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원자 여부. 세상은 아름답다

편집 응답

1913년 덴마크 물리학자 닐스 보어원자 구조 이론을 제안했다. 그는 물리학자 Rutherford가 개발한 원자의 행성 모델을 기초로 삼았습니다. 그것에서 원자는 행성이 큰 별 주위를 도는 궤도에서 움직이는 행성계인 대우주의 대상에 비유되었습니다. 유사하게, 원자의 행성 모델에서 전자는 중심에 위치한 무거운 핵 주위의 궤도를 따라 움직입니다.

보어는 양자화 개념을 원자 이론에 도입했습니다. 그것에 따르면 전자는 특정 에너지 준위에 해당하는 고정 궤도에서만 이동할 수 있습니다. 원자에 대한 현대 양자역학 모델의 기초가 된 것은 보어 모델이었습니다. 이 모델에서 양전하를 띤 양성자와 전하를 띠지 않은 중성자로 구성된 원자의 핵도 음전하를 띤 전자로 둘러싸여 있습니다. 그러나 양자 역학에 따르면 전자의 정확한 운동 궤적이나 궤도를 결정하는 것은 불가능합니다. 비슷한 에너지 준위를 가진 전자가 있는 영역만 있습니다.

원자 내부에는 무엇이 있습니까?

원자는 전자, 양성자 및 중성자로 구성됩니다. 중성자는 원자의 행성 모델이 물리학자들에 의해 개발된 후에 발견되었습니다. 1932년에야 일련의 실험을 수행하는 동안 James Chadwick은 전하를 띠지 않는 입자를 발견했습니다. 전하의 부재는 이들 입자가 전자기장에 어떤 식으로든 반응하지 않는다는 사실에 의해 확인되었다.

원자 자체의 핵은 양성자와 중성자라는 무거운 입자에 의해 형성됩니다. 이러한 각 입자는 전자보다 거의 2,000배 더 무겁습니다. 양성자와 중성자도 크기가 비슷하지만 양성자는 양전하를 띠고 중성자는 전혀 전하를 띠지 않습니다.

차례로, 양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 소립자로 구성됩니다. 현대 물리학에서 쿼크는 물질의 가장 작은 기본 입자입니다.

원자 자체의 크기는 핵의 크기보다 몇 배 더 큽니다. 원자가 축구장 크기로 확대되면 원자핵의 크기는 그런 경기장 중앙에 있는 테니스 공과 비슷할 수 있습니다.

자연에는 크기, 질량 및 기타 특성이 다른 많은 원자가 있습니다. 같은 유형의 원자 그룹을 화학 원소라고합니다. 현재까지 100개가 넘는 화학 원소. 그들의 원자는 크기, 질량 및 구조가 다릅니다.

원자 내부의 전자

음전하를 띤 전자는 원자핵 주위를 이동하여 일종의 구름을 형성합니다. 거대한 핵은 전자를 끌어당기지만 전자 자체의 에너지로 인해 전자가 핵에서 더 멀리 "도망"할 수 있습니다. 따라서 전자의 에너지가 클수록 핵에서 멀어집니다.

전자 에너지의 값은 임의적일 수 없으며 원자의 잘 정의된 에너지 준위에 해당합니다. 즉, 전자의 에너지는 한 수준에서 다른 수준으로 단계적으로 변화합니다. 따라서 전자는 특정 에너지 준위에 해당하는 제한된 전자 껍질 내에서만 이동할 수 있습니다. 이것이 보어의 가정의 의미입니다.

더 많은 에너지를 받으면 전자는 핵에서 더 높은 층으로 "점프"하고 반대로 에너지를 더 낮은 층으로 잃습니다. 따라서 핵 주위의 전자 구름은 여러 "절단"층의 형태로 정렬됩니다.

원자에 대한 아이디어의 역사

"원자"라는 단어는 그리스어 "나누지 못하는"에서 유래했으며 아이디어로 돌아갑니다. 고대 그리스 철학자쪼갤 수 없는 물질의 가장 작은 부분에 대해. 중세 시대에 화학자들은 특정 물질을 구성 요소로 더 이상 나눌 수 없다고 확신하게 되었습니다. 이러한 가장 작은 물질 입자를 원자라고 합니다. 1860년 독일에서 열린 국제 화학자 대회에서 이 정의가 세계 과학에 공식적으로 포함되었습니다.

에 후기 XIX 20세기 초에 물리학자들은 아원자 입자를 발견했고 원자가 실제로 분할될 수 없다는 것이 분명해졌습니다. 원자의 내부 구조에 대한 이론이 즉시 제시되었으며, 그 중 첫 번째 이론은 Thomson 모델 또는 "건포도 푸딩" 모델이었습니다. 이 모델에 따르면 푸딩 안의 건포도처럼 작은 전자가 거대한 양전하를 띤 몸체 안에 있었습니다. 그러나 화학자 Rutherford의 실제 실험은 이 모델을 반박하고 원자의 행성 모델을 만들도록 이끌었습니다.

1932년 중성자의 발견과 함께 보어의 행성 모델 개발은 현대 이론원자의 구조에 대해. 원자에 대한 지식 개발의 다음 단계는 이미 쿼크, 경입자, 중성미자, 광자, 보존 등 소립자의 물리학과 연결되어 있습니다.

우리는 매일 물건을 사용합니다. 물건을 손에 들고 조작을 수행합니다. 물건을 뒤집고, 조사하고, 마침내 부숴버립니다. 이 물건들이 무엇으로 만들어졌는지 궁금하지 않으세요? "무엇을 생각해야 할까요? 금속/나무/플라스틱/천에서!" - 우리 중 많은 사람들이 당혹스럽게 대답할 것입니다. 이것은 부분적으로 정답입니다. 그리고 이러한 재료는 금속, 목재, 플라스틱, 직물 및 기타 여러 물질로 구성되어 있습니까? 오늘 우리는 이 문제에 대해 논의할 것입니다.

분자와 원자: 정의

지식이 있는 사람의 경우 그에 대한 대답은 간단하고 진부합니다. 원자와 분자에서 말입니다. 그러나 어떤 사람들은 의아해하며 다음과 같이 질문하기 시작합니다. "원자와 분자는 무엇입니까? 그것들은 어떻게 생겼습니까?" 등. 이 질문에 순서대로 대답해 봅시다. 음, 우선, 원자와 분자는 무엇입니까? 이러한 정의가 동일한 것이 아님을 즉시 알려 드리겠습니다. 또한 완전히 다른 용어입니다. 따라서 원자는 화학 원소의 가장 작은 부분이며, 그 성질의 운반체이며 질량과 크기가 작은 입자입니다. 분자는 연결된 여러 원자에 의해 형성되는 전기적으로 중성인 입자입니다.

원자란 무엇인가: 구조

원자는 전자 껍질과 (사진)으로 구성됩니다. 차례로, 핵은 양성자와 중성자와 전자 껍질로 구성됩니다. 원자에서 양성자는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠며 중성자는 전혀 전하를 띠지 않습니다. 양성자의 수가 일치하면 원자는 전기적으로 중성입니다. 우리가 그러한 원자를 가진 분자로 구성된 물질을 만진다면 우리는 약간의 전기 충격도 느끼지 않을 것입니다. 그리고 중장비 컴퓨터조차도 후자의 부족으로 인해 그것을 잡지 못할 것입니다. 그러나 전자보다 양성자가 더 많고 그 반대도 마찬가지입니다. 그런 다음 그러한 원자를 이온이라고 부르는 것이 더 정확할 것입니다. 양성자가 더 많으면 전기적으로 양성이지만 전자가 우세하면 전기적으로 음성입니다. 각 특정 원자에는 엄격한 수의 양성자, 중성자 및 전자가 있습니다. 그리고 계산할 수 있습니다. 이러한 입자의 수를 찾는 문제를 해결하기 위한 템플릿은 다음과 같습니다.

화학 요소 - R(요소 이름 삽입)
양성자(p) - ?
전자(e) - ?
중성자(n) - ?
해결책:
p = 화학 물질의 일련 번호. D.I.의 이름을 딴 주기율표의 원소 R 멘델레예프
전자 = 피
n \u003d A r (R) - 번호 R

분자란 무엇인가: 구조

분자는 화학 물질의 가장 작은 입자입니다. 즉, 이미 구성에 직접 포함되어 있습니다. 특정 물질의 분자는 여러 개의 동일하거나 다른 원자로 구성됩니다. 분자의 구조적 특징은 그것이 존재하는 물질의 물리적 특성에 달려 있습니다. 분자는 전자와 원자로 구성됩니다. 후자의 위치는 다음을 사용하여 찾을 수 있습니다. 구조식. 화학 반응 과정을 결정할 수 있습니다. 그들은 일반적으로 중립 전하), 짝을 이루지 않은 전자가 없습니다(모든 원자가가 포화됨). 그러나 그들은 또한 청구 될 수 있습니다. 정확한 이름- 이온. 분자는 또한 짝을 이루지 않은 전자와 불포화 원자가를 가질 수 있습니다. 이 경우 이를 라디칼이라고 합니다.

