada setiap orbitalnya s, p, d, f dalam sel elektronik tidak boleh ada lebih dari dua partikel bermuatan negatif dengan spin berlawanan + dan - .

Aturan Hund menjelaskan bagaimana orbital dengan tingkat energi yang sama terisi elektron dengan benar.

Aturan Klechkovsky, juga disebut aturan n + l, menjelaskan bagaimana orbital atom multielektron (elemen 5, 6, 7 periode) terisi. Semua pola di atas berfungsi sebagai pembenaran teoretis untuk sistem unsur kimia yang diciptakan oleh Dmitri Mendeleev.

Keadaan oksidasi

Ini adalah konsep dasar dalam kimia dan mencirikan keadaan atom dalam molekul. Definisi modern dari keadaan oksidasi atom adalah sebagai berikut: ini adalah muatan bersyarat atom dalam molekul, yang dihitung berdasarkan gagasan bahwa molekul hanya memiliki komposisi ionik.

Keadaan oksidasi dapat dinyatakan sebagai bilangan bulat atau pecahan, dengan nilai positif, negatif, atau nol. Paling sering, atom unsur kimia memiliki beberapa keadaan oksidasi. Misalnya, nitrogen memiliki -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Tetapi unsur kimia seperti fluor, dalam semua senyawanya, hanya memiliki satu keadaan oksidasi, sama dengan -1. Jika disajikan zat sederhana, maka bilangan oksidasinya adalah nol. Kuantitas kimia ini nyaman digunakan untuk klasifikasi zat dan untuk menggambarkan sifat-sifatnya. Paling sering, keadaan oksidasi atom digunakan dalam kimia ketika menyusun persamaan untuk reaksi redoks.

sifat atom

Berkat penemuan fisika kuantum, definisi modern atom, berdasarkan teori D. Ivanenko dan E. Gapon, dilengkapi dengan: fakta ilmiah. Struktur inti atom tidak berubah selama reaksi kimia. Hanya orbital elektron stasioner yang dapat berubah. Struktur mereka dapat menjelaskan banyak sifat fisik dan kimia zat. Jika sebuah elektron meninggalkan orbit stasioner dan pergi ke orbit dengan indeks energi yang lebih tinggi, atom seperti itu disebut tereksitasi.

Perlu dicatat bahwa elektron tidak dapat lama berada di orbital yang tidak biasa. Kembali ke orbit stasionernya, elektron memancarkan energi kuantum. Studi tentang karakteristik seperti unit struktural unsur kimia seperti afinitas elektron, elektronegativitas, energi ionisasi, memungkinkan para ilmuwan tidak hanya untuk mendefinisikan atom sebagai partikel paling penting dari mikrokosmos, tetapi juga memungkinkan mereka untuk menjelaskan kemampuan atom untuk membentuk. keadaan molekul materi yang stabil dan secara energetik lebih disukai, dimungkinkan karena penciptaan berbagai jenis ikatan kimia yang stabil: ionik, kovalen-polar dan non-polar, donor-akseptor (sebagai variasi Ikatan kovalen) dan logam. Yang terakhir menentukan sifat fisik dan kimia yang paling penting dari semua logam.

Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa ukuran atom dapat berubah. Semuanya akan tergantung pada molekul mana ia termasuk. Berkat analisis difraksi sinar-X, dimungkinkan untuk menghitung jarak antara atom dalam senyawa kimia, serta untuk mengetahui jari-jari unit struktural elemen. Dengan mengetahui pola perubahan jari-jari atom yang termasuk dalam suatu periode atau golongan unsur kimia, maka sifat fisika dan kimianya dapat diprediksi. Misalnya, dalam periode dengan peningkatan muatan inti atom, jari-jarinya berkurang ("kompresi atom"), sehingga sifat logam dari senyawa melemah, dan sifat non-logam meningkat.

Dengan demikian, pengetahuan tentang memungkinkan Anda untuk secara akurat menentukan sifat fisik dan kimia dari semua elemen yang termasuk dalam sistem periodik Mendeleev.