Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.
Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .
В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.
Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .
В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.
Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .
Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .
Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:
| , | (9.1.1) |
где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.
Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.
Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.
Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :
 ,
|
(9.1.2) |
где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.
Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).
Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:
| . | (9.1.3) |
Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.
Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .
Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:
| , | (9.1.4) |
где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .
Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.
Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения
 ,
|
(9.1.5) |
где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
Образуя между собой связи, атомы объединяются в молекулы и большие по размеру твердые тела.
О существовании мельчайших частиц вещества человечество догадывалось еще с давних времен, однако подтверждения существования атомов было получено лишь в конце 19-го века. Но почти сразу же стало понятно, что атомы, в свою очередь, имеют сложное строение, которой определяются их свойства.
Концепция атома как наименьшей неделимой частицы материи впервые была предложена древнегреческими философами. В 17-м и 18-м веках химики установили, что химические вещества вступают в реакции в определенных пропорциях, которые выражаются с помощью малых чисел. Кроме того они выделили определенные простые вещества, которые назвали химическими элементами. Эти открытия привели к возрождению идеи о неделимые частицы. Развитие термодинамики и статистической физики показал, что тепловые свойства тел можно объяснить движением таких частиц. В конце концов были экспериментально определены размеры атомов.
В конце 19-го и в начале 20-го веков, физики открыли первую из субатомных частиц - электрон, а несколько позже атомное ядро, таким образом показав, что атом не является неделим. Развитие квантовой механики позволил объяснить не только строение атомов, а также ихни свойства: оптические спектры, способность вступать в реакции и образовывать молекулы, т.
Общая характеристика строения атома
Современные представления о строении атома базируются на квантовой механике.
На популярном уровне строении атома можно изложить в рамках волновой модели, которая опирается на модель Бора, но учитывает также дополнительные сведения по квантовой механике.
По этой модели:
Атомы состоят из элементарных частиц (протонов, электронови нейтронов). Масса атома в основном сосредоточена в ядре, поэтому большая часть объема относительно пустая. Ядро окружено электронами. Количество электронов равно числу протонов в ядре, число протонов определяет порядковый номер элемента в периодической системе. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду протонов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами.
В центре атома находится крошечное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.
Ядро атома примерно в 10 000 раз меньше, чем сам атом. Таким образом, если увеличить атом до размеров аэропорту Борисполь, размер ядра будет меньше размера шарика для настольного тенниса.
Ядро окружено электронной облаком, которое занимает большую часть его объема. В электронной облаке можно выделить оболочки, для каждых из которых существует несколько возможных орбиталей. Заполненные орбитали составляют электронную конфигурацию, характерную для каждого химического элемента.
Каждая орбиталь может содержать до двух электронов, характеризуются тремя квантовыми числами: основным, орбитальным и магнитным.
Каждый электрон на орбитали имеет уникальное значение четвертой квантового числа: спина.
Орбитали определяются специфическим распределением вероятности того, где именно можно найти электрон. Примеры орбиталей и их обозначения приведены на рисунке справа. «Границей» орбитали считается расстояние, на котором вероятность того что электрон может находиться вне ее меньше 90%.
Каждая оболочка может содержать не более от строго определенного числа электронов. Например, ближайшая к ядру оболочка может иметь максимум два электрона, следующая - 8, третья от ядра - 18 и так далее.
Когда электроны присоединяются к атому, они опускаются на орбиталь с низкой энергией. Только электроны внешней оболочки могут участвовать в образовании межатомных связей. Атомы могут отдавать и присоединять электроны, становясь положительно или отрицательно заряженными ионами. Химические свойства элемента определяются тем, с какой легкостью ядро может отдавать или приобретать электроны. Это зависит как от числа электронов так и от степени заполненности внешней оболочки.