결론

이제 원자가 무엇인지 알고 모든 물질은 예외 없이 분자로 구성되어 있고 후자는 차례로 원자로 구성되어 있습니다. 물질의 물리적 특성은 그 안에 있는 원자와 분자의 배열과 결합을 결정합니다.

ATOM [프랑스어 원자, 라틴어 atomus, 그리스어에서?τομος (ουσ?α) - 불가분(본질)], 물질의 입자, 화학 원소의 가장 작은 부분, 속성의 운반체. 각 원소의 원자는 구조와 특성이 개별적이며 원소의 화학 기호로 지정됩니다(예: 수소 원자는 H, 철은 Fe, 수은은 Hg, 우라늄은 U 등). 원자는 자유 상태와 결합 상태 모두에 존재할 수 있습니다(화학 결합 참조). 다양한 물질로 인해 다양한 조합서로 원자. 기체, 액체 및 고체구성 원자의 특성에 따라 달라집니다. 원자의 모든 물리적 및 화학적 특성은 구조에 의해 결정되며 양자 법칙을 따릅니다. (원자 교리의 발전 역사에 대해서는 원자 물리학 문서를 참조하십시오.)

원자 구조의 일반적인 특성. 원자는 양전하를 띤 무거운 핵과 원자의 전자 껍질을 형성하는 음전하로 둘러싸인 가벼운 전자로 구성됩니다. 원자의 치수는 외부 전자 껍질의 치수에 의해 결정되며 원자핵의 치수에 비해 큽니다. 직경, 면적의 특징적인 차수 교차 구역원자와 핵의 부피는 다음과 같습니다.

원자 10 -8 cm 10 -16 cm 2 10 -24 cm 3

코어 10 -12 cm 10 -24 cm 2 10 -36 cm 3

원자의 전자 껍질에는 경계가 엄격하게 정의되어 있지 않으며 원자 치수 값은 결정 방법에 따라 다소 다릅니다.

핵의 전하는 특정 요소에 속하는 것을 결정하는 원자의 주요 특성입니다. 핵의 전하는 항상 양의 기본 전하의 정수배이며 전자의 전하와 절대값이 같습니다 -e. 핵의 전하는 +Ze이며, 여기서 Z는 일련 번호(원자 번호)입니다. Z \u003d 1, 2, 3, ... 화학 원소의 주기율표에서 연속적인 원소의 원자, 즉 원자 H, He, Li, .... 중성 원자에서 전하가 있는 핵 +Z는 총 전하가 Ze인 Z 전자를 보유합니다. 원자는 전자를 잃거나 얻을 수 있으며 양이온 또는 음이온이 될 수 있습니다(k = 1, 2, 3, ... - 이온화의 다중도). 특정 원소의 원자는 종종 그 이온이라고 합니다. 쓸 때 이온은 인덱스 k + 및 k -에 의해 중성 원자와 구별됩니다. 예를 들어, O는 중성 산소 원자, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - 양이온 및 음이온입니다. 동일한 수의 전자를 가진 다른 원소의 중성 원자와 이온의 조합은 등전자 계열을 형성합니다(예: 일련의 수소 유사 원자 H, He +, Li 2+, Be 3+, ...).

기본 전하 e에 대한 원자 핵 전하의 다중도는 핵 구조에 대한 아이디어를 기반으로 설명되었습니다. Z는 핵의 양성자 수와 같고 양성자 전하는 +e입니다. 원자의 질량은 Z가 증가함에 따라 증가합니다. 원자의 핵 질량은 질량 수 A에 대략적으로 비례합니다. 즉, 핵에 있는 양성자와 중성자의 총 수입니다. 전자의 질량(0.91×10-27g)은 양성자 또는 중성자의 질량(1.67×10-24g)보다 훨씬(약 1840배) 작기 때문에 원자의 질량은 주로 그것의 핵.

주어진 원소의 원자는 핵의 질량이 다를 수 있습니다(양성자 Z의 수는 일정하고 중성자 A-Z의 수는 다를 수 있음). 같은 원소의 이러한 종류의 원자를 동위원소라고 합니다. 핵 질량의 차이는 Z에 의존하는 주어진 원자의 전자 껍질 구조와 원자의 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다. 속성의 가장 큰 차이(동위원소 효과)는 다음으로 인해 수소 동위원소(Z = 1)에 대해 얻어진다. 큰 차이일반 가벼운 수소 원자(A = 1), 중수소(A = 2) 및 삼중수소(A = 3)의 질량.

원자의 질량은 1.67 × 10 -24g(주요 동위 원소 수소 원자의 경우 Z = 1, A = 1)에서 약 4 × 10 -22g(초우라늄 원소의 경우)까지 다양합니다. 대부분 정확한 값원자의 질량은 질량 분광법으로 결정할 수 있습니다. 원자의 질량은 핵의 질량과 전자의 질량의 합과 정확히 같지는 않지만 질량 결함 ΔM = W / c 2까지 다소 적습니다. 여기서 W는 원자 형성 에너지입니다. 핵과 전자(결합 에너지), c는 빛의 속도입니다. 이 보정은 무거운 원자의 경우 전자 질량 me 정도이고 가벼운 원자의 경우 무시할 수 있습니다(10-4m e 정도).

원자의 에너지와 양자화. 작은 크기와 큰 질량으로 인해 원자핵은 대략 한 점으로 간주할 수 있으며 원자의 질량 중심(핵과 전자의 공통 질량 중심은 핵 근처에 위치하며 속도는 원자의 질량 중심에 대한 핵은 전자의 속도에 비해 작습니다. 따라서 원자는 전하를 띤 N개의 전자 -e가 움직이지 않는 끌어당김 중심 주위를 움직이는 시스템으로 간주될 수 있습니다. 원자에서 전자의 움직임은 제한된 부피에서 발생합니다. 즉, 바인딩됩니다. 원자 E의 총 내부 에너지는 모든 전자의 운동 에너지 T와 위치 에너지 U의 합과 같습니다. 핵에 의한 인력과 서로 반발하는 에너지입니다.

1913년 Niels Bohr가 제안한 원자 이론에 따르면 수소 원자에서 -e의 전하를 띤 전자 1개가 +e의 전하를 띤 고정 중심 주위를 움직입니다. 고전 역학에 따르면 이러한 전자의 운동 에너지는 다음과 같습니다.

여기서 v는 속도, p = m e v는 전자의 운동량(운동량)입니다. 위치 에너지(핵에 의한 전자의 쿨롱 인력 에너지로 감소)는 다음과 같습니다.

그리고 핵에서 전자의 거리 r에만 의존합니다. 그래픽으로 함수 U(r)는 r이 감소함에 따라, 즉 전자가 핵에 접근함에 따라 무기한 감소하는 곡선으로 표시됩니다. r→∞에서 U(r)의 값은 0으로 간주됩니다. ~에 음수 값총 에너지 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 전자의 운동은 자유로우며 에너지 E = T = (1/2)m e v 2 로 무한대로 갈 수 있으며 이는 이온화된 수소 원자 H + 에 해당합니다. 따라서 중성 수소 원자는 정전기적으로 결합된 핵과 에너지 E를 가진 전자의 시스템입니다.< 0.

완벽한 내부 에너지원자 E - 양자 시스템으로서의 주요 특성(양자 역학 참조). 원자는 고정(시간 불변) 상태인 특정 에너지를 가진 상태에서만 오랫동안 머무를 수 있습니다. 결합된 마이크로입자(원자 포함)로 구성된 양자 시스템의 내부 에너지는 이산(불연속) 계열 값 중 하나를 취할 수 있습니다.

이러한 "허용되는"에너지 값 각각은 하나 이상의 고정 양자 상태에 해당합니다. 시스템은 에너지의 중간 값(예: E 1과 E 2, E 2와 E 3 사이에 있음)을 가질 수 없으며 이러한 시스템을 양자화한다고 합니다. E의 모든 변화는 한 정지 양자 상태에서 다른 양자 상태로의 시스템의 양자(점프와 같은) 전이와 관련이 있습니다(아래 참조).

원자 에너지의 가능한 이산 값 (3)은 에너지 수준 다이어그램의 형태로 다른 높이 (다른 수준으로)로 올린 신체의 위치 에너지와 유추하여 그래픽으로 묘사 할 수 있습니다. 각 에너지 값은 E i , i= 1 , 2, 3, ...의 높이에서 그린 직선에 해당합니다(그림 1). 원자의 가능한 가장 낮은 에너지에 해당하는 가장 낮은 수준 E 1 을 바닥 수준이라고 하고 나머지 모든(E i > E 1, i = 2, 3, 4, ...)을 여기라고 합니다. 그들에게 가기 위해서는 (지면에서 해당하는 고정 여기 상태로의 전환) 시스템을 여기시킬 필요가 있습니다 - 에너지 외부에서 알릴 필요가 있습니다. E i -E 1 .

