ไม่ว่าจะเป็นอะตอม โลกช่างสวยงาม

บรรณาธิการตอบกลับ

ในปี พ.ศ. 2456 ภาษาเดนมาร์ก นักฟิสิกส์ Niels Bohrเสนอทฤษฎีโครงสร้างของอะตอม เขาใช้แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมเป็นพื้นฐานซึ่งพัฒนาโดยนักฟิสิกส์รัทเทอร์ฟอร์ด ในนั้น อะตอมเปรียบได้กับวัตถุของมหภาค - ระบบดาวเคราะห์ที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ ในทำนองเดียวกัน ในแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียสหนักที่อยู่ตรงกลาง

บอร์แนะนำแนวคิดของการหาปริมาณลงในทฤษฎีของอะตอม ตามที่กล่าวไว้ อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้ในวงโคจรคงที่ซึ่งสอดคล้องกับระดับพลังงานบางอย่างเท่านั้น เป็นแบบจำลอง Bohr ที่กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างแบบจำลองทางกลควอนตัมที่ทันสมัยของอะตอม ในแบบจำลองนี้ นิวเคลียสของอะตอมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่ไม่มีประจุ ถูกล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ตามกลศาสตร์ควอนตัม เป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดวิถีการเคลื่อนที่หรือวงโคจรของอิเล็กตรอนที่แน่นอน มีเพียงบริเวณที่มีอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานใกล้เคียงกันเท่านั้น

มีอะไรอยู่ภายในอะตอม?

อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน นิวตรอนถูกค้นพบหลังจากแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ เฉพาะในปี 1932 ขณะทำการทดลองหลายครั้ง James Chadwick ค้นพบอนุภาคที่ไม่มีประจุ การไม่มีประจุได้รับการยืนยันโดยข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคเหล่านี้ไม่ทำปฏิกิริยาใดๆ กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

นิวเคลียสของอะตอมนั้นเกิดจากอนุภาคหนัก - โปรตอนและนิวตรอน: แต่ละอนุภาคเหล่านี้หนักกว่าอิเล็กตรอนเกือบสองพันเท่า โปรตอนและนิวตรอนมีขนาดใกล้เคียงกัน แต่โปรตอนมีประจุบวกและนิวตรอนไม่มีประจุเลย

ในทางกลับกัน โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าควาร์ก ในฟิสิกส์สมัยใหม่ ควาร์กเป็นอนุภาคพื้นฐานของสสารที่เล็กที่สุด

ขนาดของอะตอมนั้นใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียสหลายเท่า หากอะตอมขยายขนาดเท่าสนามฟุตบอล ขนาดของนิวเคลียสของอะตอมก็สามารถเทียบได้กับลูกเทนนิสที่อยู่ตรงกลางสนาม

โดยธรรมชาติแล้ว มีอะตอมจำนวนมากที่มีขนาด มวล และลักษณะอื่นๆ แตกต่างกัน กลุ่มของอะตอมประเภทเดียวกันเรียกว่าองค์ประกอบทางเคมี จนถึงปัจจุบันมากกว่าหนึ่งร้อย องค์ประกอบทางเคมี. อะตอมของพวกมันมีขนาด มวล และโครงสร้างต่างกัน

อิเล็กตรอนภายในอะตอม

อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสของอะตอม ก่อตัวเป็นเมฆ นิวเคลียสขนาดใหญ่ดึงดูดอิเล็กตรอน แต่พลังงานของอิเล็กตรอนเองช่วยให้พวกมัน "วิ่งหนี" ออกไปจากนิวเคลียสได้มากขึ้น ดังนั้นยิ่งพลังงานของอิเล็กตรอนมากเท่าไหร่ก็ยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้นเท่านั้น

ค่าของพลังงานอิเล็กตรอนไม่สามารถกำหนดเองได้ มันสอดคล้องกับชุดระดับพลังงานที่กำหนดไว้อย่างดีในอะตอม นั่นคือพลังงานของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนทีละระดับจากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง ดังนั้น อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้เฉพาะภายในเปลือกอิเล็กตรอนที่จำกัดซึ่งสอดคล้องกับระดับพลังงานเฉพาะ - นี่คือความหมายของสมมุติฐานของบอร์

เมื่อได้รับพลังงานมากขึ้น อิเล็กตรอนจะ "กระโดด" จากนิวเคลียสไปยังชั้นที่สูงกว่า ในทางกลับกัน สูญเสียพลังงานไปยังชั้นล่าง ดังนั้นเมฆของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสจึงได้รับคำสั่งให้อยู่ในรูปของชั้น "ตัด" หลายชั้น

ประวัติความคิดเกี่ยวกับอะตอม

คำว่า "อะตอม" นั้นมาจากภาษากรีกว่า "แบ่งแยกไม่ได้" และกลับไปสู่ความคิด นักปรัชญากรีกโบราณเกี่ยวกับส่วนที่เล็กที่สุดของสสาร ในยุคกลาง นักเคมีเชื่อมั่นว่าสารบางชนิดไม่สามารถแยกย่อยออกเป็นองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบได้อีก อนุภาคที่เล็กที่สุดเหล่านี้เรียกว่าอะตอม ในปี พ.ศ. 2403 ที่การประชุมนักเคมีนานาชาติในเยอรมนี คำจำกัดความนี้ได้รับการประดิษฐานอย่างเป็นทางการในวิทยาศาสตร์โลก

ที่ ปลายXIXในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอมและเป็นที่ชัดเจนว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งแยกได้จริง ทฤษฎีเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของอะตอมถูกหยิบยกขึ้นมาทันที หนึ่งในนั้นคือแบบจำลองของทอมสันหรือแบบจำลอง "พุดดิ้งลูกเกด" ตามแบบจำลองนี้ อิเล็กตรอนขนาดเล็กอยู่ภายในร่างกายที่มีประจุบวกขนาดใหญ่ เช่น ลูกเกดในพุดดิ้ง อย่างไรก็ตาม การทดลองเชิงปฏิบัติของนักเคมี Rutherford ได้หักล้างแบบจำลองนี้และทำให้เขาสร้างแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม

การพัฒนาแบบจำลองดาวเคราะห์ของบอร์ร่วมกับการค้นพบนิวตรอนในปี พ.ศ. 2475 เป็นพื้นฐานสำหรับ ทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม ขั้นตอนต่อไปในการพัฒนาความรู้เกี่ยวกับอะตอมนั้นเชื่อมโยงกับฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานอยู่แล้ว: ควาร์ก เลปตอน นิวตริโน โฟตอน โบซอน และอื่นๆ

ทุกวันเราใช้วัตถุบางอย่าง: เราถือมันไว้ในมือของเรา เราทำการดัดแปลงใด ๆ กับพวกมัน - เราพลิกมัน ตรวจสอบพวกมันและในที่สุดก็ทำลายมัน คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าวัตถุเหล่านี้ทำมาจากอะไร? “คิดอะไร? จากโลหะ / ไม้ / พลาสติก / ผ้า!” - พวกเราหลายคนจะตอบด้วยความงุนงง นี่เป็นคำตอบที่ถูกต้องส่วนหนึ่ง และวัสดุเหล่านี้ประกอบด้วยอะไรบ้าง - โลหะ ไม้ พลาสติก ผ้า และสารอื่น ๆ อีกมากมาย? วันนี้เราจะพูดถึงปัญหานี้

โมเลกุลและอะตอม: คำจำกัดความ

สำหรับผู้ที่มีความรู้ คำตอบนั้นเรียบง่ายและซ้ำซาก: จากอะตอมและโมเลกุล แต่บางคนก็งงและเริ่มถามคำถามว่า "อะตอมและโมเลกุลคืออะไร หน้าตาเป็นอย่างไร" เป็นต้น มาตอบคำถามเหล่านี้ตามลำดับ ก่อนอื่น อะตอมและโมเลกุลคืออะไร? ให้เราบอกคุณทันทีว่าคำจำกัดความเหล่านี้ไม่เหมือนกัน ยิ่งกว่านั้นมันเป็นเงื่อนไขที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง ดังนั้น อะตอมจึงเป็นส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมี ซึ่งเป็นพาหะของคุณสมบัติของอะตอม ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลและขนาดไม่เพียงพอ โมเลกุลเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งเกิดขึ้นจากอะตอมที่เชื่อมต่อกันหลายอะตอม

อะตอมคืออะไร: โครงสร้าง

อะตอมประกอบด้วยเปลือกอิเล็กตรอนและ (ภาพถ่าย) ในทางกลับกัน นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และเปลือกของอิเล็กตรอน ในอะตอม โปรตอนมีประจุบวก อิเล็กตรอนมีประจุลบ และไม่มีประจุนิวตรอนเลย หากจำนวนโปรตอนตรงกัน แสดงว่าอะตอมนั้นเป็นกลางทางไฟฟ้า กล่าวคือ ถ้าเราสัมผัสสารที่เกิดจากโมเลกุลที่มีอะตอมดังกล่าว เราจะไม่รู้สึกถึงแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าแม้แต่น้อย และแม้แต่คอมพิวเตอร์ที่ใช้งานหนักก็ไม่สามารถจับได้เนื่องจากขาดเครื่องหลัง แต่มันเกิดขึ้นว่ามีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนและในทางกลับกัน ถ้าอย่างนั้นจะถูกต้องกว่าที่จะเรียกอะตอมดังกล่าวว่าไอออน หากมีโปรตอนมากกว่า แสดงว่าเป็นบวกทางไฟฟ้า แต่ถ้าอิเล็กตรอนมีมากกว่า มันจะเป็นลบทางไฟฟ้า อะตอมจำเพาะแต่ละอะตอมมีจำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนอย่างเข้มงวด และสามารถคำนวณได้ แม่แบบสำหรับการแก้ปัญหาการหาจำนวนอนุภาคเหล่านี้มีลักษณะดังนี้:

เคมี. องค์ประกอบ - R (ใส่ชื่อองค์ประกอบ)
โปรตอน (p) - ?
อิเล็กตรอน (จ) - ?
นิวตรอน (n) - ?
วิธีการแก้:
p = หมายเลขซีเรียลของสารเคมี องค์ประกอบ R ในระบบธาตุตั้งชื่อตาม D.I. เมนเดเลเยฟ
e = p
n \u003d A r (R) - หมายเลข R

โมเลกุลคืออะไร: โครงสร้าง

โมเลกุลเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารเคมีนั่นคือมันรวมอยู่ในองค์ประกอบของมันโดยตรงแล้ว โมเลกุลของสารบางชนิดประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกันหรือต่างกันหลายอะตอม ลักษณะโครงสร้างของโมเลกุลขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของสารที่มีอยู่ โมเลกุลประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอะตอม ตำแหน่งของหลังสามารถพบได้โดยใช้ สูตรโครงสร้าง. ช่วยให้คุณสามารถกำหนดเส้นทางของปฏิกิริยาเคมีได้ มักจะเป็นกลาง ค่าไฟฟ้า) และไม่มีอิเลคตรอนที่ไม่จับคู่ (วาเลนซ์ทั้งหมดอิ่มตัว) อย่างไรก็ตาม พวกเขายังสามารถเรียกเก็บเงินได้แล้ว พวกเขา ชื่อที่ถูกต้อง- ไอออน โมเลกุลสามารถมีอิเล็กตรอนแบบ unpaired และ valences ที่ไม่อิ่มตัวได้ - ในกรณีนี้เรียกว่าอนุมูล

บทสรุป

ตอนนี้คุณรู้แล้วว่าอะตอมคืออะไรและสารทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลโดยไม่มีข้อยกเว้นและในทางกลับกันก็ถูกสร้างขึ้นจากอะตอม คุณสมบัติทางกายภาพของสารเป็นตัวกำหนดการจัดเรียงและพันธะของอะตอมและโมเลกุลในตัวมัน