Размер атома
Размер атома является величиной, трудно поддается измерению, ведь центральное ядро окружает размыта электронное облако. Для атомов, образующих твердые кристаллы, расстояние между смежными узлами кристаллической решетки может служить приближенным значением их размера. Для атомов, кристаллов не формируют, используют другие техники оценки, включая теоретические расчеты. Например, размер атома водорода оценивают как 1,2 × 10-10 м. Это значение можно сравнить с размером протона (что является ядром атома водорода): 0,87 × 10-15 м и убедиться в том, что ядро атома водорода в 100 000 раз меньше, чем сам атом. Атомы других элементов сохраняют приблизительно то же соотношение. Причиной этого является то, что элементы с большим позитивно-заряженным ядром притягивают электроны сильнее.
Еще одной характеристикой размеров атома радиус ван дер Ваальса - расстояние, на которую до данного атома может приблизиться другой атом. Межатомные расстояния в молекулах характеризуются длиной химических связей или ковалентной радиусом.
Ядро
Основная масса атома сосредоточена в ядре, которое состоит из нуклонов: протонов и нейтронов, связанных между собой силами ядерного взаимодействия.
Количество протонов в ядре атома определяет его атомным номером и то, которому элементу принадлежит атом. Например, атомы углерода содержат 6 протонов. Все атомы с определенным атомным номером имеют одинаковые физические характеристики и проявляют одинаковые химические свойства. В периодической таблице элементы перечислены в порядке возрастания атомного номера.
Общее количество протонов и нейтронов в атоме элемента определяет его атомную массу, поскольку протон и нейтрон имеют массу приблизительно равную 1 а.е.м.. Нейтроны в ядре не влияют на то, которому элементу принадлежит атом, но химический элемент может иметь атомы с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов. Такие атомы имеют одинаковый атомный номер, но разную атомную массу, и называются изотопами элемента. Когда пишут название изотопа, после нее пишут атомную массу. Например, изотоп углерод-14 содержит 6 протонов и 8 нейтронов, что в сумме составляет атомную массу 14. Другой популярный метод нотации состоит в том, что атомная масса сказывается верхним индексом перед символом элемента. Например, углерод-14 обозначается, как 14C.
Атомная масса элемента приведена в периодической таблице является усредненным значением массы изотопов встречающихся в природе. Усреднение проводится согласно распространенности изотопа в природе.
С увеличением атомного номера растет положительный заряд ядра, а, следовательно, кулоновское отталкивание между протонами. Чтобы удержать протоны вместе необходимо все больше нейтронов. Однако большое количество нейтронов нестабильна, и это обстоятельство накладывает ограничение на возможный заряд ядра и число химических элементов, существующих в природе. Химические элементы с большими атомными номерами имеют очень малый время жизни, могут быть созданы только при бомбардировке ядер легких элементов ионами, и наблюдаются лишь во время экспериментов с использованием ускорителей. По состоянию на февраль 2008 тяжелым синтезированным химическим элементом является унуноктий
Многие изотопов химических элементов нестабильны и распадаются со временем. Это явление используется радиоелементним тест для определения возраста объектов имеет большое значение для археологии и палеонтологии.
Модель Бора
Модель Бора - первая физическая модель, которая сумела правильно описать оптические спектры атома водорода. После развития точных методов квантовой механики модель Бора имеет только историческое значение, но благодаря своей простоте она до сих пор широко преподается и используется для качественного понимания строения атома.
Модель Бора базируется на планетарной модели Резерфорда, описывающий атом как маленькое положительно заряженное ядро с отрицательно заряженными электронами на орбитах на разных уровнях, что напоминает структуру солнечной системы. Резерфорд предложил планетарную модель, чтобы объяснить результаты своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц металлической фольгой. По планетарной моделью атом состоит из тяжелого ядра, вокруг которого вращаются электроны. Но то, чем электроны, вращающиеся вокруг ядра, не падают по спирали на него, было непостижимым для тогдашних физиков. Действительно, согласно классической теории электромагнетизма электрон, который вращается вокруг ядра должен излучать электромагнитные волны (свет), что привело бы к постепенной потере им энергии и падения на ядро. Поэтому, каким образом атом может вообще существовать? Более того, исследование электромагнитного спектра атомов показали, что электроны в атоме могут излучать свет только определенной частоты.