원자 에너지의 양자화는 전자의 파동 특성의 결과입니다. 미립자 파동 이원론의 원리에 따르면, 속도 v를 갖는 질량 m의 미세 입자의 움직임은 파장 λ = h/mv에 해당하며, 여기서 h는 플랑크 상수입니다. 원자에 있는 전자의 경우 λ는 10-8cm 정도, 즉 원자의 선형 치수 정도이며, 원자에 있는 전자의 파동 특성을 고려할 필요가 있다. 관련 운동원자의 전자는 정상파와 유사하며 운동으로 간주되어서는 안됩니다. 재료 포인트궤적을 따라, 하지만 얼마나 복잡한 웨이브 프로세스. 제한된 체적의 정상파의 경우 파장 λ의 특정 값(결과적으로 진동 주파수 v)만 가능합니다. 양자 역학에 따르면, 원자 E의 에너지는 E = hν의 관계로 v와 관련이 있으므로 특정 값만 취할 수 있습니다. 공간에 국한되지 않는 미립자의 자유 병진 운동, 예를 들어 원자에서 분리된 전자의 운동(에너지 E> 0)은 무한한 부피에서 진행파의 전파와 유사합니다. λ(및 v)의 값이 가능합니다. 이러한 자유 미립자의 에너지는 모든 값을 취할 수 있습니다(양자화되지 않고 연속적인 에너지 스펙트럼을 가짐). 이러한 연속 시퀀스는 이온화된 원자에 해당합니다. E ∞ = 0의 값은 이온화 경계에 해당합니다. 차이 E ∞ -E 1 \u003d E 이온을 이온화 에너지라고 합니다(이온화 전위 기사 참조). 수소 원자의 경우 13.6 eV와 같습니다.

전자 밀도 분포. 원자에서 전자의 정확한 위치 이 순간비율의 불확실성으로 인해 시간을 설정할 수 없습니다. 원자에서 전자의 상태는 파동 ​​함수에 의해 결정되며, 이는 특정 방식으로 좌표에 의존합니다. 파동 함수 계수의 제곱은 공간의 주어진 지점에서 전자를 찾을 확률 밀도를 나타냅니다. 파동 함수는 명시적으로 슈뢰딩거 방정식의 해입니다.

따라서 원자의 전자 상태는 특정 밀도의 공간에서의 전하 분포, 즉 전자 밀도 분포를 특징으로 할 수 있습니다. 전자는 말하자면 공간에 "번져" "전자 구름"을 형성합니다. 그러한 모델은 (보어의 원자 이론에서) 엄격하게 정의된 궤도를 따라 움직이는 점 전자의 모델보다 더 정확하게 원자의 전자를 특성화합니다. 동시에 이러한 각각의 보어 궤도는 특정 전자 밀도 분포와 연관될 수 있습니다. 바닥 에너지 준위 E 1 의 경우 전자 밀도는 핵 근처에 집중되어 있습니다. 들뜬 에너지 준위 E 2 , E 3 , E 4 ... 핵에서 점점 더 큰 평균 거리로 분포합니다. 다중 전자 원자에서 전자는 다른 거리에서 핵을 둘러싸고 특정 전자 밀도 분포를 특징으로 하는 껍질로 그룹화됩니다. 전자는 외각에서 핵과 결합하는 힘이 내각보다 약하고, 전자는 가장 치수가 큰 최외각에서 가장 약하게 결합된다.

전자 스핀과 핵 스핀에 대한 설명. 원자 이론에서 전자의 스핀을 고려하는 것이 매우 중요합니다. 전자의 자체 축(만약 전자는 작은 입자로 간주됩니다). 100개의 자체(스핀) 자기 모멘트는 전자의 스핀과 관련이 있습니다. 따라서 원자에서 정전기 상호 작용과 함께 핵 주위의 전자 운동과 관련된 스핀 자기 모멘트 및 궤도 자기 모멘트에 의해 결정되는 자기 상호 작용을 고려해야합니다. 자기 상호 작용은 정전기 상호 작용에 비해 작습니다. 다중 전자 원자에서 스핀의 영향은 가장 중요합니다. 특정 수의 전자로 원자의 전자 껍질을 채우는 것은 전자의 스핀에 따라 다릅니다.

원자의 핵은 또한 자체 기계적 모멘트를 가질 수 있습니다. 핵 스핀은 전자 모멘트보다 수백, 수천 배 작은 핵 자기 모멘트와 관련이 있습니다. 스핀의 존재는 핵과 전자 사이에 추가적인 매우 작은 상호작용을 유발합니다(아래 참조).

수소 원자의 양자 상태. 원자의 양자 이론에서 가장 중요한 역할은 전하가 +Ze인 핵과 전하가 -e인 전자로 구성된 가장 단순한 1전자 원자 이론, 즉 수소 이론에 의해 수행됩니다. 원자 H 및 수소 유사 이온 He +, Li 2+, Be 3+, ..., 일반적으로 수소 원자 이론이라고 합니다. 행동 양식 양자 역학당신은 정확하고 완전한 설명 1개의 전자 원자에 있는 전자의 상태. 많은 전자 원자의 문제는 대략적으로만 해결됩니다. 이 경우 전자 1개 원자의 문제를 해결한 결과에서 진행됩니다.

(전자 스핀을 고려하지 않은) 비상대론적 근사치에서 1개의 전자 원자의 에너지는 다음과 같습니다.

정수 n = 1, 2, 3, ... 에너지의 가능한 이산 값(에너지 준위)을 결정하고 주요 양자 수라고 하며 R은 13.6 eV와 동일한 리드버그 상수입니다. 원자의 에너지 준위는 n =∞에 해당하는 이온화 경계 Е ∞ = 0으로 수렴(응축)합니다. 수소 유사 이온의 경우 에너지 값의 규모만 변경됩니다(Z2의 인수만큼). 수소와 같은 원자의 이온화 에너지(전자 결합 에너지)는 (eV 단위)

H, He +, Li 2+, ... 값은 13.6 eV, 54.4 eV, 122.4 eV, ...를 제공합니다.

기본 공식 (4)는 식 U(r) = -Ze 2 /r에 있는 전자의 위치 에너지에 해당합니다. 전기장전하가 +Ze인 핵. 이 공식은 반지름이 r인 원형 궤도에서 핵 주위의 전자 운동을 고려하여 N. Bohr에 의해 처음 유도되었으며 이러한 시스템에 대한 슈뢰딩거 방정식의 정확한 해입니다. 에너지 준위(4)는 반지름의 궤도에 해당합니다.

여기서 상수 a 0 \u003d 0.529 10 -8 cm \u003d \u003d 0.529 A는 지면 수준에 해당하는 수소 원자의 첫 번째 원형 궤도의 반경입니다(이 보어 반경은 종종 길이를 측정하기 위한 편리한 단위로 사용됩니다 원자 물리학). 궤도의 반지름은 주양자수 n 2 의 제곱에 비례하고 Z에 반비례합니다. 수소 유사 이온의 경우 선형 차원의 규모는 수소 원자에 비해 Z의 계수만큼 감소합니다. 전자의 스핀을 고려한 수소 원자의 상대론적 설명은 Dirac 방정식으로 제공됩니다.

양자 역학에 따르면 수소 원자의 상태는 4가지 물리량의 이산 값에 의해 완전히 결정됩니다. 에너지 E; 궤도 모멘트 M l (핵에 대한 전자의 운동량 모멘트); 임의로 선택된 방향 z에 대한 궤도 운동량의 투영 M lz; 스핀 운동량(전자 운동량 M s의 고유 운동량)의 투영 M sz. 이러한 물리량의 가능한 값은 차례로 양자 수 n, l, m l , m s에 의해 결정됩니다. 수소 원자의 에너지를 식 (4)로 나타낼 때의 근사에서 정수 값 1, 2, 3, ...을 취하는 주 양자수 n에 의해서만 결정됩니다. 주어진 n의 에너지 준위는 궤도 (방위각) 양자 수 l = 0, 1, ..., n-1의 값이 다른 여러 상태에 해당합니다. n과 l의 값이 주어진 상태는 일반적으로 1s, 2s, 2p, 3s, ...로 표시되며, 여기서 숫자는 n의 값을 나타내고 문자는 s, p, d, f(이하 라틴어 알파벳) - 각각 값 l \u003d 0, 1, 2, 3. 주어진 n과 l에 대해 다른 상태의 수는 2(2l + 1) - 자기 값의 조합 수 자기 스핀 수 m s의 궤도 양자 수 m l (첫 번째는 2l + 1 값, 두 번째 - 2 값을 취함). 주어진 n과 l이 있는 다른 상태의 총 수는 2n 2 입니다. 따라서 수소 원자의 각 에너지 준위는 2.8, 18,… 하나의 양자 상태만이 에너지 준위에 해당하는 경우 축퇴되지 않은 상태라고 하며, 둘 이상이면 축퇴(양자 이론의 축퇴 참조)이고 이러한 상태의 수 g를 축퇴의 정도 또는 다중도라고 합니다. 비축퇴 에너지 준위 g = 1). 수소 원자의 에너지 준위는 축퇴되며 축퇴 정도는 g n = 2n 2 입니다.