ATOM [อะตอมฝรั่งเศสจากภาษาละติน atomus จากกรีก? τομος (ουσ?α) - แยกไม่ออก (สาระสำคัญ)] อนุภาคของสสารซึ่งเป็นส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีซึ่งเป็นพาหะของคุณสมบัติของมัน อะตอมของธาตุแต่ละธาตุมีโครงสร้างและคุณสมบัติเฉพาะตัว และถูกกำหนดโดยสัญลักษณ์ทางเคมีของธาตุ (เช่น อะตอมของไฮโดรเจนคือ H เหล็กคือ Fe ปรอทคือ Hg ยูเรเนียมคือ U เป็นต้น) อะตอมสามารถมีอยู่ได้ทั้งในสถานะอิสระและในสถานะที่ถูกผูกมัด (ดู พันธะเคมี) ความหลากหลายของสารนั้นเกิดจาก ชุดค่าผสมต่างๆอะตอมให้กันและกัน คุณสมบัติของก๊าซ ของเหลว และ ของแข็งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีทั้งหมดของอะตอมถูกกำหนดโดยโครงสร้างและปฏิบัติตามกฎควอนตัม (เกี่ยวกับประวัติความเป็นมาของการพัฒนาหลักคำสอนของอะตอม ดูบทความ Atomic Physics)

ลักษณะทั่วไปของโครงสร้างของอะตอม. อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนักที่มีประจุไฟฟ้าบวกและอิเล็กตรอนแสงล้อมรอบไปด้วยประจุไฟฟ้าลบที่สร้างเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม ขนาดของอะตอมถูกกำหนดโดยขนาดของเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกและมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียสของอะตอม ลำดับลักษณะของเส้นผ่านศูนย์กลาง พื้นที่ ภาพตัดขวางและปริมาตรของอะตอมและนิวเคลียสคือ:

อะตอม 10 -8 ซม. 10 -16 ซม. 2 10 -24 ซม. 3

แกน 10 -12 ซม. 10 -24 ซม. 2 10 -36 ซม. 3

เปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมไม่มีขอบเขตที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด และค่าของมิติของอะตอมขึ้นอยู่กับวิธีการกำหนดในขอบเขตที่มากหรือน้อย

ประจุของนิวเคลียสเป็นคุณสมบัติหลักของอะตอมซึ่งกำหนดว่าเป็นขององค์ประกอบบางอย่าง ประจุของนิวเคลียสเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของประจุไฟฟ้าพื้นฐานที่เป็นบวกเสมอ ซึ่งเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุของอิเล็กตรอน -e ประจุของนิวเคลียสคือ +Ze โดยที่ Z คือเลขลำดับ (เลขอะตอม) Z \u003d 1, 2, 3, ... สำหรับอะตอมขององค์ประกอบต่อเนื่องในระบบธาตุเคมีนั่นคือสำหรับอะตอม H, He, Li, .... ในอะตอมที่เป็นกลางนิวเคลียสที่มีประจุ +Ze ถืออิเล็กตรอน Z ด้วยประจุทั้งหมด - Ze อะตอมสามารถสูญเสียหรือรับอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนบวกหรือลบ (k = 1, 2, 3, ... - หลายหลากของการแตกตัวเป็นไอออนของมัน) อะตอมของธาตุบางชนิดมักเรียกกันว่าอิออน เมื่อเขียน ไอออนจะแตกต่างจากอะตอมที่เป็นกลางโดยดัชนี k + และ k -; ตัวอย่างเช่น O คืออะตอมออกซิเจนที่เป็นกลาง O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- - ไอออนบวกและลบ การรวมกันของอะตอมที่เป็นกลางและไอออนของธาตุอื่นๆ ที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันทำให้เกิดอนุกรมไอโซอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ชุดของอะตอมคล้ายไฮโดรเจน H, He +, Li 2+, Be 3+, ....

ประจุหลายหลากของนิวเคลียสของอะตอมต่อประจุพื้นฐาน e ถูกอธิบายบนพื้นฐานของแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียส: Z เท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ประจุโปรตอนคือ + e มวลของอะตอมจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ Z มวลของนิวเคลียสของอะตอมจะแปรผันตามเลขมวล A โดยประมาณ ซึ่งเป็นจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส มวลของอิเล็กตรอน (0.91 10 -27 g) นั้นน้อยกว่ามาก (ประมาณ 1840 เท่า) เมื่อเทียบกับมวลของโปรตอนหรือนิวตรอน (1.67 × 10 -24 g) ดังนั้นมวลของอะตอมจึงถูกกำหนดโดยมวลของ นิวเคลียสของมัน

อะตอมของธาตุที่กำหนดอาจมีมวลต่างกันในนิวเคลียส (จำนวนโปรตอน Z คงที่ จำนวนนิวตรอน A-Z อาจแตกต่างกัน) อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันนั้นเรียกว่าไอโซโทป ความแตกต่างของมวลของนิวเคลียสแทบไม่มีผลกระทบต่อโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมที่กำหนด ซึ่งขึ้นอยู่กับ Z และคุณสมบัติของอะตอม ความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในคุณสมบัติ (ผลกระทบของไอโซโทป) ได้มาจากไอโซโทปไฮโดรเจน (Z = 1) เนื่องจาก ความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่ในมวลของอะตอมไฮโดรเจนเบาธรรมดา (A = 1) ดิวเทอเรียม (A = 2) และทริเทียม (A = 3)

มวลของอะตอมแตกต่างกันไปตั้งแต่ 1.67 × 10 -24 g (สำหรับไอโซโทปหลักของอะตอมไฮโดรเจน Z = 1, A = 1) ถึงประมาณ 4 × 10 -22 g (สำหรับอะตอมของธาตุทรานส์ยูเรเนียม) ที่สุด ค่าที่แน่นอนมวลของอะตอมสามารถกำหนดได้โดยวิธีแมสสเปกโทรสโกปี มวลของอะตอมนั้นไม่เท่ากับผลรวมของมวลของนิวเคลียสและมวลของอิเล็กตรอน แต่ค่อนข้างน้อยกว่า - ถึงข้อบกพร่องของมวล ΔM = W / c 2 โดยที่ W คือพลังงานของการก่อตัวของอะตอมจาก นิวเคลียสและอิเล็กตรอน (พลังงานจับ) c คือความเร็วของแสง การแก้ไขนี้เป็นลำดับของมวลอิเล็กตรอน m e สำหรับอะตอมหนัก และสำหรับอะตอมเบา จะถือว่าเล็กน้อย (ของ 10 -4 m e)

พลังงานของอะตอมและการหาปริมาณของอะตอม. เนื่องจากมีขนาดเล็กและมีมวลมาก นิวเคลียสของอะตอมจึงประมาณได้ว่าเป็นจุดและพักอยู่ที่ศูนย์กลางมวลของอะตอม (จุดศูนย์กลางมวลร่วมของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนตั้งอยู่ใกล้กับนิวเคลียส และความเร็วของ นิวเคลียสที่สัมพันธ์กับจุดศูนย์กลางมวลของอะตอมมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความเร็วของอิเล็กตรอน) ดังนั้นอะตอมจึงถือได้ว่าเป็นระบบที่อิเล็กตรอน N ที่มีประจุเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ศูนย์ดึงดูดที่ไม่สามารถเคลื่อนย้ายได้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมเกิดขึ้นในปริมาตรที่ จำกัด นั่นคือมันถูกผูกไว้ พลังงานภายในทั้งหมดของอะตอม E เท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์ T ของอิเล็กตรอนทั้งหมดและพลังงานศักย์ U - พลังงานของแรงดึงดูดโดยนิวเคลียสและการผลักออกจากกัน

ตามทฤษฎีของอะตอมที่เสนอในปี 1913 โดย Niels Bohr ในอะตอมของไฮโดรเจนอิเล็กตรอนหนึ่งตัวที่มีประจุ -e จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ จุดศูนย์กลางคงที่ด้วยประจุ +e ตามกลศาสตร์คลาสสิก พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนดังกล่าวมีค่าเท่ากับ

โดยที่ v คือความเร็ว p = m e v คือโมเมนตัม (โมเมนตัม) ของอิเล็กตรอน พลังงานศักย์ (ลดลงเป็นพลังงานของแรงดึงดูดของคูลอมบ์ของอิเล็กตรอนโดยนิวเคลียส) เท่ากับ

และขึ้นอยู่กับระยะทาง r ของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียสเท่านั้น ในกราฟ ฟังก์ชัน U(r) จะแสดงด้วยเส้นโค้งที่ลดลงอย่างไม่มีกำหนดเมื่อ r ลดลง กล่าวคือ เมื่ออิเล็กตรอนเข้าใกล้นิวเคลียส ค่าของ U(r) ที่ r→∞ ถือเป็นศูนย์ ที่ ค่าลบพลังงานทั้งหมด 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 การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นอิสระ - มันสามารถไปถึงอนันต์ด้วยพลังงาน E = T = (1/2)m e v 2 ซึ่งสอดคล้องกับอะตอมไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออน H + . ดังนั้น อะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางจึงเป็นระบบของนิวเคลียสที่จับกับไฟฟ้าสถิตและอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน E< 0.

สมบูรณ์ กำลังภายในอะตอม E - ลักษณะสำคัญของมันคือระบบควอนตัม (ดูกลศาสตร์ควอนตัม) อะตอมสามารถอยู่ได้นานเฉพาะในรัฐที่มีพลังงานบางอย่าง - อยู่กับที่ (ไม่แปรเปลี่ยนตามเวลา) พลังงานภายในของระบบควอนตัมที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ถูกผูกไว้ (รวมถึงอะตอม) สามารถใช้ชุดค่าที่ไม่ต่อเนื่อง (ไม่ต่อเนื่อง) ชุดใดค่าหนึ่ง

ค่าพลังงานที่ "อนุญาต" แต่ละค่าเหล่านี้สอดคล้องกับสถานะควอนตัมคงที่อย่างน้อยหนึ่งสถานะ ระบบไม่สามารถมีค่ากลางของพลังงานได้ (เช่น อยู่ระหว่าง E 1 และ E 2, E 2 และ E 3 เป็นต้น) ระบบดังกล่าวเรียกว่าเป็นปริมาณ การเปลี่ยนแปลงใดๆ ใน E เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของระบบควอนตัม (เหมือนกระโดด) จากสถานะควอนตัมที่อยู่กับที่หนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง (ดูด้านล่าง)

ค่าที่ไม่ต่อเนื่องที่เป็นไปได้ (3) ของพลังงานของอะตอมสามารถแสดงเป็นภาพกราฟิกได้โดยการเปรียบเทียบกับพลังงานศักย์ของร่างกายที่ยกขึ้นสูงต่างกัน (ถึงระดับต่าง ๆ ) ในรูปแบบของไดอะแกรมของระดับพลังงานที่แต่ละพลังงาน ค่าสอดคล้องกับเส้นตรงที่ลากที่ความสูง E ผม , ผม= 1 , 2, 3, ... (รูปที่ 1) ระดับต่ำสุด E 1 ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่ต่ำที่สุดของอะตอมเรียกว่าระดับพื้นดินและส่วนที่เหลือทั้งหมด (E ผม > E 1) ผม = 2, 3, 4, ...) เรียกว่าตื่นเต้น เพราะไปหาพวกเขา ( เปลี่ยนไปใช้สถานะตื่นเต้นคงที่จากพื้นดิน) จำเป็นต้องกระตุ้นระบบ - เพื่อแจ้งให้ทราบจากภายนอกของพลังงาน E ผม -E 1 .