Эти трудности были преодолены в модели предложенной Нильсом Бором в 1913, которая постулирует, что:
Электроны могут находиться только на орбитах, имеющих дискретные квантованные энергии. То есть возможны не любые орбиты, а лишь некоторые специфические. Точные значения энергий допустимых орбит зависят от атома.
Законы классической механики не действуют, когда электроны переходят из одной допустимой орбиты на другую.
Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, разница в энергии излучается (или поглощается) единственным квантом света (фотоном), частота которого напрямую зависит от энергетической разницы между двумя орбитами.
где ν - это частота фотона, E - разность энергий, а h - константа пропорциональности, также известная как постоянная Планка.
Определив, что можно записать
где ω это угловая частота фотона.
Допустимые орбиты зависят от квантованных значений углового орбитального момента L, описываемая уравнением
где n = 1,2,3,...
и называется квантовым числом углового момента.
Эти предположения позволили объяснить результаты тогдашних наблюдений, например, почему спектр состоит из дискретных линий. Предположение (4) утверждает, что наименьшее значение n - это 1. Соответственно, наименьший допустимый радиус атома равен 0,526 Å (0,0529 нм = 5,28 · 10-11 м). Это значение известно как радиус Бора.
Иногда модель Бора называют Полуклассическая, потому, что, хотя она включает некоторые идеи квантовой механики, она не является полным квантовомеханических описанием атома водорода. Однако модель Бора была значительным шагом к созданию такого описания.
При строгом квантовомеханической описании атома водорода уровни энергии находятся из решения стационарного уравнения Шредингера. Эти уровни характеризуются тремя указанными выше квантовыми числами, формула для квантования углового момента другая, квантовое число углового момента равен нулю для сферических s-орбиталей, единицы для вытянутых гантелеобразную p-орбиталей и т.д. (см. рисунок вверху).
Энергия атома и его квантование
Значение энергии, которые может иметь атом, исчисляются и интерпретируются, исходя из положений квантовой механики. При этом учитываются такие факторы, как электростатическое взаимодействие электронов с ядром и электронов между собой, спины электронов, принцип Тождественные частицы. В квантовой механике состояние, в котором находится атом описывается волновой функцией, которую можно найти из решения уравнения Шредингера. Существует определенный набор состояний, каждое из которых имеет определенное значение энергии. Состояние с наименьшей энергией называется основным состоянием. Другие состояния называются возбужденными. Атом находится в возбужденном состоянии конечное время, излучая рано или поздно квант электромагнитного поля (фотон) и переходя в основное состояние. В основном состоянии атом может находиться долго. Чтобы возбудиться, ему нужна внешняя энергия, которая может поступить к нему только из внешней среды. Атом излучает или поглощает свет только определенных частот, соответствующих разности энергий его состояний.
Возможные состояния атома индексируются квантовыми числами, такими как спин, квантовое число орбитального момента, квантовое число полного момента. Подробнее об их классификации можно прочитать в статье электронные терм
Электронные оболочки сложных атомов
Сложные атомы имеют десятки, а для очень тяжелых элементов, даже сотни электронов. Согласно принципу Тождественные частицы электронные состояния атомов формируются всеми электронами, и невозможно определить, где находится каждый из них. Однако, в так называемом одноэлектронном приближении, можно говорить об определенных энергетические состояния отдельных электронов.
Согласно этим представлениям существует определенный набор орбиталей, которые заполняются электронами атома. Эти орбитали образуют определенную электронную конфигурацию. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов (принцип запрета Паули). Орбитали группируются в оболочки, каждая из которых может иметь лишь определенное фиксированное число орбиталей (1, 4, 10 и т.д.). Орбитали подразделяют на внутренние и внешние. В основном состоянии атома внутренние оболочки полностью заполнены электронами.
На внутренних орбиталях электроны находятся очень близко к ядру и сильно к нему привязаны. Чтобы вырвать электрон из внутренней орбитали нужно предоставить ему большую энергию, до нескольких тысяч электрон-вольт. Такую энергию электрон на внутренней оболочке может получить лишь поглотив квант рентгеновского излучения. Энергии внутренних оболочек атомов индивидуальны для каждого химического элемента, а потому по спектру рентгеновского поглощения можно идентифицировать атом. Это обстоятельство используют в рентгеновском анализе.