수소 원자의 다른 상태에 대해 전자 밀도의 다른 분포도 얻어진다. 그것은 양자 수 n, l에 의존하고 동시에 s-상태(l=0)에 대한 전자 밀도는 중심, 즉 핵의 위치에서 0과 다르며 에 의존하지 않습니다. 방향(구형 대칭) 및 나머지 상태(l>0)의 경우 중심에서 0과 같으며 방향에 따라 다릅니다. n = 1, 2, 3인 수소 원자의 상태에 대한 전자 밀도 분포는 그림 2에 나와 있습니다. "전자 구름"의 치수는 n2에 비례하여 공식 (6)에 따라 증가합니다(n = 1에서 n = 2로, n = 2에서 n = 3으로 이동할 때 그림 2의 눈금이 감소함). 수소 유사 이온에서 전자의 양자 상태는 수소 원자에서와 동일한 4개의 양자 수 n, l, m l 및 m s를 특징으로 합니다. 전자 밀도의 분포도 보존되며 Z만큼만 증가합니다.

외부 필드의 원자에 대한 작업. 원자 같은 전기 시스템외부 전기장 및 자기장에서 추가 에너지를 얻습니다. 전기장은 원자를 분극화합니다. 핵에 대해 전자 구름을 변위시키고(원자, 이온 및 분자의 분극성 참조) 자기장은 주위의 전자의 움직임과 관련된 원자의 자기 모멘트를 특정 방식으로 배향합니다. 핵 (궤도 운동량 M l 포함)과 그 스핀. 외부 장에서 동일한 에너지 E n 을 갖는 수소 원자의 다른 상태는 다음과 같습니다. 다른 의미추가 에너지 ΔЕ 및 축퇴 에너지 준위 E n 은 여러 하위 수준으로 분할됩니다. 전기장에서 에너지 준위의 분할(스타크 효과)과 자기장에서의 분할(제만 효과)은 모두 해당 필드의 강도에 비례합니다.

원자 내부의 작은 자기 상호작용은 또한 에너지 준위의 분열을 초래합니다. 수소 원자와 수소 유사 이온의 경우 스핀-궤도 상호 작용이 있습니다. 즉, 전자의 스핀과 궤도 모멘트의 상호 작용입니다. 그것은 소위 에너지 준위의 미세 구조를 유발합니다. 즉, 여기 준위 E n (n>1의 경우)을 하위 준위로 분할합니다. 수소 원자의 모든 에너지 준위에 대해 전자 모멘트와 핵 스핀의 매우 작은 자기 상호 작용으로 인해 초미세 구조도 관찰됩니다.

다전자 원자의 전자 껍질. 2개 이상의 전자를 포함하는 원자의 이론은 수소 원자의 이론과 근본적으로 다릅니다. 왜냐하면 그러한 원자에는 전자가 서로 상호 작용하기 때문입니다. 다중 전자 원자에서 전자의 상호 반발은 핵과의 결합 강도를 크게 감소시킵니다. 예를 들어, 헬륨 이온(He +)에서 단일 전자의 분리 에너지는 54.4 eV인 반면 중성 헬륨 원자에서는 전자 반발의 결과로 그 중 하나의 분리 에너지가 24.6 eV로 감소합니다. 더 무거운 원자의 외부 전자의 경우 내부 전자의 반발로 인한 결합 강도의 감소가 훨씬 더 중요합니다. 많은 전자 원자에서 중요한 역할은 전자가 스핀 s = 1/2인 동일한 미세 입자(동일성 원리 참조)로서의 특성에 의해 수행되며, 이에 대해 Pauli 원리가 유효합니다. 이 원리에 따르면, 전자 시스템에서는 각 양자 상태에 하나 이상의 전자가 있을 수 없으며, 이는 엄격하게 채워진 원자의 전자 껍질을 형성하게 합니다. 특정 숫자전자.

상호 작용하는 전자의 구별 가능성을 고려하면 원자 전체의 양자 상태에 대해서만 말하는 것이 합리적입니다. 그러나 개별 전자의 양자 상태를 대략적으로 고려하고 수소 원자의 전자와 유사하게 양자 수 n, l, m l 및 m s 세트로 각각을 특성화할 수 있습니다. 이 경우 전자 에너지는 수소 원자에서와 같이 n뿐만 아니라 l에도 의존하는 것으로 판명되었습니다. 그것은 여전히 ​​m l 및 m s에 의존하지 않습니다. 다중 전자 원자에서 주어진 n과 l을 가진 전자는 동일한 에너지를 가지며 특정 전자 껍질을 형성합니다. 이러한 등가 전자와 그에 의해 형성된 껍질은 주어진 n 및 l의 양자 상태 및 에너지 준위뿐만 아니라 기호 ns, np, nd, nf, ...(1 = 0, 1, 2, 3, ...) 그리고 그들은 2p 전자, 3s 껍질 등에 대해 이야기합니다.

파울리 원리에 따르면, 원자에 있는 2개의 전자는 서로 다른 양자 상태에 있어야 하므로 4개의 양자 수 n, l, m l 및 m s 중 적어도 하나만큼 달라야 하며 등가 전자(n 및 l 동일) - 값 m l 및 m s . 쌍의 수 m l , m s , 즉 주어진 n과 l이 있는 전자의 다른 양자 상태의 수는 에너지 준위 g l = 2(2l+1) = 2, 6, 10, 14의 축퇴 정도입니다. ... . 완전히 채워진 전자 껍질의 전자 수를 결정합니다. 따라서 s-, p-, d-, f-, ... 껍질은 n 값에 관계없이 2, 6, 10, 14, ... 전자로 채워집니다. 주어진 n을 가진 전자는 l = 0, 1, 2, ..., n - 1인 껍질로 구성되고 2n 2개의 전자로 채워진 소위 K-, L-, M, N-층을 형성합니다. 완전히 완료되면 다음이 제공됩니다.

각 층에서 더 작은 l을 가진 껍질은 더 높은 전자 밀도를 특징으로 합니다. 전자와 핵 사이의 결합 강도는 n이 증가함에 따라 감소하고, 주어진 n에 대해 l이 증가함에 따라 감소합니다. 해당 껍질에 결합된 전자가 약할수록 에너지 준위가 높아집니다. 주어진 Z가 있는 핵은 결합 강도가 감소하는 순서로 전자를 부착합니다. 처음에는 2개의 전자 1, 그 다음에는 2개의 전자 2, 6개의 전자 2p 등. 각 화학 원소의 원자는 껍질 위에 전자의 특정 분포를 가지고 있습니다. 구성, 예:

(주어진 껍질의 전자 수는 오른쪽 상단의 색인으로 표시됩니다.) 원소 속성의 주기성은 원자의 외부 전자 껍질의 유사성에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 중성 원자 P, As, Sb, Bi(Z = 15, 33, 51, 83)는 N 원자와 마찬가지로 외부 전자 껍질에 3개의 p-전자를 가지며 화학적 및 많은 물리적 특성에서 유사합니다. .

각 원자는 원자의 모든 전자가 가장 강하게 결합되어 있을 때 얻어지는 정상적인 전자 배열과 하나 이상의 전자가 더 약하게 결합되어 있을 때 더 높은 에너지 준위에 있는 여기된 전자 배열을 특징으로 합니다. 예를 들어, 헬륨 원자의 경우 일반 1s2와 함께 여기된 전자 구성이 가능합니다. 1s2s, 1s2p, ...(하나의 전자가 여기됨), 2s 2, 2s2p, ...(두 전자가 모두 여기됨). 특정 전자 구성은 전자 껍질이 완전히 채워진 경우 전체 원자의 한 에너지 준위에 해당하고(예: 원자의 일반 구성은 Ne 1s 2 2s 2 2R 6임) 여러 에너지 준위, 부분적으로 채워진 껍질이있는 경우 (예를 들어, 질소 원자의 정상적인 구성은 껍질 2p가 절반으로 채워진 1s 2 2s 2 2p 3입니다). 부분적으로 채워진 d- 및 f- 껍질이 있는 경우 각 구성에 해당하는 에너지 준위의 수는 수백에 달할 수 있으므로 부분적으로 채워진 껍질을 가진 원자의 에너지 준위 계획은 매우 복잡합니다. 원자의 기본 에너지 준위는 정상적인 전자 구성의 가장 낮은 준위입니다.

원자의 양자 전이. 양자 전이에서 원자는 한 정지 상태에서 다른 에너지 준위로 이동합니다. 더 높은 에너지 준위 E i 에서 더 낮은 Е 로 전환하는 동안 원자는 에너지 E i - E k 를 방출하고 역전이 동안 에너지를 받습니다. 모든 양자 시스템과 마찬가지로 원자에 대한 양자 전이는 복사가 있는(광학 전이)와 복사가 없는(복사 또는 비광학 전이) 두 가지 유형이 있습니다. 양자 전이의 가장 중요한 특성은 이 전이가 얼마나 자주 발생할 수 있는지를 결정하는 확률입니다.

방사선에 의한 양자 전이 동안, 원자는 전자기 복사를 흡수(E → E i로 전이)하거나 방출(E i → E로 전이)합니다. 전자기 에너지는 다음 관계에 따라 특정 진동 주파수 v를 특징으로 하는 광자 형태의 원자에 의해 흡수 및 방출됩니다.

여기서 hv는 광자 에너지입니다. 관계식 (7)은 방사선과 관련된 미시적 과정에 대한 에너지 보존 법칙입니다.