การหาปริมาณพลังงานของอะตอมเป็นผลมาจากคุณสมบัติของคลื่นของอิเล็กตรอน ตามหลักการของ corpuscular-wave dualism การเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็กของมวล m ด้วยความเร็ว v สอดคล้องกับความยาวคลื่น λ = h/mv โดยที่ h คือค่าคงที่ของพลังค์ สำหรับอิเล็กตรอนในอะตอม λ อยู่ที่ 10 -8 ซม. นั่นคือลำดับของมิติเชิงเส้นของอะตอม และต้องคำนึงถึงคุณสมบัติของคลื่นของอิเล็กตรอนในอะตอมด้วย การเคลื่อนไหวที่เกี่ยวข้องของอิเล็กตรอนในอะตอมจะคล้ายกับคลื่นนิ่ง ไม่ควรพิจารณาว่าเป็นการเคลื่อนที่ จุดวัสดุตามวิถี แต่ซับซ้อนเพียงใด กระบวนการของคลื่น. สำหรับคลื่นนิ่งในปริมาตรที่จำกัด เฉพาะค่าความยาวคลื่น λ เท่านั้น (และด้วยเหตุนี้ ความถี่การสั่น v) จึงเป็นไปได้ ตามกลศาสตร์ควอนตัม พลังงานของอะตอม E สัมพันธ์กับ v โดยความสัมพันธ์ E = hν ดังนั้นจึงรับได้เพียงค่าบางอย่างเท่านั้น การเคลื่อนที่อย่างอิสระของอนุภาคขนาดเล็กซึ่งไม่จำกัดในอวกาศ เช่น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่แยกออกจากอะตอม (ที่มีพลังงาน E> 0) จะคล้ายกับการแพร่กระจายของคลื่นเคลื่อนที่ในปริมาตรไม่จำกัด ซึ่ง ค่าของ λ (และ v) เป็นไปได้ พลังงานของอนุภาคขนาดเล็กอิสระดังกล่าวสามารถรับค่าใด ๆ ก็ได้ (ไม่ได้ถูกหาปริมาณ แต่มีสเปกตรัมพลังงานที่ต่อเนื่อง) ลำดับต่อเนื่องดังกล่าวสอดคล้องกับอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออน ค่าของ E ∞ = 0 สอดคล้องกับขอบเขตไอออไนเซชัน ความแตกต่าง E ∞ -E 1 \u003d E ไอออนเรียกว่าพลังงานไอออไนเซชัน (ดูบทความ ศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออน); สำหรับอะตอมไฮโดรเจน จะเท่ากับ 13.6 eV

การกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอน. ตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนในอะตอม ช่วงเวลานี้ไม่สามารถกำหนดเวลาได้เนื่องจากความไม่แน่นอนของอัตราส่วน สถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมถูกกำหนดโดยฟังก์ชันคลื่น ซึ่งในบางวิธีขึ้นอยู่กับพิกัดของมัน กำลังสองของโมดูลัสของฟังก์ชันคลื่นแสดงถึงความหนาแน่นของความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอน ณ จุดที่กำหนดในอวกาศ ฟังก์ชันคลื่นเป็นการแก้สมการชโรดิงเงอร์อย่างชัดเจน

ดังนั้นสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมจึงสามารถกำหนดได้โดยการกระจายประจุไฟฟ้าในอวกาศด้วยความหนาแน่นที่แน่นอน - การกระจายตัวของความหนาแน่นของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนถูก "เปื้อน" ในอวกาศและก่อตัวเป็น "เมฆอิเล็กตรอน" อย่างที่เคยเป็นมา แบบจำลองดังกล่าวกำหนดลักษณะของอิเล็กตรอนในอะตอมได้ถูกต้องมากกว่าแบบจำลองของอิเล็กตรอนแบบจุดซึ่งเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด (ในทฤษฎีอะตอมของบอร์) ในเวลาเดียวกัน วงโคจรของบอร์แต่ละตัวสามารถเชื่อมโยงกับการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงได้ สำหรับระดับพลังงานพื้นดิน E 1 ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะกระจุกตัวอยู่ใกล้นิวเคลียส สำหรับระดับพลังงานที่ตื่นเต้น E 2 , E 3 , E 4 ... มีการกระจายในระยะทางเฉลี่ยที่มากขึ้นจากนิวเคลียส ในอะตอมหลายอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะถูกจัดกลุ่มเป็นเปลือกที่ล้อมรอบนิวเคลียสในระยะทางที่ต่างกัน และมีลักษณะเฉพาะโดยการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนบางอย่าง แรงยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสในเปลือกชั้นนอกมีค่าน้อยกว่าในเปลือกชั้นใน และอิเล็กตรอนจะถูกผูกมัดที่อ่อนแอที่สุดในเปลือกนอกสุดซึ่งมีมิติที่ใหญ่ที่สุด

การบัญชีสปินอิเล็กตรอนและสปินนิวเคลียร์. ในทฤษฎีของอะตอม สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงการหมุนของอิเล็กตรอน - โมเมนตัมของโมเมนตัม (สปิน) ของมันเอง จากมุมมองการมองเห็นที่สอดคล้องกับการหมุนของอิเล็กตรอนรอบแกนของมันเอง (ถ้า อิเล็กตรอนถือเป็นอนุภาคขนาดเล็ก) โมเมนต์แม่เหล็ก 100 อัน (สปิน) นั้นสัมพันธ์กับการหมุนของอิเล็กตรอน ดังนั้นในอะตอมจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงปฏิกิริยาทางแม่เหล็กที่กำหนดโดยโมเมนต์แม่เหล็กหมุนและโมเมนต์แม่เหล็กโคจรที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส ปฏิกิริยาแม่เหล็กมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับไฟฟ้าสถิต อิทธิพลของการหมุนในอะตอมของหลายอิเล็กตรอนนั้นสำคัญที่สุด: การเติมเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมด้วยจำนวนอิเล็กตรอนที่แน่นอนขึ้นอยู่กับการหมุนของอิเล็กตรอน

นิวเคลียสในอะตอมสามารถมีโมเมนต์เชิงกลของมันได้ เช่น การหมุนของนิวเคลียส ซึ่งสัมพันธ์กับโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสซึ่งเล็กกว่าโมเมนต์อิเล็กทรอนิกส์หลายร้อยเท่า การมีอยู่ของสปินทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์เพิ่มเติมเล็กๆ น้อยๆ ระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอน (ดูด้านล่าง)

สถานะควอนตัมของอะตอมไฮโดรเจน. บทบาทที่สำคัญที่สุดในทฤษฎีควอนตัมของอะตอมเล่นโดยทฤษฎีของอะตอมอิเล็กตรอนเดียวที่ง่ายที่สุดซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุ +Ze และอิเล็กตรอนที่มีประจุ -e นั่นคือทฤษฎีของไฮโดรเจน อะตอม H และไอออนคล้ายไฮโดรเจน He +, Li 2+, Be 3+, ..., โดยทั่วไปเรียกว่าทฤษฎีของอะตอมไฮโดรเจน วิธีการ กลศาสตร์ควอนตัมคุณจะได้รับความแม่นยำและ คำอธิบายที่สมบูรณ์สถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมหนึ่งอิเล็กตรอน ปัญหาของอะตอมของอิเล็กตรอนจำนวนมากจะได้รับการแก้ไขโดยประมาณเท่านั้น ในกรณีนี้พวกเขาดำเนินการจากผลลัพธ์ของการแก้ปัญหาของอะตอมอิเล็กตรอนหนึ่งตัว

พลังงานของอะตอมอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในการประมาณที่ไม่สัมพันธ์กัน (โดยไม่คำนึงถึงการหมุนของอิเล็กตรอน) จะเท่ากับ

จำนวนเต็ม n = 1, 2, 3, ... กำหนดค่าพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องที่เป็นไปได้ - ระดับพลังงาน - และเรียกว่าหมายเลขควอนตัมหลัก R คือค่าคงที่ Rydberg เท่ากับ 13.6 eV ระดับพลังงานของอะตอมมาบรรจบกัน (ควบแน่น) กับขอบเขตไอออไนเซชัน Е ∞ = 0 ที่สอดคล้องกับ n =∞ สำหรับไอออนคล้ายไฮโดรเจน เฉพาะค่าพลังงานที่เปลี่ยนแปลง (โดยปัจจัย Z2) พลังงานไอออไนเซชันของอะตอมคล้ายไฮโดรเจน (พลังงานจับอิเล็กตรอน) คือ (ใน eV)

ซึ่งให้ H, He +, Li 2+, ... ค่า 13.6 eV, 54.4 eV, 122.4 eV, ... .

สูตรพื้นฐาน (4) สอดคล้องกับนิพจน์ U(r) = -Ze 2 /r สำหรับพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอนใน สนามไฟฟ้านิวเคลียสที่มีประจุ +Ze สูตรนี้ได้รับมาครั้งแรกโดย N. Bohr โดยพิจารณาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสในวงโคจรเป็นวงกลมของรัศมี r และเป็นคำตอบที่แน่นอนของสมการชโรดิงเงอร์สำหรับระบบดังกล่าว ระดับพลังงาน (4) สอดคล้องกับวงโคจรของรัศมี

โดยที่ค่าคงที่ a 0 \u003d 0.529 10 -8 cm \u003d \u003d 0.529 A คือรัศมีของวงโคจรวงกลมแรกของอะตอมไฮโดรเจนที่สอดคล้องกับระดับพื้นดิน (รัศมี Bohr นี้มักใช้เป็นหน่วยที่สะดวกสำหรับการวัดความยาวใน ฟิสิกส์ปรมาณู) รัศมีของวงโคจรเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของเลขควอนตัมหลัก n 2 และแปรผกผันกับ Z สำหรับไอออนที่คล้ายไฮโดรเจน ขนาดของมิติเชิงเส้นจะลดลงตามค่า Z เมื่อเทียบกับอะตอมของไฮโดรเจน คำอธิบายเชิงสัมพัทธภาพของอะตอมไฮโดรเจนโดยคำนึงถึงการหมุนของอิเล็กตรอนนั้นมาจากสมการไดรัค

ตามกลศาสตร์ควอนตัมสถานะของอะตอมไฮโดรเจนนั้นถูกกำหนดโดยค่าที่ไม่ต่อเนื่องของปริมาณทางกายภาพสี่อย่าง: พลังงาน E; โมเมนต์การโคจร M l (โมเมนต์โมเมนตัมของอิเล็กตรอนสัมพันธ์กับนิวเคลียส); ประมาณการ M lz ของโมเมนตัมโคจรไปยังทิศทางที่เลือกโดยพลการ z; ประมาณการ M sz ของโมเมนตัมการหมุน (โมเมนตัมที่แท้จริงของโมเมนตัมของอิเล็กตรอน M s). ในทางกลับกันค่าที่เป็นไปได้ของปริมาณทางกายภาพเหล่านี้จะถูกกำหนดโดยตัวเลขควอนตัม n, l, m l , m s ตามลำดับ ในการประมาณเมื่อพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนอธิบายโดยสูตร (4) จะถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมหลัก n ซึ่งใช้ค่าจำนวนเต็ม 1, 2, 3, ... . ระดับพลังงานที่มี n ที่กำหนดนั้นสอดคล้องกับหลายสถานะที่แตกต่างกันในค่าของเลขควอนตัมวงโคจร (แอซิมุธาล) l = 0, 1, ..., n-1 รัฐที่มีค่าที่กำหนดของ n และ l มักจะแสดงเป็น 1s, 2s, 2p, 3s, ... โดยที่ตัวเลขระบุค่าของ n และตัวอักษร s, p, d, f (ต่อไปนี้ในภาษาละติน ตัวอักษร) - ตามลำดับค่า l \u003d 0, 1, 2, 3 สำหรับ n และ l ที่กำหนดจำนวนสถานะที่แตกต่างกันคือ 2(2l + 1) - จำนวนชุดค่าผสมของแม่เหล็ก หมายเลขควอนตัมวงโคจร m l ของหมายเลขการหมุนแม่เหล็ก m s (อันแรกใช้ค่า 2l + 1 ค่าที่สอง - 2) จำนวนรวมของสถานะที่แตกต่างกันโดยให้ n และ l คือ 2n 2 ดังนั้น ระดับพลังงานแต่ละระดับของอะตอมไฮโดรเจนจึงสอดคล้องกับ 2.8, 18,…2n 2 (ที่ n= 1, 2, 3, ...) สถานะควอนตัมคงที่ที่แตกต่างกัน หากสถานะควอนตัมเพียงสถานะเดียวสอดคล้องกับระดับพลังงาน เรียกว่าไม่เสื่อมสภาพ ถ้าสองสถานะหรือมากกว่า - เสื่อม (ดูความเสื่อมในทฤษฎีควอนตัม) และจำนวนสถานะดังกล่าว g เรียกว่า ระดับหรือหลายหลากของความเสื่อม (สำหรับ ระดับพลังงานที่ไม่เสื่อมสภาพ g = 1) ระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนจะเสื่อมลง และระดับความเสื่อมของอะตอมคือ g n = 2n 2

สำหรับสถานะต่าง ๆ ของอะตอมไฮโดรเจน จะได้การกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันด้วย ขึ้นอยู่กับจำนวนควอนตัม n, l และ ในเวลาเดียวกันความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสำหรับสถานะ s (l=0) จะแตกต่างจากศูนย์ที่อยู่ตรงกลางนั่นคือที่ตำแหน่งของนิวเคลียสและไม่ขึ้นอยู่กับ ทิศทาง (สมมาตรทรงกลม) และสำหรับสถานะที่เหลือ (l>0) จะเท่ากับศูนย์ที่ศูนย์กลางและขึ้นอยู่กับทิศทาง การกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสำหรับสถานะของอะตอมไฮโดรเจนที่มี n = 1, 2, 3 แสดงในรูปที่ 2 ขนาดของ "เมฆอิเล็กตรอน" เติบโตตามสูตร (6) ในสัดส่วนของ n2 (มาตราส่วนในรูปที่ 2 ลดลงเมื่อเคลื่อนที่จาก n = 1 เป็น n = 2 และจาก n = 2 เป็น n = 3) สถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนในไอออนคล้ายไฮโดรเจนนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัมสี่ตัว n, l, m l และ m s เช่นเดียวกับในอะตอมไฮโดรเจน การกระจายตัวของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนยังคงถูกรักษาไว้ เพียงแต่จะเพิ่มขึ้นด้วยค่า Z เท่านั้น