На внешней оболочке электроны находятся далеко от ядра. Именно эти электроны участвуют в формировании химических связей, поэтому внешнюю оболочку называют валентной, а электроны внешней оболочки валентными электронами.
Квантовые переходы в атоме
Между различными состояниями атомов возможны переходы, вызванные внешним возмущением, чаще электромагнитным полем. Вследствие квантования состояний атома оптические спектры атомов состоят из отдельных линий, если энергия кванта света не превышает энергию ионизации. При более высоких частотах оптические спектры атомов становятся непрерывными. Вероятность возбуждения атома светом падает с дальнейшим ростом частоты, но резко возрастает при определенных характерных для каждого химического элемента частотах в рентгеновском диапазоне.
Возбужденные атомы излучают кванты света с теми же частотами, на которых происходит поглощение.
Переходы между различными состояниями атомов могут вызываться также взаимодействием с быстрыми заряженными частицами.
Химические и физические свойства атома
Химические свойства атома определяются в основном валентными электронами - электронами на внешней оболочке. Количество электронов на внешней оболочке определяет валентность атома.
Атомы последнего столбца периодической таблице элементов имеют полностью заполненную внешнюю оболочку, а для перехода электрона на следующую оболочку нужно предоставить атома очень большую энергию. Поэтому эти атомы инертны, не склонны вступать в химические реакции. Инертные газы изреживаются и кристаллизуются только при очень низких температурах.
Атомы первого столбца периодической таблицы элементов имеют на внешней оболочке один электрон, и является химически активными. Их валентность равна 1. Характерным типом химической связи для этих атомов в кристаллизованного состоянии является металлический связь.
Атомы второго столбика периодической таблицы в основном состоянии имеют на внешней оболочке 2 s-электроны. Их внешняя оболочка заполнена, поэтому они должны быть инертными. Но для перехода из основного состояния с конфигурацией электронной оболочки s2 в состояние с конфигурацией s1p1 нужно очень мало энергии, поэтому эти атомы имеют валентность 2, однако они проявляют меньшую активности.
Атомы третьего столбика периодической таблице элементов имеют в основном состоянии электронную конфигурацию s2p1. Они могут проявлять разную валентность: 1, 3, 5. Последняя возможность возникает тогда, когда электронная оболочка атома дополняется до 8 электронов и становится замкнутой.
Атомы Четвертая колонка периодической таблицы элементов своем имеют валентность 4 (например, углекислый газ CO2), хотя возможна и валентность 2 (например, угарный газ CO). До этого столбика принадлежит углерод - элемент, который образует самые разнообразные химические соединения. Соединениям углерода посвящен особый раздел химии - органическая химия. Другие элементы этого столбика - кремний, германий при обычных условиях является твердотельными полупроводниками.
Элементы пятой колонки имеют валентность 3 или 5.
Элементами шестого столбца периодической таблицы в основном состоянии имеют конфигурацию s2p4 и общий спин 1. Поэтому они двухвалентные. Существует также возможность перехода атома в возбужденное состояние s2p3s" со спином 2, в котором валентность равна 4 или 6.
Элементам седьмой колонки периодической таблицы не хватает одного электрона на внешней оболочке для того, чтобы ее заполнить. Они в основном одновалентные. Однако могут вступать в химические соединения в возбужденных состояниях, проявляя валентности 3,5,7.
Для переходных элементов характерно заполнение внешней s-оболочки, прежде чем полностью заполняется d-оболочка. Поэтому они в основном имеют валентность 1 или 2, но в некоторых случаях один из d-электронов участвует в образовании химических связей, и валентность становится равной трем.
При образовании химических соединений атомные орбитали видоизменяются, деформируются и становятся молекулярных орбиталей. При этом происходит процесс гибридизации орбиталей - образование новых орбиталей, как специфической суммы базовых.
История понятия атом
Подробнее в статье атомистика
Понятие атом, как и само слово, имеет древнегреческое происхождение, хотя истинность гипотезы о существовании атомов нашла свое подтверждение только в 20 веке. Основной идеей, которая стояла за данным понятием протяжении всех столетий, было представление о мире как о наборе огромного количества неделимых элементов, которые являются очень простыми по своей структуре и существуют от начала времен.