바닥 상태의 원자는 광자만 흡수할 수 있지만 들뜬 상태에서는 광자를 흡수하고 방출할 수 있습니다. 바닥 상태의 자유 원자는 무한정 존재할 수 있습니다. 여기 상태에서 원자의 체류 기간(이 상태의 수명)은 제한되어 있으며, 원자는 자발적으로(자발적으로), 부분적으로 또는 완전히 여기 에너지를 잃고, 광자를 방출하고 더 낮은 에너지 수준으로 이동합니다. 이러한 자발적 방출과 함께 동일한 주파수의 광자의 작용으로 흡수와 같이 발생하는 자극 방출도 가능합니다. 여기된 원자의 수명이 짧을수록 자발적인 전이의 가능성이 더 크며, 수소 원자의 경우 10-8초 정도입니다.

방사선과 함께 가능한 전이의 주파수 집합 v 해당 원자의 원자 스펙트럼을 결정합니다. 하위 수준에서 상위 수준으로의 전이 주파수 집합은 흡수 스펙트럼이고, 상위 수준에서 하위 수준으로의 전이 주파수 집합은 방출 스펙트럼입니다. . 원자 스펙트럼에서 이러한 각각의 전이는 주파수 v의 특정 스펙트럼 라인에 해당합니다.

비방사 양자 전이에서 원자는 다른 입자와 상호 작용할 때 에너지를 받거나 방출하며, 이는 기체에서 충돌하거나 분자, 액체 또는 입체. 기체에서 원자는 충돌 사이의 시간 간격에서 자유로울 수 있습니다. 충돌(충격) 동안 원자는 더 낮은 위치 또는 높은 레벨에너지. 이러한 충돌을 비탄성이라고 합니다(탄성 충돌과 반대로, 원자의 병진 운동의 운동 에너지만 변하고 내부 에너지는 변경되지 않음). 중요한 특별한 경우는 자유 원자와 전자의 충돌입니다. 일반적으로 전자는 원자보다 빠르게 움직이며 충돌 시간은 매우 짧고 전자 충돌에 대해 말할 수 있습니다. 전자 충격에 의한 원자의 여기는 에너지 준위를 결정하는 방법 중 하나입니다.

화학 및 물리적 특성원자. 원자의 대부분의 특성은 전자가 핵에 상대적으로 약하게 결합되어 있는 외부 전자 껍질의 구조와 특성에 의해 결정됩니다(결합 에너지는 수 eV에서 수십 eV까지). 구조 내부 쉘전자가 훨씬 더 강하게 결합되어 있는 원자(수백, 수천 및 수만 eV의 결합 에너지)는 원자와 고에너지(수백 eV 이상)의 빠른 입자 및 광자와의 상호 작용에서만 나타납니다. . 이러한 상호 작용은 원자의 X선 스펙트럼과 빠른 입자의 산란을 결정합니다(입자 회절 참조). 원자의 질량은 원자 전체가 움직이는 동안 기계적 특성, 즉 운동량, 운동 에너지를 결정합니다. 원자의 다양한 공명 및 기타 물리적 특성은 원자의 기계적 및 관련 자기 및 전기적 모멘트에 따라 달라집니다(전자 상자성 공명, 핵 자기 공명, 핵 사중극자 공명 참조).

원자의 외부 껍질의 전자는 외부 영향에 쉽게 노출됩니다. 원자가 서로 접근하면 강한 정전기 상호 작용이 발생하여 화학 결합이 형성될 수 있습니다. 두 원자의 약한 정전기 상호 작용은 상호 분극에서 나타납니다. 핵에 대한 전자의 변위는 약하게 결합된 외부 전자에 대해 가장 강합니다. 인력의 극성은 원자 사이에서 발생하며, 이는 원자 사이의 먼 거리에서 이미 고려되어야 합니다. 원자의 분극은 외부 전기장에서도 발생합니다. 결과적으로 원자의 에너지 준위가 이동하고 특히 중요한 것은 축퇴된 에너지 준위가 분할됩니다(스타크 효과). 원자의 분극은 다음으로 인해 발생할 수 있습니다. 전기장광(전자기)파; 그것은 빛의 주파수에 따라 달라지며, 이는 빛에 대한 의존성과 원자의 편광성과 관련된 굴절률(광 분산 참조)을 결정합니다. 연결 닫기 광학적 특성전기적 특성을 가진 원자는 특히 광학 스펙트럼에서 명확하게 나타납니다.

원자의 자기 특성은 주로 전자 껍질의 구조에 의해 결정됩니다. 원자의 자기 모멘트는 기계적 모멘트(자기-기계적 비율 참조)에 따라 달라지며, 전자 껍질이 완전히 채워진 원자에서는 영, 뿐만 아니라 기계적 모멘트. 외부 전자 껍질이 부분적으로 채워진 원자는 일반적으로 0이 아닌 자기 모멘트를 가지며 상자성입니다. 외부 자기장에서 자기 모멘트가 0이 아닌 모든 수준의 원자가 분할 - Zeeman 효과가 발생합니다. 모든 원자는 반자성을 가지며, 이는 외부의 영향으로 자기 모멘트가 나타나기 때문입니다. 자기장(소위 유도 자기 모멘트, 원자의 전기 쌍극자 모멘트와 유사).

원자의 연속적인 이온화, 즉 전자의 분리와 함께 결합 강도가 증가하는 순서로 가장 바깥 쪽 전자부터 시작하여 외부 껍질에 의해 결정되는 원자의 모든 특성이 그에 따라 변경됩니다. 점점 더 단단하게 결합된 전자는 외부가 됩니다. 결과적으로 전기장에서 분극하는 원자의 능력이 크게 감소하고 에너지 준위 사이의 거리와 이러한 준위 사이의 광학적 전이 주파수가 증가합니다(이는 스펙트럼이 더 짧은 파장으로 이동하게 함). 많은 속성이 주기성을 나타냅니다. 비슷한 외부 전자를 가진 이온의 속성은 비슷합니다. 예를 들어, N 3+(2개의 2s 전자)는 N 5+(2개의 1s 전자)와 유사성을 나타냅니다. 이것은 에너지 준위의 특성과 상대적인 배열, 광학 스펙트럼, 원자의 자기 모멘트 등에 적용됩니다. 속성의 가장 극적인 변화는 마지막 전자가 에서 제거될 때 발생합니다. 외부 쉘, 예를 들어 N 4+ 에서 N 5+ (전자 구성 1s 2 2s 및 1s 2)로 이동할 때와 같이 완전히 채워진 껍질만 남을 때. 이 경우 이온은 가장 안정적이며 총 기계적 및 총 자기 모멘트는 0과 같습니다.

원자의 속성 바운드 상태(예를 들어, 분자의 일부인) 자유 원자의 속성과 다릅니다. 원자의 특성은 주어진 원자를 다른 원자에 추가하는 데 참여하는 최외각 전자에 의해 결정되는 가장 큰 변화를 겪습니다. 동시에 내부 껍질의 전자에 의해 결정된 특성은 X선 스펙트럼의 경우와 마찬가지로 사실상 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있습니다. 원자의 일부 속성은 결합된 원자의 상호작용 특성에 대한 정보를 얻을 수 있는 비교적 작은 변화를 겪을 수 있습니다. 중요한 예는 주변 이온에 의해 생성된 전기장의 작용으로 발생하는 결정 및 복합 화합물의 원자 에너지 준위의 분할입니다.

원자의 구조, 에너지 준위, 다른 원자와의 상호작용, 소립자, 분자, 외부장 등을 연구하는 실험적 방법은 다양하지만 주요 정보는 스펙트럼에 포함되어 있습니다. 모든 파장 범위에서 원자 분광법, 특히 현대 레이저 분광법을 사용하면 원자와 관련된 점점 더 미묘한 효과를 연구할 수 있습니다. 19세기 초부터 과학자들에게 원자의 존재는 명백했지만, 20세기 초 J. Perrin에 의해 그 존재의 실재성을 증명하는 실험이 이루어졌다. 현미경의 발달로 고체 표면의 원자 이미지를 얻는 것이 가능해졌습니다. 원자는 E. Muller(미국, 1955)가 자신이 발명한 장 이온 현미경의 도움으로 처음 보았습니다. 현대의 원자력 및 터널링 현미경을 사용하면 다음에서 좋은 해상도로 고체 표면의 이미지를 얻을 수 있습니다. 원자 수준(그림 3 참조).

쌀. 3. Oxford University 교수 M. Kapstell이 주사 터널링 현미경을 사용하여 얻은 실리콘 표면의 원자 구조 이미지.

소위 외래 원자가 존재하며 다양한 연구에서 널리 사용됩니다. 예를 들어 뮤온 원자, 즉 전자의 전부 또는 일부가 음의 뮤온, 뮤오늄, 양전자 및 하전된 파이온으로 구성된 하드론 원자로 대체된 원자 , 카온, 양성자, 중수소 등. 반수소 원자에 대한 첫 번째 관찰도 이루어졌습니다(2002) - 양전자와 반양성자로 구성된 원자.