การกระทำกับอะตอมของเขตข้อมูลภายนอก. อะตอมเหมือน ระบบไฟฟ้าในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กภายนอกจะได้รับพลังงานเพิ่มเติม สนามไฟฟ้าทำให้อะตอมมีขั้ว - มันแทนที่เมฆอิเล็กตรอนที่สัมพันธ์กับนิวเคลียส (ดู ความสามารถในการโพลาไรซ์ของอะตอม ไอออน และโมเลกุล) และสนามแม่เหล็กปรับทิศทางโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส (มีโมเมนตัมการโคจร M l) และการหมุนของมัน สถานะต่างๆ ของอะตอมไฮโดรเจนที่มีพลังงานเท่ากัน E n ในสนามภายนอกสอดคล้องกับ ความหมายต่างกันพลังงานเพิ่มเติม ΔЕ และระดับพลังงานที่เสื่อมลง E n ถูกแบ่งออกเป็นหลายระดับย่อย ทั้งการแยกระดับพลังงานในสนามไฟฟ้า - เอฟเฟกต์สตาร์ค - และการแยกตัวในสนามแม่เหล็ก - เอฟเฟกต์ Zeeman - เป็นสัดส่วนกับความแรงของสนามที่สอดคล้องกัน

ปฏิกิริยาแม่เหล็กขนาดเล็กภายในอะตอมยังนำไปสู่การแยกระดับพลังงาน สำหรับอะตอมของไฮโดรเจนและไอออนคล้ายไฮโดรเจน มีปฏิสัมพันธ์แบบสปิน-ออร์บิท - อันตรกิริยาของสปินและโมเมนต์การโคจรของอิเล็กตรอน มันทำให้เกิดโครงสร้างที่เรียกว่าโครงสร้างที่ดีของระดับพลังงาน - การแยกระดับความตื่นเต้น E n (สำหรับ n>1) ออกเป็นระดับย่อย สำหรับระดับพลังงานทั้งหมดของอะตอมไฮโดรเจนนั้น โครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์ก็ถูกสังเกตเช่นกัน เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กขนาดเล็กมากของการหมุนของนิวเคลียร์กับโมเมนต์อิเล็กทรอนิกส์

เปลือกอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมหลายอิเล็กตรอน. ทฤษฎีของอะตอมที่มีอิเล็กตรอน 2 ตัวขึ้นไปนั้นมีความแตกต่างโดยพื้นฐานจากทฤษฎีของอะตอมไฮโดรเจนเนื่องจากในอะตอมดังกล่าวมีอนุภาคเหมือนกันซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน - อิเล็กตรอน แรงผลักซึ่งกันและกันของอิเล็กตรอนในอะตอมหลายอิเล็กตรอนช่วยลดความแข็งแรงของพันธะกับนิวเคลียส ตัวอย่างเช่น พลังงานการแยกตัวของอิเล็กตรอนเดี่ยวในฮีเลียมไอออน (He +) คือ 54.4 eV ในขณะที่ในอะตอมฮีเลียมที่เป็นกลางซึ่งเป็นผลมาจากการผลักอิเล็กตรอน พลังงานการแยกตัวของหนึ่งในนั้นลดลงเป็น 24.6 eV สำหรับอิเล็กตรอนชั้นนอกของอะตอมที่หนักกว่า ความแรงของพันธะที่ลดลงเนื่องจากการผลักโดยอิเล็กตรอนภายในนั้นสำคัญยิ่งกว่า บทบาทที่สำคัญในอะตอมของอิเล็กตรอนจำนวนมากนั้นเล่นโดยคุณสมบัติของอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่เหมือนกัน (ดูหลักการเอกลักษณ์) ที่มีการหมุน s = 1/2 ซึ่งหลักการของ Pauli นั้นใช้ได้ ตามหลักการนี้ ในระบบของอิเล็กตรอน ในแต่ละสถานะควอนตัมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนได้มากกว่าหนึ่งตัว ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม ตัวเลขบางตัวอิเล็กตรอน

เมื่อพิจารณาถึงความไม่สามารถแยกแยะได้ของอิเล็กตรอนที่มีปฏิสัมพันธ์กัน การพูดถึงสถานะควอนตัมของอะตอมโดยรวมก็เป็นเรื่องที่สมเหตุสมผล อย่างไรก็ตาม เราสามารถพิจารณาสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้โดยประมาณ และกำหนดลักษณะเฉพาะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวด้วยชุดของตัวเลขควอนตัม n, l, m l และ m s คล้ายกับอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน ในกรณีนี้ พลังงานอิเล็กตรอนไม่เพียงขึ้นอยู่กับ n เช่นเดียวกับในอะตอมไฮโดรเจน แต่ยังขึ้นกับ l ด้วย มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับ m l และ m s อิเล็กตรอนที่มี n และ l ที่กำหนดในอะตอมหลายอิเล็กตรอนมีพลังงานเท่ากันและก่อตัวเป็นเปลือกอิเล็กตรอนบางตัว อิเล็กตรอนที่เท่ากันและเปลือกที่เกิดขึ้นจากพวกมันจะถูกแสดงเช่นเดียวกับสถานะควอนตัมและระดับพลังงานที่กำหนด n และ l ด้วยสัญลักษณ์ ns, np, nd, nf, ... (สำหรับ 1 = 0, 1, 2, 3, ...) และพวกเขาพูดถึงอิเล็กตรอน 2p, เปลือก 3s และอื่น ๆ

ตามหลักการของ Pauli อิเล็กตรอน 2 ตัวในอะตอมจะต้องอยู่ในสถานะควอนตัมที่ต่างกัน ดังนั้น อย่างน้อยหนึ่งในสี่ของตัวเลขควอนตัม n, l, m l และ m s และสำหรับอิเล็กตรอนที่เท่ากัน (n ​​และ l เหมือนกัน) - โดยค่า m l และ m s . จำนวนคู่ ม.ล. , ม. , เช่น จำนวนสถานะควอนตัมต่างๆ ของอิเล็กตรอนที่ให้ n และ l คือระดับความเสื่อมของระดับพลังงาน g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ...... มันกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกอิเล็กตรอนที่เติมอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น s-, p-, d-, f-, ... เปลือกจึงเต็มไปด้วย 2, 6, 10, 14, ... อิเล็กตรอนโดยไม่คำนึงถึงค่าของ n อิเล็กตรอนที่ให้ n สร้างชั้นที่ประกอบด้วยเปลือกที่มี l = 0, 1, 2, ..., n - 1 และเต็มไปด้วย 2n 2 อิเล็กตรอนที่เรียกว่า K-, L-, M, N-layer เมื่อเสร็จแล้วเรามี:

ในแต่ละชั้น เปลือกที่มี l น้อยกว่าจะมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงกว่า ความแรงของพันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสจะลดลงเมื่อ n เพิ่มขึ้น และสำหรับ n ที่กำหนด จะเพิ่มขึ้นเป็น l ยิ่งอิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดในเปลือกที่สอดคล้องกันยิ่งอ่อนแอ ระดับพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้น นิวเคลียสที่มีค่า Z ที่กำหนดจะยึดอิเล็กตรอนตามลําดับความแรงของพันธะที่ลดลง: อิเล็กตรอนสองตัวแรก 1s จากนั้นอิเล็กตรอน 2s 2s อิเล็กตรอน 6 ตัว 2p เป็นต้น อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิดมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเหนือเปลือก - อิเล็กทรอนิกส์ การกำหนดค่า ตัวอย่างเช่น:

(จำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกที่กำหนดจะถูกระบุโดยดัชนีด้านบนขวา) ความเป็นช่วงเวลาในคุณสมบัติของธาตุนั้นพิจารณาจากความคล้ายคลึงกันของเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกของอะตอม ตัวอย่างเช่น อะตอมที่เป็นกลาง P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) มีอิเล็กตรอน p อยู่สามตัวในเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอก เช่น อะตอม N และมีความคล้ายคลึงกันในทางเคมีและคุณสมบัติทางกายภาพมากมาย .

อะตอมแต่ละอะตอมมีลักษณะเฉพาะด้วยโครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ปกติ ซึ่งได้มาจากอิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอมมีพันธะที่แน่นหนาที่สุด และรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ตื่นเต้นเร้าใจ เมื่ออิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่าถูกผูกมัดอย่างอ่อนกว่า - อยู่ที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น สำหรับอะตอมฮีเลียมพร้อมกับ 1s2 ปกติ การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ตื่นเต้นเป็นไปได้: 1s2s, 1s2p, ... (อิเล็กตรอนหนึ่งตัวถูกกระตุ้น), 2s 2, 2s2p, ... (อิเล็กตรอนทั้งสองตื่นเต้น) การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์บางอย่างสอดคล้องกับระดับพลังงานหนึ่งระดับของอะตอมโดยรวม หากเปลือกอิเล็กตรอนเต็มไปหมด (ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่าปกติของอะตอมคือ Ne 1s 2 2s 2 2р 6) และระดับพลังงานจำนวนหนึ่ง หากมีเปลือกที่เติมบางส่วน (เช่น โครงแบบปกติของอะตอมไนโตรเจนคือ 1s 2 2s 2 2p 3 ซึ่งเปลือก 2p จะถูกเติมครึ่งหนึ่ง) ในการปรากฏตัวของเปลือก d- และ f-shell ที่เติมบางส่วน จำนวนระดับพลังงานที่สอดคล้องกับการกำหนดค่าแต่ละแบบสามารถสูงถึงหลายร้อย ดังนั้นโครงร่างระดับพลังงานของอะตอมที่มีเปลือกที่เติมบางส่วนนั้นซับซ้อนมาก ระดับพลังงานพื้นฐานของอะตอมคือระดับต่ำสุดของโครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ปกติ

การเปลี่ยนแปลงของควอนตัมในอะตอม. ในการเปลี่ยนผ่านของควอนตัม อะตอมจะผ่านจากสถานะคงที่หนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง - จากระดับพลังงานหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง ในระหว่างการเปลี่ยนจากระดับพลังงานที่สูงขึ้น E ผม ไปเป็นระดับที่ต่ำกว่า Е ถึงอะตอมจะให้พลังงาน E ผม - E k ในระหว่างการเปลี่ยนสถานะย้อนกลับจะได้รับ สำหรับระบบควอนตัมใดๆ การเปลี่ยนผ่านของควอนตัมสำหรับอะตอมสามารถเป็นได้สองประเภท: มีการแผ่รังสี (การเปลี่ยนภาพด้วยแสง) และไม่มีการแผ่รังสี (การเปลี่ยนภาพแบบแผ่รังสีหรือไม่ใช้แสง) ลักษณะที่สำคัญที่สุดของการเปลี่ยนผ่านของควอนตัมคือความน่าจะเป็น ซึ่งกำหนดความถี่ของการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถเกิดขึ้นได้

ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านของควอนตัมด้วยการแผ่รังสี อะตอมจะดูดซับ (การเปลี่ยนภาพ E เป็น → E i) หรือปล่อย (การเปลี่ยนผ่าน E i → E เป็น) การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดซับและปล่อยออกมาจากอะตอมในรูปแบบของควอนตัมของแสง - โฟตอน - โดดเด่นด้วยความถี่การสั่น v ตามความสัมพันธ์:

โดยที่ hv คือพลังงานโฟตอน ความสัมพันธ์ (7) เป็นกฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับกระบวนการด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสี

อะตอมในสภาพพื้นดินสามารถดูดซับโฟตอนได้เท่านั้น ในขณะที่ในสภาวะตื่นเต้น อะตอมสามารถดูดซับและปล่อยโฟตอนได้ อะตอมอิสระในสถานะพื้นดินสามารถดำรงอยู่ได้อย่างไม่มีกำหนด ระยะเวลาที่อะตอมอยู่ในสถานะตื่นเต้น (ช่วงอายุของสถานะนี้) มีจำกัด อะตอมเองตามธรรมชาติ (โดยธรรมชาติ) สูญเสียพลังงานกระตุ้นบางส่วนหรือทั้งหมด ปล่อยโฟตอนและเคลื่อนที่ไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่า พร้อมกับการปล่อยตามธรรมชาติดังกล่าว การปล่อยที่ถูกกระตุ้นก็เป็นไปได้เช่นกัน ซึ่งเกิดขึ้น เช่นเดียวกับการดูดซับ ภายใต้การกระทำของโฟตอนที่มีความถี่เดียวกัน อายุการใช้งานของอะตอมที่ถูกกระตุ้นจะยิ่งสั้นลง ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองยิ่งมากขึ้น สำหรับอะตอมของไฮโดรเจนจะมีค่าอยู่ที่ 10 -8 วินาที

ชุดของความถี่ v ของการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ด้วยรังสีกำหนดสเปกตรัมอะตอมของอะตอมที่สอดคล้องกัน: ชุดของความถี่ของการเปลี่ยนจากระดับล่างถึงบนคือสเปกตรัมการดูดกลืน ชุดของความถี่ของการเปลี่ยนจากระดับบนลงล่างคือสเปกตรัมการปล่อย . การเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งในสเปกตรัมอะตอมสอดคล้องกับเส้นสเปกตรัมของความถี่ v.