Первые проповедники атомистического учения
Первым начал проповедовать атомистическое учения в 5 веке до нашей эры философ Левкипп. Затем эстафету подхватил его ученик Демокрит. Сохранились лишь отдельные фрагменты их работ, из которых становится ясно, что они исходили из небольшого количества достаточно абстрактных физических гипотез:
«Сладость и горечь, жара и холод смысл определения, на самом же [только] атомы и пустота».
По Демокритом, вся природа состоит из атомов, мельчайших частиц вещества, которые покоятся или движутся в совершенно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы одного сорта тождественны; многообразие природы отражает многообразие форм атомов и многообразие способов, в которые атомы могут сцепляться между собой. И Демокрит, и Левкип считали, что атомы, начав двигаться, продолжают двигаться по законам природы.
Наиболее тяжелым для древних греков был вопрос о физической реальности основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности пустоты, если она, не имея материи, не может иметь никаких физических свойств? Идеи Левкипа и Демокрита не могли служить удовлетворительной основой теории вещества в физическом плане, поскольку не объясняли, не из чего состоят атомы, ни почему атомы неделимы.
Через поколение после Демокрита, Платон предложил свое решение этой проблемы: «мельчайшие частицы принадлежат не царству материи, а царству геометрии; они представляют собой различные телесные геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками».
Понятие атома в индийской философии
Через тысячу лет отвлеченные рассуждения древних греков проникли в Индию и были восприняты некоторыми школами индийской философии. Но если западная философия считала, что атомистическая теория должна стать конкретной и объективной основой теории материального мира, индийская философия всегда воспринимала вещественный мир как иллюзию. Когда атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой реальность в мире имеет процесс, а не субстанция, и что мы присутствуем в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества.
То есть и Платон, и индийские философы считали примерно так: если природа состоит из мелких, но конечных по размерам, долей, то почему их нельзя разделить, хотя бы в воображении, на еще более мелкие частицы, которые стали предметом дальнейшего рассмотрения?
Атомистическая теория в римской науке
Римский поэт Лукреций (96 - 55 годы до н.э.) был одним из немногих римлян, которые проявляли интерес к чистой науки. В своей поэме О природе вещей (De rerum natura) он подробно выстроил факты, свидетельствующие в пользу атомистической теории. Например, ветер, дующий с большой силой, хотя никто не может его видеть, наверное состоит из частиц, утечка чтобы их разглядеть. Мы можем чувствовать вещи на расстоянии по запаху, звука и теплу, которые распространяются, оставаясь невидимыми.
Лукреций связывает свойства вещей со свойствами их составляющих, т.е. атомов: атомы жидкости малы и имеют округлую форму, поэтому жидкость течет так легко и просачивается через пористую вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют крючки, которыми они сцеплены между собой. Так же и различные вкусовые ощущения и звуки разной громкости состоят из атомов соответствующих форм - от простых и гармоничных к извилистым и нерегулярных.
Но учение Лукреция были осуждены церковью, поскольку он дал довольно материалистическую их интерпретацию: например, представление о том, что Бог, запустив один раз атомный механизм, более не вмешивается в его работу, или то, что душа умирает вместе с телом.
Первые теории о строении атома
Одна из первых теорий о строении атома, которая имеет уже современные очертания, была описана Галилеем (1564-1642). По его теории вещество состоит из частиц, которые не находятся в состоянии покоя, а под воздействием тепла движутся во все стороны; тепло - является ничем иным как движением частиц. Структура частиц является сложной, и если лишить любую часть ее материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто, хотя и в фантастической форме, представил строение атома.
Научные основы
В 19 веке Джон Дальтон получил свидетельство существования атомов, но предполагал, что они неделимы. Эрнест Резерфорд показал экспериментально, что атом состоит из ядра, окруженного отрицательно заряженными частицами - электронами.