켜짐 .: 태어난 M. 원자 물리학. 3판. 엠., 1970; Fano U., Fano L. 원자 및 분자 물리학. 엠., 1980; Shpolsky E.V. 원자 물리학. 7판. M., 1984. T. 1-2; Elyashevich MA 원자 및 분자 분광학. 2판. 엠., 2000.

원자의 구성.

원자는 다음으로 구성됩니다. 원자핵그리고 전자 껍질.

원자의 핵은 양성자( 피+) 및 중성자( N 0). 대부분의 수소 원자에는 단일 양성자 핵이 있습니다.

양성자 수 N(피+)는 핵 전하( 지) 및 원소의 자연 계열(및 주기율표의 원소 시스템)에 있는 원소의 서수.

N(피 +) = 지

중성자 수의 합 N(N 0), 단순히 문자로 표시 N, 그리고 양성자 수 지~라고 불리는 질량수그리고 문자로 표시되어 있습니다 하지만.

ㅏ = 지 + N

원자의 전자 껍질은 핵 주위를 움직이는 전자로 구성됩니다 ( 이자형 -).

전자의 수 N(이자형-) 중성 원자의 전자 껍질에서 양성자의 수는 지그것의 핵심에.

양성자의 질량은 중성자의 질량과 거의 같고 전자의 질량의 1840배이므로 원자의 질량은 실질적으로 핵의 질량과 같습니다.

원자의 모양은 구형입니다. 핵의 반지름은 원자의 반지름보다 약 100,000배 작습니다.

화학 원소- 동일한 핵 전하를 갖는 원자 유형(원자 세트)(핵에 동일한 수의 양성자 포함).

동위 원소- 핵에 같은 수의 중성자를 가진 한 원소의 원자 집합(또는 핵에 같은 수의 양성자와 같은 수의 중성자를 가진 원자 유형).

다른 동위 원소는 원자 핵의 중성자 수가 서로 다릅니다.

단일 원자 또는 동위원소의 지정: (E - 원소 기호), 예: .


원자의 전자 껍질의 구조

원자 궤도원자에 있는 전자의 상태이다. 궤도 기호 - . 각 궤도는 전자 구름에 해당합니다.

바닥(여기되지 않은) 상태에 있는 실제 원자의 궤도는 네 가지 유형이 있습니다. 에스, 피, 디그리고 에프.

전자 클라우드- 전자가 90%(또는 그 이상)의 확률로 발견될 수 있는 공간의 부분.

메모: 때때로 "원자궤도"와 "전자구름"의 개념이 구분되지 않아 둘 다 "원자궤도"라고 부른다.

원자의 전자 껍질은 층을 이루고 있습니다. 전자층같은 크기의 전자 구름에 의해 형성됩니다. 한 층 형태의 궤도 전자("에너지") 수준, 그들의 에너지는 수소 원자에 대해 동일하지만 다른 원자에 대해서는 다릅니다.

같은 수준의 궤도는 다음으로 그룹화됩니다. 전자(에너지)하위 수준:
에스- 하위 수준(하나로 구성됨) 에스-궤도), 상징 - .
피하위 레벨(3개로 구성 피
디하위 레벨(5개로 구성 디-궤도), 기호 - .
에프하위 레벨(7개로 구성 에프-궤도), 기호 - .

동일한 하위 수준의 궤도의 에너지는 동일합니다.

하위 수준을 지정할 때 레이어 번호(전자 수준기)가 하위 수준 기호에 추가됩니다. 예: 2 에스, 3피, 5디수단 에스- 두 번째 수준의 하위 수준, 피- 세 번째 수준의 하위 수준, 디- 다섯 번째 수준의 하위 수준.

한 수준의 총 하위 수준 수는 수준 번호와 같습니다. N. 한 수준에 있는 총 오비탈 수는 다음과 같습니다. N 2. 따라서 한 레이어의 총 구름 수는 N 2 .

지정: - 자유 궤도(전자 없음), - 짝을 이루지 않은 전자가 있는 궤도, - 전자 쌍이 있는 궤도(2개의 전자 포함).

전자가 원자의 궤도를 채우는 순서는 세 가지 자연 법칙에 의해 결정됩니다(공식은 단순화된 방식으로 제공됨).

1. 최소 에너지의 원리 - 전자는 오비탈의 에너지가 증가하는 순서로 오비탈을 채웁니다.

2. 파울리의 원리 - 하나의 오비탈에는 두 개 이상의 전자가 있을 수 없습니다.

3. 훈트의 법칙 - 하위 수준 내에서 전자는 먼저 자유 궤도를 채우고(한 번에 하나씩), 그 후에야 전자 쌍을 형성합니다.

전자 준위(또는 전자 층)의 총 전자 수는 2입니다. N 2 .

에너지에 의한 하위 수준의 분포는 다음으로 표현됩니다(에너지 증가 순서).

1에스, 2에스, 2피, 3에스, 3피, 4에스, 3디, 4피, 5에스, 4디, 5피, 6에스, 4에프, 5디, 6피, 7에스, 5에프, 6디, 7피 ...

시각적으로 이 시퀀스는 에너지 다이어그램으로 표현됩니다.

준위, 하위 준위 및 오비탈(원자의 전자 구성)에 의한 원자의 전자 분포는 전자식, 에너지 다이어그램 또는 더 간단하게는 전자 층 다이어그램(" 전자 다이어그램").

원자의 전자 구조의 예:



원자가 전자- 화학 결합 형성에 참여할 수 있는 원자의 전자. 모든 원자의 경우, 이들은 모든 외부 전자와 외부 전자의 에너지보다 에너지가 더 큰 외부 전자를 더한 것입니다. 예: Ca 원자에는 4개의 외부 전자가 있습니다. 에스 2, 그들은 또한 원자가입니다. Fe 원자에는 외부 전자가 있습니다 - 4 에스 2 하지만 그는 3 디 6, 따라서 철 원자에는 8개의 원자가 전자가 있습니다. 원자가 전자 공식칼슘 원자 - 4 에스 2, 철 원자 - 4 에스 2 3디 6 .

D. I. Mendeleev의 화학 원소 주기율표
(화학 원소의 자연계)

화학 원소의 주기 법칙(현대 공식): 화학 원소의 특성과 그에 의해 형성되는 단순하고 복잡한 물질은 원자핵의 전하 값에 주기적으로 의존합니다.

주기율표- 주기적 법칙의 그래픽 표현.

화학 원소의 자연 범위- 원자핵의 양성자 수의 증가에 따라 생성된 많은 화학 원소, 또는 이러한 원자의 핵 전하 증가에 따라 동일한 것. 이 계열에 있는 원소의 일련번호는 이 원소의 원자핵에 있는 양성자 수와 같습니다.

화학 원소 표는 화학 원소의 자연 계열을 다음으로 "절단"하여 구성됩니다. 미문(표의 가로 행) 및 원자의 유사한 전자 구조를 가진 요소의 그룹화(표의 세로 열).

요소가 그룹으로 결합되는 방식에 따라 테이블은 장기간(동일한 수와 유형의 원자가 전자를 가진 요소는 그룹으로 수집됨) 및 단기(동일한 수의 원자가 전자를 가진 요소는 그룹으로 수집됩니다).

단기 테이블의 그룹은 하위 그룹으로 나뉩니다( 기본그리고 부작용), 장기 테이블의 그룹과 일치합니다.

같은 기간의 모든 원소의 원자 같은 숫자기간의 수와 동일한 전자 레이어.

기간의 요소 수: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. 여덟 번째 기간의 대부분의 요소는 인위적으로 얻었으며, 이 기간의 마지막 요소는 아직 합성되지 않았습니다. 첫 번째를 제외한 모든 기간은 알칼리 금속 형성 원소(Li, Na, K 등)로 시작하여 희가스 형성 원소(He, Ne, Ar, Kr 등)로 끝납니다.

단기 테이블 - 8개 그룹, 각각은 두 개의 하위 그룹(주 및 보조)으로 나뉘고, 장기 테이블 - 16개 그룹은 A 또는 B 문자로 로마 숫자로 번호가 매겨집니다(예: IA, IIIB, VIA, VIIB. 장기 테이블의 그룹 IA는 단기 테이블의 첫 번째 그룹의 주요 하위 그룹에 해당합니다. 그룹 VIIB - 일곱 번째 그룹의 두 번째 하위 그룹: 나머지 - 유사하게.

화학 원소의 특성은 그룹과 기간에 따라 자연스럽게 변합니다.

기간 내(일련 번호 증가)

  • 핵전하가 증가한다
  • 외부 전자의 수가 증가하고,
  • 원자의 반경이 감소하고,
  • 핵과 전자의 결합 강도가 증가합니다(이온화 에너지),
  • 전기 음성도가 증가합니다.
  • 강하게 하다 산화 특성단순 물질("비금속성"),
  • 단순 물질("금속성")의 환원 특성이 약화되고,
  • 수산화물 및 해당 산화물의 기본 특성을 약화시키고,
  • 수산화물 및 해당 산화물의 산성 특성이 증가합니다.