ในการเปลี่ยนผ่านของควอนตัมที่ไม่แผ่รังสี อะตอมจะได้รับหรือให้พลังงานเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่นๆ ที่อะตอมชนกับก๊าซหรือถูกผูกมัดในระยะยาวในโมเลกุล ของเหลว หรือ ร่างกายที่แข็งแรง. ในแก๊ส อะตอมถือได้ว่าว่างในช่วงเวลาระหว่างการชนกัน ในระหว่างการชน (กระทบ) อะตอมสามารถไปที่ด้านล่างหรือ ระดับสูงพลังงาน. การชนกันดังกล่าวเรียกว่าไม่ยืดหยุ่น (ตรงข้ามกับการชนแบบยืดหยุ่น ซึ่งมีเพียงพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงแปลของอะตอมเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่พลังงานภายในยังคงไม่เปลี่ยนแปลง) กรณีพิเศษที่สำคัญคือการชนกันของอะตอมอิสระกับอิเล็กตรอน โดยปกติอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เร็วกว่าอะตอม เวลาในการชนกันนั้นสั้นมากและสามารถพูดถึงผลกระทบของอิเล็กตรอนได้ การกระตุ้นอะตอมโดยผลกระทบของอิเล็กตรอนเป็นวิธีหนึ่งในการกำหนดระดับพลังงานของอะตอม

เคมีและ คุณสมบัติทางกายภาพอะตอม. คุณสมบัติส่วนใหญ่ของอะตอมถูกกำหนดโดยโครงสร้างและลักษณะของเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอก ซึ่งอิเล็กตรอนถูกผูกมัดกับนิวเคลียสค่อนข้างอ่อน โครงสร้าง เปลือกชั้นในอะตอมซึ่งอิเล็กตรอนมีพันธะที่แน่นหนากว่ามาก (พลังงานจับของหลายร้อยหลายพันและหลายหมื่น eV) ปรากฏเฉพาะในปฏิสัมพันธ์ของอะตอมกับอนุภาคที่รวดเร็วและโฟตอนของพลังงานสูง (มากกว่าหลายร้อย eV) . ปฏิกิริยาดังกล่าวกำหนดสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ของอะตอมและการกระเจิงของอนุภาคเร็ว (ดู การเลี้ยวเบนของอนุภาค) มวลของอะตอมเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกลของมันระหว่างการเคลื่อนที่ของอะตอมโดยรวม - ปริมาณของการเคลื่อนไหว พลังงานจลน์ เรโซแนนซ์เรโซแนนซ์และคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ของอะตอมขึ้นอยู่กับโมเมนต์ทางกลและโมเมนต์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องของอะตอม (ดูอิเลคตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์

อิเล็กตรอนของเปลือกนอกของอะตอมสามารถสัมผัสกับอิทธิพลภายนอกได้อย่างง่ายดาย เมื่ออะตอมเข้าใกล้กัน จะเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตที่รุนแรงขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่การก่อตัวของพันธะเคมี ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิตที่อ่อนแอกว่าของสองอะตอมนั้นแสดงออกมาในโพลาไรเซชันซึ่งกันและกัน - การกระจัดของอิเล็กตรอนที่สัมพันธ์กับนิวเคลียสซึ่งแรงที่สุดสำหรับอิเล็กตรอนภายนอกที่ถูกผูกไว้อย่างอ่อน แรงดึงดูดของโพลาไรเซชันเกิดขึ้นระหว่างอะตอมซึ่งต้องคำนึงถึงระยะห่างระหว่างกันอย่างมาก โพลาไรซ์ของอะตอมยังเกิดขึ้นในสนามไฟฟ้าภายนอก เป็นผลให้ระดับพลังงานของอะตอมเปลี่ยนไปและสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือระดับพลังงานที่เสื่อมโทรมจะถูกแยกออก (เอฟเฟกต์สตาร์ก) โพลาไรเซชันของอะตอมสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้อิทธิพลของ สนามไฟฟ้าคลื่นแสง (แม่เหล็กไฟฟ้า); มันขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงซึ่งกำหนดขึ้นอยู่กับมันและดัชนีการหักเหของแสง (ดู การกระจายแสง) ที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการโพลาไรซ์ของอะตอม ปิดการเชื่อมต่อ ลักษณะทางแสงอะตอมที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้านั้นแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสเปกตรัมแสง

คุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอมนั้นพิจารณาจากโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนเป็นหลัก โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมขึ้นอยู่กับโมเมนต์ทางกลของมัน (ดูอัตราส่วนแมกนีโต-กลศาสตร์) ในอะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนเต็ม ศูนย์ตลอดจนโมเมนต์เชิงกล อะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกเต็มบางส่วนมีโมเมนต์แม่เหล็กไม่เป็นศูนย์และเป็นพาราแมกเนติก ในสนามแม่เหล็กภายนอก อะตอมทุกระดับซึ่งโมเมนต์แม่เหล็กไม่เท่ากับศูนย์ จะถูกแยกออก - เอฟเฟกต์ Zeeman เกิดขึ้น อะตอมทั้งหมดมีไดอะแมกเนติกซึ่งเกิดจากการปรากฏตัวของโมเมนต์แม่เหล็กภายใต้อิทธิพลของภายนอก สนามแม่เหล็ก(เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กเหนี่ยวนำ คล้ายกับโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอะตอม)

ด้วยการแตกตัวเป็นไอออนต่อเนื่องของอะตอม กล่าวคือ เมื่อแยกอิเล็กตรอนออกจากตัวนอกสุดเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของพันธะ คุณสมบัติทั้งหมดของอะตอมที่กำหนดโดยเปลือกนอกของมันจะเปลี่ยนไปตามนั้น อิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดอย่างแน่นหนามากขึ้นกลายเป็นภายนอก ส่งผลให้ความสามารถของอะตอมในการโพลาไรซ์ในสนามไฟฟ้าลดลงอย่างมาก ระยะห่างระหว่างระดับพลังงานและความถี่ของการเปลี่ยนภาพทางแสงระหว่างระดับเหล่านี้เพิ่มขึ้น (ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนสเปกตรัมไปสู่ความยาวคลื่นที่สั้นลงกว่าเดิม) คุณสมบัติหลายประการแสดงความเป็นคาบ: คุณสมบัติของไอออนที่มีอิเลคตรอนภายนอกคล้ายคลึงกันกลายเป็นความคล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น N 3+ (อิเล็กตรอน 2s สองตัว) แสดงความคล้ายคลึงกับ N 5+ (อิเล็กตรอน 1s สองตัว) สิ่งนี้ใช้กับลักษณะเฉพาะและการจัดเรียงระดับพลังงานสัมพัทธ์และสเปกตรัมออปติคัล กับโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอม และอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่น่าทึ่งที่สุดเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนตัวสุดท้ายถูกกำจัดออกจาก เปลือกนอกเมื่อเหลือแต่เชลล์ที่เติมอย่างสมบูรณ์เท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อเปลี่ยนจาก N 4+ เป็น N 5+ (การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ 1s 2 2s และ 1s 2) ในกรณีนี้ ไอออนจะมีความเสถียรมากที่สุด และโมเมนต์ทางกลทั้งหมดและโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดจะเท่ากับศูนย์

คุณสมบัติของอะตอมใน รัฐที่ถูกผูกไว้(ตัวอย่างเช่น ส่วนหนึ่งของโมเลกุล) แตกต่างจากคุณสมบัติของอะตอมอิสระ คุณสมบัติของอะตอมได้รับการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ที่สุด โดยพิจารณาจากอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดที่มีส่วนร่วมในการเติมอะตอมให้กับอีกอะตอมหนึ่ง ในเวลาเดียวกัน คุณสมบัติที่กำหนดโดยอิเล็กตรอนของเปลือกชั้นในอาจยังคงไม่เปลี่ยนแปลงอย่างแท้จริง เช่นเดียวกับกรณีของสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ คุณสมบัติบางอย่างของอะตอมอาจมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ซึ่งสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติของปฏิกิริยาของอะตอมที่ถูกผูกไว้ได้ ตัวอย่างที่สำคัญคือการแยกระดับพลังงานปรมาณูในผลึกและสารประกอบเชิงซ้อน ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากไอออนโดยรอบ

วิธีทดลองในการศึกษาโครงสร้างของอะตอม ระดับพลังงาน ปฏิสัมพันธ์กับอะตอมอื่น อนุภาคมูลฐาน โมเลกุล สนามภายนอก และอื่นๆ มีความหลากหลาย แต่ข้อมูลหลักมีอยู่ในสเปกตรัม วิธีการของอะตอมมิกสเปกโตรสโคปีในทุกช่วงความยาวคลื่น และโดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการของเลเซอร์สเปกโทรสโกปีสมัยใหม่ ทำให้สามารถศึกษาผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับอะตอมมากขึ้นเรื่อยๆ ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์เห็นการมีอยู่ของอะตอมได้ชัดเจน แต่การทดลองเพื่อพิสูจน์ความจริงของการมีอยู่ของมันถูกกำหนดขึ้นโดย J. Perrin เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ด้วยการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ทำให้สามารถรับภาพของอะตอมบนพื้นผิวของของแข็งได้ E. Muller (USA, 1955) เห็นอะตอมเป็นครั้งแรกด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์สนามไอออนที่เขาคิดค้น แรงปรมาณูและกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สมัยใหม่ทำให้ได้ภาพพื้นผิวของของแข็งที่มีความละเอียดดีที่ ระดับอะตอม(ดูรูปที่ 3)

ข้าว. 3. ภาพโครงสร้างอะตอมของพื้นผิวซิลิกอน ที่ได้จากศาสตราจารย์ M. Kapstell จากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด โดยใช้กล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์

อะตอมที่แปลกใหม่มีอยู่และใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาต่างๆ เช่น อะตอมมิวนิก เช่น อะตอมที่อิเล็กตรอนทั้งหมดหรือบางส่วนถูกแทนที่ด้วยมิวออนเชิงลบ มิวเนียม โพซิทรอนเนียม และอะตอมของฮาดโรนิก ซึ่งประกอบด้วยพีออนที่มีประจุ , kaons, โปรตอน, ดิวเทอรอน ฯลฯ การสังเกตครั้งแรกของอะตอมของแอนติไฮโดรเจนก็ถูกสร้างขึ้นเช่นกัน (2002) - อะตอมที่ประกอบด้วยโพซิตรอนและแอนติโปรตอน

Lit.: เกิด M. ฟิสิกส์ปรมาณู ฉบับที่ 3 ม., 1970; Fano U. , Fano L. ฟิสิกส์ของอะตอมและโมเลกุล ม., 1980; Shpolsky E.V. ฟิสิกส์ปรมาณู ฉบับที่ 7 ม., 1984. ต. 1-2; Elyashevich MA อะตอมมิกและโมเลกุลสเปกโตรสโคปี ฉบับที่ 2 ม., 2000.

องค์ประกอบของอะตอม

อะตอมประกอบด้วย นิวเคลียสของอะตอมและ เปลือกอิเล็กตรอน.