Атом - это мельчайшая частица химического вещества, которая способна сохранять его свойства. Слово «атом» происходит от древнегреческого «atomos», что означает «неделимый». В зависимости о того, сколько и каких частиц находится в атоме, можно определить химический элемент .
Кратко о строении атома
Как можно вкратце перечислить основные сведения о является частицей с одним ядром, которое заряжено положительно. Вокруг этого ядра расположено отрицательно заряженное облако из электронов. Каждый атом в своем обычном состоянии является нейтральным. Размер этой частицы полностью может быть определен размером электронного облака, которое окружает ядро.
Само ядро, в свою очередь, тоже состоит из более мелких частиц - протонов и нейтронов. Протоны являются положительно заряженными. Нейтроны не несут в себе никакого заряда. Однако протоны вместе с нейтронами объединяются в одну категорию и носят название нуклонов. Если необходимы основные сведения о строении атома кратко, то эта информация может быть ограничена перечисленными данными .
Первые сведения об атоме
О том же, что материя может состоять из мелких частиц, подозревали еще древние греки. Они полагали, что все существующее и состоит из атомов. Однако такое воззрение носило чисто философский характер и не может быть трактовано научно.
Первым основные сведения о строении атома получил английский ученый Именно этот исследователь сумел обнаружить, что два химических элемента могут вступать в различные соотношения, и при этом каждая такая комбинация будет представлять собой новое вещество. Например, восемь частей элемента кислорода порождают собой углекислый газ. Четыре части кислорода - угарный газ.
В 1803 году Дальтон открыл так называемый закон кратных отношений в химии. При помощи косвенных измерений (так как ни один атом тогда не мог быть рассмотрен под тогдашними микроскопами) Дальтон сделал вывод об относительном весе атомов .
Исследования Резерфорда
Почти столетие спустя основные сведения о строении атомов были подтверждены еще одним английским химиком - Ученый предложил модель электронной оболочки мельчайших частиц.
На тот момент названная Резерфордом «Планетарная модель атома» была одним из важнейших шагов, которые могла сделать химия. Основные сведения о строении атома свидетельствовали о том, что он похож на Солнечную систему: вокруг ядра по строго определенным орбитам вращаются частицы-электроны, подобно тому, как это делают планеты.
Электронная оболочка атомов и формулы атомов химических элементов
Электронная оболочка каждого из атомов содержит ровно столько электронов, сколько находится в его ядре протонов. Именно поэтому атом является нейтральным. В 1913 году еще один ученый получил основные сведения о строении атома. Формула Нильса Бора была похожа на ту, что получил Резерфорд. Согласно его концепции, электроны также вращаются вокруг ядра, расположенного в центре. Бор доработал теорию Резерфорда, внес стройность в ее факты.
Уже тогда были составлены формулы некоторых химических веществ. Например, схематически строение атома азота обозначается как 1s 2 2s 2 2p 3 , строение атома натрия выражается формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Через эти формулы можно увидеть, какое количество электронов движется по каждой из орбиталей того или иного химического вещества.
Модель Шредингера
Однако затем и эта атомная модель устарела. Основные сведения о строении атома, известные науке сегодня, во многом стали доступны благодаря исследованиям австрийского физика
Он предложил новую модель его строения - волновую. К этому времени ученые уже доказали, что электрон наделен не только природой частицы, но обладает свойствами волны.
Однако у модели Шредингера и Резерфорда имеются и общие положения. Их теории сходны в том, что электроны существуют на определенных уровнях.
Такие уровни также называются электронными слоями. При помощи номера уровня может быть охарактеризована энергия электрона. Чем выше слой, тем большей энергией он обладает. Все уровни считаются снизу вверх, таким образом, номер уровня соответствует его энергии. Каждый из слоев в электронной оболочке атома имеет свои подуровни. При этом у первого уровня может быть один подуровень, у второго - два, у третьего - три и так далее (см. приведенные выше электронные формулы азота и натрия).
Еще более мелкие частицы
На данный момент, конечно, открыты еще более мелкие частицы, нежели электрон, протон и нейтрон. Известно, что протон состоит из кварков. Существуют и еще более мелкие частицы мироздания - например, нейтрино, который по своим размерам в сто раз меньше кварка и в миллиард раз меньше протона.