그룹으로(일련 번호 증가)

  • 핵전하가 증가한다
  • 원자의 반경이 증가합니다(A-그룹에서만),
  • 전자와 핵 사이의 결합 강도가 감소합니다(이온화 에너지, A-그룹에서만).
  • 전기 음성도 감소(A 그룹에서만),
  • 단순 물질의 산화 특성을 약화시킵니다("비금속성", A-그룹에서만),
  • 단순 물질의 환원 특성이 향상됩니다("금속성"; A-그룹에서만).
  • 수산화물 및 해당 산화물의 기본 특성이 증가합니다(A-그룹에서만).
  • 수산화물 및 해당 산화물의 산성 성질이 약해집니다(A-그룹에서만).
  • 안정성 감소 수소화합물(환원 활성이 증가합니다. A-그룹에서만).

"주제 9. "원자의 구조에 대한 작업 및 테스트. D. I. Mendeleev(PSCE)의 화학 원소의 주기 법칙 및 주기 시스템".

  • 정기법 - 주기율과 원자의 구조 8~9급
    당신은 알고 있어야합니다 : 전자로 궤도를 채우는 법칙 (최소 에너지의 원리, Pauli의 원리, Hund의 법칙), 주기적인 요소 시스템의 구조.

    다음을 할 수 있어야 합니다. 주기율표에서 원소의 위치에 따라 원자의 조성을 결정하고, 반대로 그 조성을 알고 주기율표에서 원소를 찾습니다. 구조 다이어그램, 원자, 이온의 전자 구성을 묘사하고 반대로 다이어그램 및 전자 구성에서 PSCE의 화학 원소 위치를 결정합니다. PSCE에서의 위치에 따라 요소와 요소가 형성하는 물질을 특성화합니다. 원자 반경의 변화, 화학 원소의 특성 및 한 주기 및 주기율표의 하나의 주요 하위 그룹 내에서 형성되는 물질을 결정합니다.

    실시예 1세 번째 전자 수준에서 궤도의 수를 결정하십시오. 이 궤도는 무엇입니까?
    궤도의 수를 결정하기 위해 다음 공식을 사용합니다. N궤도 = N 2, 어디 N- 레벨 번호. N궤도 = 3 2 = 9. 하나 3 에스-, 세 3 피- 그리고 다섯 3 디- 궤도.

    실시예 2전자식 1을 갖는 원소의 원자 결정 에스 2 2에스 2 2피 6 3에스 2 3피 1 .
    그것이 어떤 원소인지 결정하려면 원자의 총 전자 수와 동일한 일련 번호를 찾아야합니다. 이 경우: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. 이것은 알루미늄입니다.

    필요한 모든 것을 배운 후 작업을 진행하십시오. 성공을 기원합니다.


    추천 문헌:
    • O. S. Gabrielyan 외 화학, 11학년. M., Bustard, 2002;
    • G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. 화학 11 세포. M., 교육, 2001.

고대부터 18세기 중반까지 과학은 원자가 쪼개질 수 없는 물질의 입자라는 생각이 지배적이었습니다. 영국 과학자와 자연 주의자 D. Dalton은 원자를 화학 원소의 가장 작은 구성 요소로 정의했습니다. M. V. Lomonosov는 그의 원자 및 분자 이론에서 원자와 분자를 정의할 수 있었습니다. 그는 그가 "소체"라고 불렀던 분자가 "원소"(원자)로 구성되어 있으며 끊임없이 운동하고 있다고 확신했습니다.

D. I. Mendeleev는 물질 세계를 구성하는 물질의이 소단위가 분리되지 않는 경우에만 모든 속성을 유지한다고 믿었습니다. 이 기사에서는 원자를 미시 세계의 대상으로 정의하고 그 속성을 연구합니다.

원자 구조 이론 작성을 위한 전제 조건

19세기에는 원자의 불가분성에 대한 진술이 일반적으로 받아들여졌다. 대부분의 과학자들은 어떤 상황에서도 한 화학 원소의 입자가 다른 원소의 원자로 바뀔 수 있다고 믿었습니다. 이러한 아이디어는 1932년까지 원자의 정의에 기반을 둔 기초 역할을 했습니다. 19세기 말에 과학에서 이러한 관점을 변화시킨 근본적인 발견이 이루어졌습니다. 우선 1897년 영국의 물리학자 J. J. Thomson이 전자를 발견했습니다. 이 사실은 화학 원소의 구성 부분의 불가분성에 대한 과학자들의 생각을 근본적으로 바꾸었습니다.

원자가 복잡하다는 것을 증명하는 방법

이전에도 과학자들은 원자에 전하가 없다는 데 만장일치로 동의했습니다. 그런 다음 전자가 모든 화학 원소에서 쉽게 방출된다는 것이 발견되었습니다. 그들은 화염에서 찾을 수 있습니다, 그들은 운반체입니다 전류, 그들은 X선 방사선 중에 물질에 의해 방출됩니다.

그러나 전자가 예외 없이 모든 원자의 일부이고 음전하를 띠면 원자에는 여전히 양전하를 띠는 일부 입자가 있습니다. 그렇지 않으면 원자는 전기적으로 중성이 아닐 것입니다. 방사능과 같은 물리적 현상이 원자의 구조를 밝히는 데 도움이 되었습니다. 그것은 물리학과 화학에서 원자에 대한 정확한 정의를 제공했습니다.

보이지 않는 광선

프랑스 물리학자 A. Becquerel은 시각적으로 보이지 않는 광선인 특정 화학 원소의 원자에 의한 방출 현상을 최초로 설명했습니다. 그들은 공기를 이온화하고 물질을 통과하여 사진판을 검게 만듭니다. 나중에 퀴리 부부는 방사성 물질이 다른 화학 원소의 원자(예: 우라늄에서 넵투늄으로)로 변환된다는 사실을 발견했습니다.

방사성 방사선은 구성이 이질적입니다: 알파 입자, 베타 입자, 감마선. 따라서 방사능 현상은 주기율표의 원소 입자들이 복잡한 구조. 이 사실이 원자의 정의가 변경된 이유였습니다. Rutherford가 얻은 새로운 과학적 사실을 고려할 때 원자는 어떤 입자로 구성되어 있습니까? 이 질문에 대한 대답은 과학자가 제안한 원자의 핵 모델이었습니다. 이에 따르면 전자는 양전하를 띤 핵 주위를 회전합니다.

러더퍼드 모델의 모순

과학자의 이론은 뛰어난 성격에도 불구하고 원자를 객관적으로 정의할 수 없었습니다. 그녀의 결론은 핵 주위를 도는 모든 전자가 에너지를 잃는 열역학의 기본 법칙에 위배되며 조만간 핵에 빠지게 됩니다. 이 경우 원자는 파괴됩니다. 화학 원소와 구성 입자가 자연에 아주 오랫동안 존재하기 때문에 이것은 실제로 발생하지 않습니다. 이러한 원자의 정의는 러더퍼드의 이론에 근거한 설명이 불가능할 뿐만 아니라 뜨거운 단순 물질이 회절 격자를 통과할 때 발생하는 현상입니다. 결국, 생성된 원자 스펙트럼은 선형 모양을 갖습니다. 이것은 스펙트럼이 연속적이어야 한다는 Rutherford의 원자 모델과 충돌했습니다. 양자역학의 개념에 따르면 현재 핵의 전자는 점 물체가 아니라 전자 구름의 형태를 갖는 것으로 특징지어진다.

그것의 가장 큰 밀도는 핵 주위의 특정 공간 궤적에 있으며 주어진 시간에 입자의 위치로 간주됩니다. 또한 원자의 전자가 층으로 배열되어 있음을 발견했습니다. 레이어 수는 D.I. Mendeleev의 주기율표에서 요소가 위치한 주기 수를 알면 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 인 원자는 15개의 전자를 포함하고 3개의 에너지 준위를 가지고 있습니다. 에너지 준위의 수를 결정하는 지표를 주양자수라고 합니다.

핵에 가장 가까운 에너지 준위의 전자가 가장 낮은 에너지를 갖는다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 각 에너지 껍질은 하위 수준으로 나뉘며 차례로 궤도로 나뉩니다. 다른 궤도에 위치한 전자는 동일한 구름 모양(s, p, d, f)을 갖습니다.

이를 바탕으로 전자 구름의 모양은 임의적일 수 없습니다. 그것은 오비탈에 따라 엄격하게 정의됩니다.거시 입자의 전자 상태는 자기 및 스핀 양자 수의 두 가지 값에 의해 더 결정된다는 점도 추가합시다. 첫 번째는 슈뢰딩거 방정식을 기반으로 하며 우리 세계의 3차원성을 기반으로 하는 전자 구름의 공간 방향을 특성화합니다. 두 번째 표시기는 스핀 수이며 축을 중심으로 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 전자의 회전을 결정하는 데 사용됩니다.

중성자의 발견

1932년 D. Chadwick이 수행한 작업 덕분에 화학과 물리학에서 원자에 대한 새로운 정의가 주어졌습니다. 그의 실험에서 과학자는 폴로늄이 쪼개지는 동안 질량이 1.008665인 전하가 없는 입자로 인해 방사선이 발생한다는 것을 증명했습니다. 새로운 기본 입자는 중성자라고 명명되었습니다. 그 특성에 대한 발견과 연구를 통해 소비에트 과학자 V. Gapon과 D. Ivanenko는 양성자와 중성자를 포함하는 원자핵의 구조에 대한 새로운 이론을 만들 수 있었습니다.