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน ( p+) และนิวตรอน ( น 0). อะตอมไฮโดรเจนส่วนใหญ่มีนิวเคลียสโปรตอนเดียว

จำนวนโปรตอน นู๋(p+) เท่ากับประจุนิวเคลียร์ ( Z) และเลขลำดับขององค์ประกอบในชุดองค์ประกอบตามธรรมชาติ (และในระบบธาตุเป็นระยะ)

นู๋(พี +) = Z

ผลรวมของจำนวนนิวตรอน นู๋(น 0) แสดงโดยตัวอักษร นู๋และจำนวนโปรตอน Zเรียกว่า เลขมวลและมีเครื่องหมาย แต่.

อา = Z + นู๋

เปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ( อี -).

จำนวนอิเล็กตรอน นู๋(อี-) ในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมที่เป็นกลางเท่ากับจำนวนโปรตอน Zที่แกนกลางของมัน

มวลของโปรตอนมีค่าเท่ากับมวลของนิวตรอนและประมาณ 1840 เท่าของมวลอิเล็กตรอน ดังนั้นมวลของอะตอมจึงเท่ากับมวลของนิวเคลียส

รูปร่างของอะตอมเป็นทรงกลม รัศมีของนิวเคลียสนั้นเล็กกว่ารัศมีของอะตอมประมาณ 100,000 เท่า

องค์ประกอบทางเคมี- ประเภทของอะตอม (ชุดของอะตอม) ที่มีประจุนิวเคลียร์เท่ากัน (โดยมีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากัน)

ไอโซโทป- ชุดอะตอมของธาตุหนึ่งที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากันในนิวเคลียส (หรืออะตอมชนิดหนึ่งที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันและจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเท่ากัน)

ไอโซโทปที่แตกต่างกันมีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมแตกต่างกัน

การกำหนดอะตอมหรือไอโซโทปเดี่ยว: (สัญลักษณ์องค์ประกอบ E) ตัวอย่างเช่น: .

โครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม

วงโคจรของอะตอมคือสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอม สัญลักษณ์วงโคจร - . แต่ละวงโคจรสอดคล้องกับเมฆอิเล็กตรอน

ออร์บิทัลของอะตอมจริงในสถานะพื้นดิน (ไม่ถูกกระตุ้น) มีสี่ประเภท: ส, พี, dและ ฉ.

คลาวด์อิเล็กทรอนิกส์- ส่วนของช่องว่างที่สามารถพบอิเล็กตรอนด้วยความน่าจะเป็น 90 (หรือมากกว่า) เปอร์เซ็นต์

บันทึก: บางครั้งแนวคิดของ "atomic orbital" และ "electron cloud" ไม่แตกต่างกัน เรียกทั้งสองว่า "atomic orbital"

เปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมมีชั้น ชั้นอิเล็กทรอนิกส์เกิดจากเมฆอิเล็กตรอนที่มีขนาดเท่ากัน ออร์บิทัลของรูปแบบชั้นเดียว ระดับอิเล็กทรอนิกส์ ("พลังงาน"), พลังงานของพวกมันเหมือนกันสำหรับอะตอมไฮโดรเจน แต่ต่างกันสำหรับอะตอมอื่นๆ

ออร์บิทัลในระดับเดียวกันแบ่งออกเป็น อิเล็กทรอนิกส์ (พลังงาน)ระดับย่อย:
ส- ระดับย่อย (ประกอบด้วยหนึ่ง ส-ออร์บิทัล) เครื่องหมาย - .
พีระดับย่อย (ประกอบด้วยสาม พี
dระดับย่อย (ประกอบด้วยห้า d-orbitals) สัญลักษณ์ - .
ฉระดับย่อย (ประกอบด้วยเจ็ด ฉ-orbitals) สัญลักษณ์ - .

พลังงานของออร์บิทัลในระดับย่อยเดียวกันนั้นเท่ากัน

เมื่อกำหนดระดับย่อย จำนวนของเลเยอร์ (ระดับอิเล็กทรอนิกส์) จะถูกเพิ่มลงในสัญลักษณ์ระดับย่อย เช่น 2 ส, 3พี, 5dวิธี ส- ระดับย่อยของระดับที่สอง พี- ระดับย่อยของระดับที่สาม d- ระดับย่อยของระดับที่ห้า

จำนวนระดับย่อยทั้งหมดในระดับหนึ่งเท่ากับจำนวนระดับ น. จำนวนออร์บิทัลทั้งหมดในระดับหนึ่งคือ น 2. ดังนั้นจำนวนเมฆทั้งหมดในชั้นเดียวก็เช่นกัน น 2 .

การกำหนด: - การโคจรอิสระ (ไม่มีอิเล็กตรอน) - การโคจรด้วยอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ - การโคจรด้วยอิเล็กตรอนคู่ (มีอิเล็กตรอนสองตัว)

ลำดับที่อิเล็กตรอนเติมออร์บิทัลของอะตอมนั้นถูกกำหนดโดยกฎธรรมชาติสามประการ (กำหนดสูตรด้วยวิธีที่ง่ายขึ้น):

1. หลักการของพลังงานน้อยที่สุด - อิเล็กตรอนเติมออร์บิทัลตามลำดับการเพิ่มพลังงานของออร์บิทัล

2. หลักการของ Pauli - ในหนึ่งออร์บิทัลต้องมีอิเล็กตรอนไม่เกินสองตัว

3. กฎของ Hund - ภายในระดับย่อย อิเล็กตรอนจะเติมออร์บิทัลอิสระก่อน (ทีละครั้ง) และหลังจากนั้นจะสร้างคู่อิเล็กตรอน

จำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในระดับอิเล็กทรอนิกส์ (หรือในชั้นอิเล็กทรอนิกส์) คือ2 น 2 .

การกระจายของระดับย่อยตามพลังงานจะแสดงต่อไป (ตามลำดับการเพิ่มพลังงาน):

1ส, 2ส, 2พี, 3ส, 3พี, 4ส, 3d, 4พี, 5ส, 4d, 5พี, 6ส, 4ฉ, 5d, 6พี, 7ส, 5ฉ, 6d, 7พี ...

ด้วยสายตา ลำดับนี้แสดงโดยแผนภาพพลังงาน:

การกระจายตัวของอิเล็กตรอนของอะตอมตามระดับ ระดับย่อย และออร์บิทัล (การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม) สามารถแสดงได้ในรูปของสูตรอิเล็กทรอนิกส์ แผนภาพพลังงาน หรือแบบง่ายๆ ในรูปแบบของแผนภาพชั้นอิเล็กตรอน (" แผนภาพอิเล็กทรอนิกส์")

ตัวอย่างโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม:

วาเลนซ์อิเล็กตรอน- อิเล็กตรอนของอะตอมที่สามารถมีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะเคมี. สำหรับอะตอมใด ๆ สิ่งเหล่านี้คืออิเล็กตรอนภายนอกทั้งหมดบวกกับอิเล็กตรอนภายนอกที่มีพลังงานมากกว่าอิเล็กตรอนภายนอก ตัวอย่างเช่น: อะตอมของ Ca มีอิเล็กตรอนภายนอก 4 ตัว ส 2 พวกเขายังมีความจุ; อะตอม Fe มีอิเล็กตรอนภายนอก - 4 ส 2 แต่เขามี 3 d 6 ดังนั้น อะตอมของเหล็กจึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 8 ตัว Valence สูตรอิเล็กทรอนิกส์อะตอมแคลเซียม - 4 ส 2 และอะตอมของเหล็ก - 4 ส 2 3d 6 .

ระบบธาตุเคมีของ D.I. Mendeleev
(ระบบธรรมชาติขององค์ประกอบทางเคมี)

กฎธาตุของธาตุเคมี(สูตรที่ทันสมัย): คุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมีเช่นเดียวกับสารที่ง่ายและซับซ้อนที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับค่าของประจุจากนิวเคลียสของอะตอมเป็นระยะ

ระบบธาตุ- การแสดงออกทางกราฟิกของกฎหมายเป็นระยะ

องค์ประกอบทางเคมีตามธรรมชาติ- องค์ประกอบทางเคมีจำนวนหนึ่งซึ่งจัดเรียงตามจำนวนโปรตอนที่เพิ่มขึ้นในนิวเคลียสของอะตอมหรืออะไรที่คล้ายกันตามการเพิ่มขึ้นของประจุของนิวเคลียสของอะตอมเหล่านี้ หมายเลขซีเรียลของธาตุในอนุกรมนี้เท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมใดๆ ของธาตุนี้

ตารางองค์ประกอบทางเคมีถูกสร้างขึ้นโดย "ตัด" ชุดองค์ประกอบทางเคมีตามธรรมชาติเป็น ช่วงเวลา(แถวแนวนอนของตาราง) และการจัดกลุ่ม (คอลัมน์แนวตั้งของตาราง) ขององค์ประกอบที่มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่คล้ายกันของอะตอม

ขึ้นอยู่กับวิธีการรวมองค์ประกอบเข้าเป็นกลุ่ม ตารางสามารถเป็น ระยะเวลานาน(องค์ประกอบที่มีจำนวนและชนิดของเวเลนซ์อิเล็กตรอนเหมือนกันจะถูกรวบรวมเป็นกลุ่ม) และ ในระยะสั้น(องค์ประกอบที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันจะถูกรวบรวมเป็นกลุ่ม)

กลุ่มของตารางระยะเวลาสั้นแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อย ( หลักและ ผลข้างเคียง) ประจวบกับกลุ่มตารางระยะยาว

อะตอมของธาตุทั้งหมดในคาบเดียวกัน เบอร์เดียวกันชั้นอิเล็กทรอนิกส์ เท่ากับจำนวนงวด

จำนวนองค์ประกอบในช่วงเวลา: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32 องค์ประกอบส่วนใหญ่ของยุคที่แปดนั้นได้มาจากการปลอมแปลงองค์ประกอบสุดท้ายของช่วงเวลานี้ยังไม่ได้สังเคราะห์ ทุกช่วงเวลายกเว้นครั้งแรกที่เริ่มต้นด้วยองค์ประกอบการขึ้นรูปโลหะอัลคาไล (Li, Na, K, ฯลฯ ) และสิ้นสุดด้วยองค์ประกอบการขึ้นรูปก๊าซมีตระกูล (He, Ne, Ar, Kr, ฯลฯ )

ในตารางระยะเวลาสั้น - แปดกลุ่มซึ่งแต่ละกลุ่มแบ่งออกเป็นสองกลุ่มย่อย (หลักและรอง) ในตารางระยะเวลายาว - สิบหกกลุ่มซึ่งมีตัวเลขเป็นตัวเลขโรมันด้วยตัวอักษร A หรือ B เช่น: IA IIIB, ผ่าน, VIIB กลุ่ม IA ของตารางระยะเวลายาวสอดคล้องกับกลุ่มย่อยหลักของกลุ่มแรกของตารางระยะเวลาสั้น กลุ่ม VIIB - กลุ่มย่อยรองของกลุ่มที่เจ็ด: ส่วนที่เหลือ - ในทำนองเดียวกัน

ลักษณะขององค์ประกอบทางเคมีตามธรรมชาติจะเปลี่ยนแปลงเป็นกลุ่มและรอบระยะเวลา

ในช่วงเวลา (ที่มีหมายเลขซีเรียลเพิ่มขึ้น)

• ประจุนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น
• จำนวนอิเล็กตรอนภายนอกเพิ่มขึ้น
• รัศมีของอะตอมลดลง
• ความแข็งแรงพันธะของอิเล็กตรอนที่มีนิวเคลียสเพิ่มขึ้น (พลังงานไอออไนเซชัน)
• อิเล็กโตรเนกาติวีตี้เพิ่มขึ้น
• กระชับ คุณสมบัติการออกซิไดซ์สารง่าย ๆ ("ไม่ใช่โลหะ")
• คุณสมบัติการลดของสารธรรมดา ("โลหะ") ลดลง
• ทำให้คุณสมบัติพื้นฐานของไฮดรอกไซด์และออกไซด์ที่เกี่ยวข้องอ่อนแอลง
• ลักษณะที่เป็นกรดของไฮดรอกไซด์และออกไซด์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้น

ในกลุ่ม (มีหมายเลขซีเรียลเพิ่มขึ้น)

• ประจุนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น
• รัศมีของอะตอมเพิ่มขึ้น (เฉพาะในกลุ่ม A)
• ความแรงของพันธะระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสลดลง (พลังงานไอออไนเซชันเฉพาะในกลุ่ม A)
• อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ลดลง (เฉพาะในกลุ่ม A)
• ทำให้คุณสมบัติการออกซิไดซ์ของสารง่าย ๆ ลดลง ("ไม่ใช่โลหะ" เฉพาะในกลุ่ม A)
• คุณสมบัติการลดของสารธรรมดาได้รับการปรับปรุง ("โลหะ" เฉพาะในกลุ่ม A)
• ลักษณะพื้นฐานของไฮดรอกไซด์และออกไซด์ที่สอดคล้องกันจะเพิ่มขึ้น (เฉพาะในกลุ่ม A)
• ธรรมชาติที่เป็นกรดของไฮดรอกไซด์และออกไซด์ที่เกี่ยวข้องจะอ่อนตัวลง (เฉพาะในกลุ่ม A)
• เสถียรภาพลดลง สารประกอบไฮโดรเจน(กิจกรรมการลดของพวกเขาเพิ่มขึ้นเฉพาะในกลุ่ม A)

งานและการทดสอบในหัวข้อ "หัวข้อ 9 "โครงสร้างของอะตอม กฎธาตุและระบบธาตุเคมีของ D.I. Mendeleev (PSCE)"

• กฎหมายเป็นระยะ - กฎธาตุและโครงสร้างของอะตอมระดับ 8–9
  คุณควรรู้: กฎของการเติมออร์บิทัลด้วยอิเล็กตรอน (หลักการของพลังงานน้อยที่สุด, หลักการของ Pauli, กฎของ Hund), โครงสร้างของระบบธาตุเป็นระยะ

  คุณควรจะสามารถ: กำหนดองค์ประกอบของอะตอมตามตำแหน่งขององค์ประกอบในระบบธาตุและในทางกลับกัน ค้นหาองค์ประกอบในระบบธาตุโดยรู้องค์ประกอบของธาตุนั้น แสดงถึงไดอะแกรมโครงสร้าง การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม ไอออน และในทางกลับกัน กำหนดตำแหน่งขององค์ประกอบทางเคมีใน PSCE จากไดอะแกรมและการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ จำแนกลักษณะองค์ประกอบและสารที่ก่อตัวตามตำแหน่งใน PSCE กำหนดการเปลี่ยนแปลงรัศมีของอะตอม คุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมี และสารที่ก่อตัวภายในระยะเวลาหนึ่งและกลุ่มย่อยหลักหนึ่งกลุ่มของระบบธาตุ

  ตัวอย่าง 1กำหนดจำนวนออร์บิทัลในระดับอิเล็กทรอนิกส์ที่สาม ออร์บิทัลเหล่านี้คืออะไร?
  ในการกำหนดจำนวนออร์บิทัล เราใช้สูตร นู๋ออร์บิทัล = น 2 ที่ไหน น- หมายเลขระดับ นู๋ออร์บิทัล = 3 2 = 9. หนึ่ง 3 ส-, สาม 3 พี- และห้า3 d-ออร์บิทัล

  ตัวอย่าง 2กำหนดอะตอมของธาตุที่มีสูตรอิเล็กทรอนิกส์ 1 ส 2 2ส 2 2พี 6 3ส 2 3พี 1 .
  คุณจำเป็นต้องค้นหาหมายเลขประจำเครื่อง ซึ่งเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอม ในกรณีนี้: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13 นี่คืออลูมิเนียม

  หลังจากแน่ใจว่าได้เรียนรู้ทุกสิ่งที่คุณต้องการแล้ว ให้ดำเนินการตามภารกิจ เราหวังว่าคุณจะประสบความสำเร็จ

  
  วรรณกรรมที่แนะนำ:
  • O. S. Gabrielyan and others. เคมี, เกรด 11. ม. บัสตาร์ด 2545;
  • G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. เคมี 11 เซลล์ ม.การศึกษา, 2544.

ตั้งแต่สมัยโบราณจนถึงกลางศตวรรษที่ 18 วิทยาศาสตร์ถูกครอบงำด้วยแนวคิดที่ว่าอะตอมเป็นอนุภาคของสสารที่ไม่สามารถแบ่งออกได้ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เช่นเดียวกับนักธรรมชาติวิทยา ดี. ดาลตัน ได้นิยามอะตอมว่าเป็นองค์ประกอบที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมี M.V. Lomonosov ในทฤษฎีอะตอมและโมเลกุลของเขาสามารถกำหนดอะตอมและโมเลกุลได้ เขาแน่ใจว่าโมเลกุลซึ่งเขาเรียกว่า "คอร์ปัสเคิล" นั้นประกอบด้วย "องค์ประกอบ" - อะตอม - และเคลื่อนที่ตลอดเวลา

D.I. Mendeleev เชื่อว่าหน่วยย่อยของสารที่ประกอบกันเป็นโลกแห่งวัสดุยังคงรักษาคุณสมบัติทั้งหมดไว้ได้ก็ต่อเมื่อไม่ได้ถูกแยกออก ในบทความนี้ เราจะนิยามอะตอมว่าเป็นวัตถุของไมโครเวิลด์และศึกษาคุณสมบัติของอะตอม

ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการสร้างทฤษฎีโครงสร้างของอะตอม

ในศตวรรษที่ 19 ข้อความเกี่ยวกับความไม่สามารถแบ่งแยกได้ของอะตอมได้รับการยอมรับโดยทั่วไป นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าอนุภาคขององค์ประกอบทางเคมีหนึ่งไม่ว่าในกรณีใด ๆ สามารถกลายเป็นอะตอมขององค์ประกอบอื่นได้ แนวคิดเหล่านี้เป็นพื้นฐานของคำจำกัดความของอะตอมจนถึงปี พ.ศ. 2475 ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 มีการค้นพบพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่เปลี่ยนมุมมองนี้ ประการแรก ในปี พ.ศ. 2440 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เจ.เจ. ทอมสัน ค้นพบอิเล็กตรอน ความจริงข้อนี้เปลี่ยนความคิดของนักวิทยาศาสตร์อย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับการแยกตัวไม่ออกขององค์ประกอบทางเคมี

วิธีพิสูจน์ว่าอะตอมมีความซับซ้อน

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์เห็นพ้องต้องกันอย่างเป็นเอกฉันท์ว่าอะตอมไม่มีประจุ จากนั้นจึงพบว่าอิเล็กตรอนหลุดออกจากองค์ประกอบทางเคมีได้ง่าย สามารถพบได้ในเปลวไฟ พวกมันเป็นพาหะ กระแสไฟฟ้าพวกมันถูกปล่อยออกมาจากสารในระหว่างการฉายรังสีเอกซ์

แต่ถ้าอิเล็กตรอนเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้นและมีประจุลบ ก็ยังมีอนุภาคบางตัวในอะตอมที่จำเป็นต้องมีประจุบวก มิฉะนั้น อะตอมจะไม่เป็นกลางทางไฟฟ้า เพื่อช่วยคลี่คลายโครงสร้างของอะตอมจึงช่วยปรากฏการณ์ทางกายภาพเช่นกัมมันตภาพรังสี มันให้คำจำกัดความที่ถูกต้องของอะตอมในวิชาฟิสิกส์ และจากนั้นในวิชาเคมี

รังสีที่มองไม่เห็น

นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส A. Becquerel เป็นคนแรกที่อธิบายปรากฏการณ์การปล่อยก๊าซโดยอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีบางชนิด รังสีที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า พวกมันแตกตัวเป็นไอออนในอากาศ ผ่านสาร ทำให้เกิดการดำคล้ำของแผ่นภาพถ่าย ต่อมา คู่สมรสของคูรีพบว่าสารกัมมันตภาพรังสีจะถูกแปลงเป็นอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีอื่น ๆ (เช่น ยูเรเนียมเป็นเนปทูเนียม)

รังสีกัมมันตภาพรังสีมีองค์ประกอบต่างกัน: อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา รังสีแกมมา ดังนั้นปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีจึงยืนยันว่าอนุภาคของธาตุในตารางธาตุมี โครงสร้างที่ซับซ้อน. ความจริงข้อนี้เป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงคำจำกัดความของอะตอม อะตอมประกอบด้วยอนุภาคใดบ้าง เมื่อพิจารณาข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ใหม่ที่ได้รับจากรัทเทอร์ฟอร์ด คำตอบสำหรับคำถามนี้คือแบบจำลองนิวเคลียร์ของอะตอมที่นักวิทยาศาสตร์เสนอ ซึ่งอิเล็กตรอนจะหมุนรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวก

ความขัดแย้งของแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

ทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์ถึงแม้จะมีลักษณะที่โดดเด่น แต่ก็ไม่สามารถกำหนดอะตอมได้อย่างเป็นกลาง ข้อสรุปของเธอขัดกับกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ตามที่อิเล็กตรอนทั้งหมดที่หมุนรอบนิวเคลียสสูญเสียพลังงานและไม่ว่าจะต้องตกอยู่ในนั้นไม่ช้าก็เร็ว อะตอมจะถูกทำลายในกรณีนี้ สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นจริง เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีและอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบนั้นมีอยู่ในธรรมชาติเป็นเวลานานมาก คำจำกัดความของอะตอมดังกล่าวซึ่งอิงตามทฤษฎีของรัทเธอร์ฟอร์ดนั้นไม่สามารถอธิบายได้ เช่นเดียวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อสารร้อนง่าย ๆ ถูกส่งผ่านตะแกรงเลี้ยวเบน ท้ายที่สุดแล้วสเปกตรัมของอะตอมที่ได้จะมีรูปร่างเป็นเส้นตรง สิ่งนี้ขัดแย้งกับแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด ซึ่งสเปกตรัมควรจะต่อเนื่องกัน ตามแนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนในนิวเคลียสไม่ได้มีลักษณะเป็นวัตถุแบบชี้ แต่มีรูปแบบของเมฆอิเล็กตรอน

ความหนาแน่นสูงสุดของมันอยู่ในตำแหน่งหนึ่งของพื้นที่รอบนิวเคลียส และถือเป็นตำแหน่งของอนุภาคในช่วงเวลาที่กำหนด นอกจากนี้ยังพบว่าอิเล็กตรอนในอะตอมถูกจัดเรียงเป็นชั้นๆ จำนวนชั้นสามารถกำหนดได้โดยการทราบจำนวนช่วงเวลาที่องค์ประกอบนั้นอยู่ในระบบธาตุของ D. I. Mendeleev ตัวอย่างเช่น อะตอมของฟอสฟอรัสมีอิเล็กตรอน 15 ตัวและมีพลังงาน 3 ระดับ ตัวบ่งชี้ที่กำหนดจำนวนระดับพลังงานเรียกว่าเลขควอนตัมหลัก

จากการทดลองพบว่าอิเล็กตรอนระดับพลังงานใกล้กับนิวเคลียสมีพลังงานต่ำที่สุด เปลือกพลังงานแต่ละอันถูกแบ่งออกเป็นระดับย่อยและในทางกลับกันก็กลายเป็นออร์บิทัล อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรต่างกันจะมีรูปทรงเมฆเท่ากัน (s, p, d, f)

จากที่กล่าวมาข้างต้น จะทำให้รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนไม่เป็นไปโดยพลการ มันมีการกำหนดอย่างเคร่งครัดตาม orbital ให้เราเพิ่มด้วยว่าสถานะของอิเล็กตรอนในอนุภาคขนาดใหญ่นั้นถูกกำหนดโดยค่าอีกสองค่า - ตัวเลขแม่เหล็กและสปินควอนตัม ข้อแรกอิงจากสมการชโรดิงเงอร์และกำหนดลักษณะการวางแนวเชิงพื้นที่ของเมฆอิเล็กตรอนตามลักษณะสามมิติของโลกของเรา ตัวบ่งชี้ที่สองคือหมายเลขการหมุน ใช้เพื่อกำหนดการหมุนของอิเล็กตรอนรอบแกนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา

การค้นพบนิวตรอน

ขอบคุณงานของ D. Chadwick ซึ่งดำเนินการโดยเขาในปี 1932 คำจำกัดความใหม่ของอะตอมได้รับในวิชาเคมีและฟิสิกส์ ในการทดลองของเขา นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์ว่าในระหว่างการแยกตัวของพอโลเนียม การแผ่รังสีเกิดขึ้น ซึ่งเกิดจากอนุภาคที่ไม่มีประจุซึ่งมีมวล 1.008665 อนุภาคมูลฐานใหม่ถูกตั้งชื่อว่านิวตรอน การค้นพบและการศึกษาคุณสมบัติของมันทำให้นักวิทยาศาสตร์โซเวียต V. Gapon และ D. Ivanenko สร้างทฤษฎีใหม่ของโครงสร้างของนิวเคลียสอะตอมที่มีโปรตอนและนิวตรอน