Нейтрино - это настолько мелкая частица, что она в 10 септиллионов раз меньше, чем, к примеру, тираннозавр. Сам тираннозавр во столько же раз меньших размеров, чем вся обозримая Вселенная.
Основные сведения о строении атома: радиоактивность
Всегда было известно, что ни одна химическая реакция не может превратить один элемент в другой. Но в процессе радиоактивного излучения это происходит самопроизвольно.
Радиоактивностью называют способность ядер атомов превращаться в другие ядра - более устойчивые. Когда люди получили основные сведения о строении атомов, изотопы в определенной мере могли служить воплощением мечтаний средневековых алхимиков.
В процессе распада изотопов испускается радиоактивное излучение. Впервые такое явление было обнаружено Беккерелем. Главный вид радиоактивного излучения - это альфа-распад. При нем происходит выброс альфа-частицы. Также существует бета-распад, при котором из ядра атома выбрасывается, соответственно, бета-частица.
Природные и искусственные изотопы
В настоящее время известно порядка 40 природных изотопов. Их большая часть расположена в трех категориях: урана-радия, тория и актиния. Все эти изотопы можно встретить в природе - в горных породах, почве, воздухе. Но помимо них, известно также порядка тысячи искусственно выведенных изотопов, которые получают в ядерных реакторах. Многие их таких изотопов используются в медицине, особенно в диагностике .
Пропорции внутри атома
Если представить себе атом, размеры которого будут сопоставимы с размерами международного спортивного стадиона, тогда можно визуально получить следующие пропорции. Электроны атома на таком «стадионе» будут располагаться на самом верху трибун. Каждый из них будет иметь размеры меньше, чем булавочная головка. Тогда ядро будет расположено в центре этого поля, а его размер будет не больше, чем размер горошины.
Иногда люди задают вопрос, как в действительности выглядит атом. На самом деле он в буквальном смысле слова не выглядит никак - не по той причине, что в науке используются недостаточно хорошие микроскопы. Размеры атома находятся в тех областях, где понятие «видимости» просто не существует.
Атомы обладают очень малыми размерами. Но насколько малы в действительности эти размеры? Факт состоит в том, что самая маленькая, едва различимая человеческим глазом крупица соли содержит в себе порядка одного квинтиллиона атомов.
Если же представить себе атом такого размера, который мог бы уместиться в человеческую руку, то тогда рядом с ним находились бы вирусы 300-метровой длины. Бактерии имели бы длину 3 км, а толщина человеческого волоса стала бы равна 150 км. В лежачем положении он смог бы выходить за границы земной атмосферы. А если бы такие пропорции были действительны, то человеческий волос в длину смог бы достигать Луны. Вот такой он непростой и интересный атом, изучением которого ученые продолжают заниматься и по сей день.
«Неужели это возможно в домашних условиях?» - спросите вы. Вполне возможно, только для того, чтобы рассчитать диаметр атома, надо кое-что знать. Например, что атомы многих металлов можно представить в виде маленьких, плотно упакованных шариков. В таком случае атомы-шарики занимают 74 % всего пространства, а остальные 26 % приходятся на пустот ы между ними. Еше надо знать, как связан объем шара (У) с его диаметром UD - эту формулу можно найти в учебнике или в справочнике по математике: V- тГ/Ь. где к = 3,14. Наконец, надо знать очень важную для химии величину, которая называе тся постоянной Авогадро (Л/л) в честь итальянского ученого XIX века Амедео Авогадро (1776-1856). Эта константа показывает, сколько частиц - атомов, ионов или молекул содержится водном моле вещества. Моль - очень удобная для химиков единица измерения, так как в одном моле любого вещест ва содержится одинаковое число частиц. Например. 1 моль воды (18 г), или I моль сахара (343 г), или 1 моль кислорода (32 г) содержит одинаковое число молекул, равное Л"д = 6.02 ¦ !0". Ровно столько же атомов содержит 1 моль алюминия (27 г), или I моль меди (64 г), или I мольсеребра (108 г). А I моль поваренной соли (58,5 г) содержит по 6.02 10" положительно заряженных ионов (катионов) натрия и отрицательно заряженных ионов (анионов) хлора. Понятие «моль» (раньше его называли «грамм-молекулой»,аеще раньше, во времена Менделеева, - «химическим паем») удобно тем, что им можно пользоваться и не зная численного значения постоянной Авогадро. так как ве-щества реагируют друг с другом в соответствии с числом молей в них.