새로운 이론에 따르면, 물질 원자의 정의는 다음과 같습니다. 그것은 양성자와 중성자를 포함하는 핵과 그 주위를 움직이는 전자로 구성된 화학 원소의 구조 단위입니다. 핵에 있는 양의 입자의 수는 항상 주기율표에서 화학 원소의 서수와 같습니다.

나중에 A. Zhdanov 교수는 그의 실험에서 단단한 우주 방사선의 영향으로 원자핵양성자와 중성자로 나뉜다. 또한, 이를 유지하는 세력이 소립자핵심은 극도로 에너지 집약적입니다. 그들은 매우 짧은 거리(10-23cm 정도)에서 작동하며 핵이라고 합니다. 앞서 언급했듯이 M. V. Lomonosov조차도 자신이 알고 있는 과학적 사실을 기반으로 원자와 분자를 정의할 수 있었습니다.

현재 다음 모델이 일반적으로 받아 들여지는 것으로 간주됩니다. 원자는 엄격하게 정의 된 궤도-궤도를 따라 움직이는 핵과 전자로 구성됩니다. 전자는 입자와 파동의 성질을 동시에 나타내므로 이중성을 갖는다. 거의 모든 질량은 원자핵에 집중되어 있습니다. 그것은 핵력에 의해 묶인 양성자와 중성자로 구성됩니다.

원자의 무게를 잴 수 있습니까?

모든 원자에는 질량이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 예를 들어 수소의 경우 1.67x10 -24g인데 이 값이 얼마나 작은지 상상조차 하기 어렵다. 그런 물체의 무게를 알아내기 위해 저울을 사용하지 않고 탄소나노튜브인 오실레이터를 사용합니다. 원자와 분자의 무게를 계산할 때 더 편리한 값은 상대 질량입니다. 분자나 원자의 무게가 탄소 원자의 1/12, 즉 1.66x10 -27 kg보다 몇 배나 더 큰지를 보여줍니다. 상대 원자 질량은 화학 원소의 주기율표에서 주어지며 치수가 없습니다.

과학자들은 잘 알고 있다. 원자 질량화학 원소는 평균 값입니다 질량수모든 동위원소. 자연에서 한 화학 원소의 단위는 다른 질량을 가질 수 있습니다. 이 경우 이러한 구조 입자의 핵 전하가 동일합니다.

과학자들은 동위원소가 핵에 있는 중성자의 수에 따라 다르며 핵의 전하가 같다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 질량이 35인 염소 원자는 18개의 중성자와 17개의 양성자를 포함하고 질량이 37-20개의 중성자와 17개의 양성자를 포함합니다. 많은 화학 원소는 동위 원소의 혼합물입니다. 예를 들어, 칼륨, 아르곤, 산소와 같은 단순한 물질은 구성 요소에 3가지 다른 동위 원소를 나타내는 원자를 포함합니다.

원자성의 정의

여러 해석이 있습니다. 화학에서 이 용어가 의미하는 바를 고려하십시오. 어떤 화학 원소의 원자가 더 복잡한 입자, 즉 분자를 형성하려고 노력하지 않고 최소한 짧은 시간 동안 별도로 존재할 수 있다면 그러한 물질은 원자 구조를 가지고 있다고 말합니다. 예를 들어, 다단계 메탄 염소화 반응. 가장 중요한 할로겐 함유 유도체인 디클로로메탄, 사염화탄소를 얻기 위해 유기 합성 화학에서 널리 사용됩니다. 염소 분자를 반응성이 높은 원자로 나눕니다. 그들은 메탄 분자의 시그마 결합을 끊고 다음을 제공합니다. 연쇄 반응치환.

다음을 포함하는 화학 공정의 또 다른 예 큰 중요성산업에서 과산화수소를 소독제 ​​및 표백제로 사용합니다. 과산화수소 분해의 산물로서 원자 산소의 측정은 살아있는 세포(카탈라아제 효소의 작용 하에)와 실험실 조건 모두에서 발생합니다. 높은 항산화 특성과 병원체(박테리아, 곰팡이 및 그 포자)를 파괴하는 능력에 의해 질적으로 결정됩니다.

원자 껍질은 어떻습니까

우리는 이미 화학 원소의 구조 단위가 복잡한 구조를 가지고 있음을 발견했습니다. 전자는 양전하를 띤 핵 주위를 돌고 있습니다. 노벨상 수상자인 Niels Bohr는 빛의 양자 이론에 기초하여 원자의 특성과 정의가 다음과 같은 그의 교리를 만들었습니다. 보어의 교리는 원자와 분자를 포함하는 미시 세계의 입자가 거대 물체, 즉 대우주의 대상에 유효한 법칙을 따르지 않는다는 것을 증명했습니다.

거대 입자의 전자 껍질 구조는 Hund, Pauli, Klechkovsky와 같은 과학자들의 양자 물리학 연구에서 연구되었습니다. 따라서 전자는 핵 주위에서 무작위로가 아니라 특정 고정 궤도를 따라 회전 운동을 한다는 것이 알려졌습니다. Pauli는 전자 셀의 각 오비탈 s, p, d, f에서 하나의 에너지 준위 내에서 반대 스핀 + ½ 및 - ½을 갖는 음으로 하전된 입자가 2개 이상 있을 수 없다는 것을 발견했습니다.

Hund의 법칙은 같은 에너지 준위를 가진 오비탈이 어떻게 전자로 정확하게 채워지는지를 설명했습니다.

n + l 규칙이라고도 하는 Klechkovsky 규칙은 다중 전자 원자(5, 6, 7 주기의 요소)의 궤도가 어떻게 채워지는지를 설명합니다. 위의 모든 규칙성은 Dmitri Mendeleev가 만든 화학 원소 시스템에 대한 이론적 정당성을 제공했습니다.

산화 상태

그것은 화학의 기본 개념이며 분자에서 원자의 상태를 특성화합니다. 원자의 산화 상태에 대한 현대적인 정의는 다음과 같습니다. 이것은 분자에 있는 원자의 조건부 전하로, 분자는 이온 구성만 있다는 개념에 따라 계산됩니다.

산화 상태는 양수, 음수 또는 0 값을 사용하여 정수 또는 분수로 표현할 수 있습니다. 대부분의 경우 화학 원소의 원자는 여러 산화 상태를 갖습니다. 예를 들어 질소는 -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5가 있습니다. 그러나 모든 화합물에서 불소와 같은 화학 원소는 -1과 같은 단 하나의 산화 상태를 갖습니다. 제시된다면 단순 물질, 산화 상태는 0입니다. 이 화학량은 물질의 분류 및 속성 설명에 사용하기 편리합니다. 대부분의 경우 원자의 산화 상태는 산화 환원 반응에 대한 방정식을 컴파일할 때 화학에서 사용됩니다.

원자의 성질

발견 덕분에 양자 물리학, 현대적 정의 D. Ivanenko와 E. Gapon의 이론에 기초한 원자는 다음과 같이 보완됩니다. 과학적 사실. 원자핵의 구조는 변하지 않는다. 화학 반응. 고정 전자 궤도만 변경될 수 있습니다. 그들의 구조는 물질의 많은 물리적, 화학적 특성을 설명할 수 있습니다. 전자가 정지궤도를 떠나 에너지 지수가 더 높은 궤도로 이동하는 경우 이러한 원자를 여기라고 합니다.

전자는 할 수 없다는 점에 유의해야 합니다. 장기그러한 비정상적인 궤도에 있기 위해. 정지 궤도로 돌아가면 전자는 에너지 양자를 방출합니다. 전자 친화도, 전기 음성도, 이온화 ​​에너지와 같은 화학 원소의 구조 단위의 특성에 대한 연구는 과학자들이 원자를 소우주의 가장 중요한 입자로 정의할 수 있게 했을 뿐만 아니라 원자가 형성하는 능력을 설명할 수 있게 해주었습니다. 물질의 안정적이고 에너지적으로 더 유리한 분자 상태, 생성으로 인해 가능 다양한 방식안정적인 화학 결합: 이온, 공유 극성 및 비극성, 기증자-수용체(다양한 공유 결합) 및 금속. 후자는 모든 금속의 가장 중요한 물리적 및 화학적 특성을 결정합니다.

원자의 크기가 변할 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 모든 것은 그것이 어떤 분자에 포함되어 있는지에 달려 있습니다. X선 회절 분석 덕분에 화합물의 원자 사이의 거리를 계산할 수 있을 뿐만 아니라 원소의 구조 단위의 반지름을 알아낼 수 있습니다. 주기 또는 화학 원소 그룹에 포함된 원자의 반지름의 변화 패턴을 알면 물리적 및 화학적 특성을 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 원자핵의 전하가 증가하는 기간에는 반지름이 감소하여("원자의 압축") 화합물의 금속 특성이 약해지고 비금속 특성이 증가합니다.

따라서 에 대한 지식을 통해 포함된 모든 요소의 물리적 및 화학적 특성을 정확하게 결정할 수 있습니다. 주기율표멘델레예프.

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