ตามทฤษฎีใหม่ คำจำกัดความของอะตอมของสสารมีดังนี้: มันเป็นหน่วยโครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมี ซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ จำนวนอนุภาคบวกในนิวเคลียสจะเท่ากับเลขลำดับขององค์ประกอบทางเคมีในระบบธาตุเสมอ

ต่อมาศาสตราจารย์ A. Zhdanov ยืนยันในการทดลองของเขาว่าภายใต้อิทธิพลของรังสีคอสมิกอย่างหนัก นิวเคลียสของอะตอมแบ่งออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน นอกจากนี้ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่ากองกำลังที่ถือสิ่งเหล่านี้ อนุภาคมูลฐานในแกนกลางที่ใช้พลังงานอย่างมาก พวกมันทำงานในระยะที่สั้นมาก (ตามลำดับ 10 -23 ซม.) และเรียกว่านิวเคลียร์ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ แม้แต่ M.V. Lomonosov ก็สามารถกำหนดอะตอมและโมเลกุลตามข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ที่เขารู้จักได้

ในปัจจุบัน โมเดลต่อไปนี้ถือว่าเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป: อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ตัวตามวิถีโคจรที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด - ออร์บิทัล อิเล็กตรอนแสดงคุณสมบัติของอนุภาคและคลื่นพร้อมกัน กล่าวคือ มีลักษณะเป็นคู่ มวลเกือบทั้งหมดของมันกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่จับโดยกองกำลังนิวเคลียร์

เป็นไปได้ไหมที่จะชั่งน้ำหนักอะตอม

ปรากฎว่าทุกอะตอมมีมวล ตัวอย่างเช่น สำหรับไฮโดรเจน มันคือ 1.67x10 -24 กรัม เป็นการยากที่จะจินตนาการว่าค่านี้มีขนาดเล็กเพียงใด ในการหาน้ำหนักของวัตถุดังกล่าว พวกมันไม่ได้ใช้เครื่องชั่งน้ำหนัก แต่เป็นออสซิลเลเตอร์ซึ่งเป็นท่อนาโนคาร์บอน ในการคำนวณน้ำหนักของอะตอมและโมเลกุล ค่าที่สะดวกกว่าคือมวลสัมพัทธ์ มันแสดงให้เห็นว่าน้ำหนักของโมเลกุลหรืออะตอมมากกว่า 1/12 ของอะตอมคาร์บอนเป็นจำนวนเท่าใด ซึ่งก็คือ 1.66x10 -27 กก. มวลอะตอมสัมพัทธ์จะได้รับในระบบธาตุเคมีเป็นระยะและไม่มีมิติ

นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่า มวลอะตอมองค์ประกอบทางเคมีคือค่าเฉลี่ย เลขมวลไอโซโทปทั้งหมดของมัน ปรากฎว่าโดยธรรมชาติแล้ว หน่วยขององค์ประกอบทางเคมีหนึ่งชนิดสามารถมีมวลต่างกันได้ ในกรณีนี้ ประจุของนิวเคลียสของอนุภาคโครงสร้างดังกล่าวจะเท่ากัน

นักวิทยาศาสตร์พบว่าไอโซโทปมีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสแตกต่างกัน และประจุของนิวเคลียสก็เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น อะตอมของคลอรีนที่มีมวล 35 ประกอบด้วย 18 นิวตรอนและ 17 โปรตอน และมีมวล 37 - 20 นิวตรอนและ 17 โปรตอน องค์ประกอบทางเคมีหลายชนิดเป็นส่วนผสมของไอโซโทป ตัวอย่างเช่น สารธรรมดาเช่นโพแทสเซียม อาร์กอน ออกซิเจนมีอะตอมขององค์ประกอบซึ่งเป็นตัวแทนของไอโซโทป 3 แบบที่แตกต่างกัน

ความหมายของอะตอมมิก

มันมีการตีความหลายอย่าง พิจารณาความหมายของคำนี้ในวิชาเคมี หากอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ สามารถมีอยู่อย่างน้อยในช่วงเวลาสั้น ๆ แยกจากกันโดยไม่ต้องพยายามสร้างอนุภาคที่ซับซ้อนมากขึ้น - โมเลกุลก็บอกว่าสารดังกล่าวมีโครงสร้างอะตอม ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาคลอรีนมีเทนแบบหลายขั้นตอน มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเคมีของการสังเคราะห์สารอินทรีย์เพื่อให้ได้อนุพันธ์ที่มีฮาโลเจนที่สำคัญที่สุด ได้แก่ ไดคลอโรมีเทน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ มันแยกโมเลกุลคลอรีนออกเป็นอะตอมที่มีปฏิกิริยาสูง พวกเขาทำลายพันธะซิกมาในโมเลกุลมีเทนโดยให้ ปฏิกิริยาลูกโซ่การแทน.

อีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการทางเคมีที่มี สำคัญมากในอุตสาหกรรมการใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นสารฆ่าเชื้อและสารฟอกขาว การหาปริมาณออกซิเจนอะตอมมิกเป็นผลจากการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ เกิดขึ้นทั้งในเซลล์ที่มีชีวิต (ภายใต้การกระทำของเอนไซม์คาตาเลส) และในห้องปฏิบัติการ กำหนดคุณภาพโดยคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระสูงรวมถึงความสามารถในการทำลายสารก่อโรค: แบคทีเรียเชื้อราและสปอร์ของพวกมัน

เปลือกอะตอมเป็นอย่างไร

เราได้พบก่อนหน้านี้แล้วว่าหน่วยโครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมีมีโครงสร้างที่ซับซ้อน อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวก Niels Bohr ผู้ชนะรางวัลโนเบลจากทฤษฎีควอนตัมของแสง ได้สร้างหลักคำสอนของเขาขึ้น โดยมีลักษณะและคำจำกัดความของอะตอมดังนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสตามวิถีการเคลื่อนที่บางอย่างเท่านั้น ในขณะที่พวกมันไม่แผ่พลังงานออกมา หลักคำสอนของบอร์พิสูจน์แล้วว่าอนุภาคของพิภพเล็กซึ่งรวมถึงอะตอมและโมเลกุลไม่ปฏิบัติตามกฎหมายที่ใช้ได้กับวัตถุขนาดใหญ่ - วัตถุของมหภาค

โครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอนุภาคขนาดใหญ่ได้รับการศึกษาในงานฟิสิกส์ควอนตัมโดยนักวิทยาศาสตร์เช่น Hund, Pauli, Klechkovsky ดังนั้นจึงเป็นที่ทราบกันดีว่าอิเล็กตรอนทำการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบนิวเคลียสไม่ใช่แบบสุ่ม แต่ไปตามวิถีการเคลื่อนที่บางอย่าง เปาลีพบว่าภายในระดับพลังงานเดียวในแต่ละออร์บิทัล s, p, d, f ในเซลล์อิเล็กทรอนิกส์ จะมีอนุภาคที่มีประจุลบไม่เกินสองอนุภาคที่มีสปินตรงกันข้าม + ½ และ - ½

กฎของ Hund อธิบายว่าออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากันนั้นเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนอย่างถูกต้องอย่างไร

กฎ Klechkovsky หรือที่เรียกว่ากฎ n + l อธิบายว่าออร์บิทัลของอะตอมหลายอิเล็กตรอน (องค์ประกอบของ 5, 6, 7 คาบ) ถูกเติมอย่างไร รูปแบบทั้งหมดข้างต้นทำหน้าที่เป็นเหตุผลทางทฤษฎีสำหรับระบบองค์ประกอบทางเคมีที่สร้างโดย Dmitri Mendeleev

สถานะออกซิเดชัน

เป็นแนวคิดพื้นฐานในวิชาเคมีและกำหนดลักษณะของอะตอมในโมเลกุล คำจำกัดความสมัยใหม่ของสถานะออกซิเดชันของอะตอมมีดังนี้: นี่คือประจุตามเงื่อนไขของอะตอมในโมเลกุล ซึ่งคำนวณจากแนวคิดที่ว่าโมเลกุลมีเพียงองค์ประกอบไอออนิกเท่านั้น

สถานะออกซิเดชันสามารถแสดงเป็นจำนวนเต็มหรือเศษส่วน โดยมีค่าบวก ค่าลบ หรือศูนย์ บ่อยครั้งที่อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีมีสถานะออกซิเดชันหลายประการ ตัวอย่างเช่น ไนโตรเจนมี -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 แต่องค์ประกอบทางเคมี เช่น ฟลูออรีน ในสารประกอบทั้งหมด มีสถานะออกซิเดชันเพียงสถานะเดียว เท่ากับ -1 ถ้าจะนำเสนอ สารง่าย ๆจากนั้นสถานะออกซิเดชันจะเป็นศูนย์ ปริมาณสารเคมีนี้สะดวกต่อการใช้งานสำหรับการจำแนกสารและเพื่ออธิบายคุณสมบัติของสาร ส่วนใหญ่มักจะใช้สถานะออกซิเดชันของอะตอมในวิชาเคมีเมื่อรวบรวมสมการสำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์

คุณสมบัติของอะตอม

ขอบคุณการค้นพบ ฟิสิกส์ควอนตัม, ความหมายที่ทันสมัยอะตอมตามทฤษฎีของ D. Ivanenko และ E. Gapon เสริมด้วยสิ่งต่อไปนี้ ข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์. โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่าง ปฏิกริยาเคมี. เฉพาะออร์บิทัลอิเล็กตรอนที่อยู่กับที่เท่านั้นที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ โครงสร้างสามารถอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารได้มากมาย หากอิเล็กตรอนออกจากวงโคจรคงที่และไปยังวงโคจรที่มีดัชนีพลังงานสูงกว่า อะตอมดังกล่าวจะเรียกว่าตื่นเต้น

ควรสังเกตว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถ เวลานานให้อยู่ในวงโคจรที่ไม่ปกติเช่นนั้น เมื่อกลับสู่วงโคจรที่อยู่กับที่ อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานควอนตัมออกมา การศึกษาคุณลักษณะดังกล่าวของหน่วยโครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมีเช่นความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนอิเล็กโตรเนกาติวีตี้พลังงานไอออไนเซชันทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียง แต่จะกำหนดอะตอมว่าเป็นอนุภาคที่สำคัญที่สุดของพิภพเล็ก ๆ แต่ยังช่วยให้พวกเขาอธิบายความสามารถของอะตอมในการก่อตัว สถานะโมเลกุลของสสารที่เสถียรและกระฉับกระเฉงกว่า เป็นไปได้เนื่องจากการกำเนิด หลากหลายชนิดพันธะเคมีที่เสถียร: ไอออนิก โควาเลนต์-โพลาร์ และไม่มีขั้ว ตัวรับบริจาค (ตามความหลากหลาย) พันธะโควาเลนต์) และโลหะ หลังกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่สำคัญที่สุดของโลหะทั้งหมด

มีการทดลองแล้วว่าขนาดของอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ทุกอย่างจะขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่มันรวมอยู่ด้วย ต้องขอบคุณการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทำให้สามารถคำนวณระยะห่างระหว่างอะตอมในสารประกอบเคมีได้ เช่นเดียวกับการหารัศมีของหน่วยโครงสร้างขององค์ประกอบ เมื่อทราบรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงในรัศมีของอะตอมที่รวมอยู่ในคาบหรือกลุ่มขององค์ประกอบทางเคมี จึงสามารถทำนายคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของอะตอมได้ ตัวอย่างเช่น ในช่วงที่มีประจุของนิวเคลียสของอะตอมเพิ่มขึ้น รัศมีของพวกมันจะลดลง (“การบีบอัดของอะตอม”) ดังนั้นคุณสมบัติของโลหะของสารประกอบจึงอ่อนลง และองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะก็เพิ่มขึ้น

ดังนั้น ความรู้เกี่ยวกับช่วยให้คุณกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีขององค์ประกอบทั้งหมดที่รวมอยู่ใน .ได้อย่างแม่นยำ ระบบเป็นระยะเมนเดเลเยฟ.