О том, как ученые определили это оіромное число, мы еще поговорим, а пока вернемся к нашей ложке. Итак, пусть в предыдущем опыте нам повезло, и ложка оказалась из серебра высокой пробы с плотностью 10,5 г/см1. Теперь у нас есть все данные, чтобы определить размер «сереб-ряного атома». В I см"серебра содержится 10,5 г: 108 г/моль = 0,097 моль, или 0,097 ¦ 6,02 ¦ I0J1 = 5,84 10" атомов серебра. Если не считать пустоты между атомами, то на долю самих атомов-шари ков придется не 1 см3, а немного меньше - 0,74 см3. Значит, объем одного атома равен 0,74с.м3/5.84- Ю"= 1.27-10 "см3. Осталось только по приведенной выше формуле рассчитать диаметр атома серебра. Он получится очень маленьким: d = 3 10 4 см. пли 0,3 нм (нанометр - одна миллнардная часть метра - самая подходящая единица для измерения таких малых величин).
Все атомы имеют очень малые размеры. Цепочка из миллиона атомов серебра, плотно уложенных друг к другу, протянется всего на 0,3 мм. Для сравнения: если уложить в цепочку миллион маковых зер- нышек диаметром 1 мм, то такая цепочка протянется на 1 км! Из-за малою размера атомов их невозможно увидеть даже и самый сильный оптический микроскоп. Зато ученые придумали другие приборы, позволяющие получать изображения отдельных атомов.
Примерно такие же размеры, как атом серебра, имеют небольшие молекулы - кислорода, азота, метана, волы; все они содержат несколько небольших а томов. Бывают молекулы, которые значительно больше: они содержат много атомов или агомы больших размеров (например, атомы иода). В следующем разделе мы познакомимся с одним из методов измерения размера молекул. А сейчас - некоторые ин тересные и полезные сведения об Авогадро и постоянной, названной его именем.
Итальянский химик Авогадро прожил очень дол гую по меркам того времени жизнь. Он родился в 1776 году в Турине, в Северной Италии. Получил юридическое образование и в возрасте 20 лет был назначен секретарем префектуры. Это были годы, когда в Италии гремела слава молодого французского полководца Наполеона. Однако Авогадро не привлекала ни военная, ни юридическая карьера. Со временем он стал все больше интересоваться естественными науками - физикой и химией, которые изучил самостоятельно. В 1809 году он начал преподавать физику в городе Верчслли, недалеко от Турина, а в 1820 году был назначен профессором математической физики в Туринском университете. В университете Авогадро проработал до преклонного возраста и покинул его лишь в 1850 году. Умер Авогадро в Турине в 1856 году. О его личной жизни сохранилось очень мало сведений. Прославили же Авогадро две статьи, опубликованные в 1811 и 1814 годах. Вначале они не вызвали интереса и были почти забыты. Сегодня же имя Авогадро знают школьники всех стран, если они изучают физику и химию. Закон Авогадро звучит очень просто: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Из этого закона следовало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы, а также состав молекул газообразных соединений. Благодарные потомки на-звали число частиц в одном моле вещества постоянной Авогадро, которую обозначили как JVa. Кстати, само слово «моль» - итальянского, вернее, латинского происхождения. В переводе с латыни moles означает «тяжесть, глыба, громада». На современной двухцентовой итальянской монете изображен купол со шпилем «Антонеллиевой громады» {mole A/ilonelliana), самой высокой конструкции в Италии (167,5 м); интересно, что это сооружение считается символом Турина, родного города Авогадро. Соответственно, molecula (с уменьшительным суффиксом -си/о) - «маленькая масса», как корпускула - «маленькое тело» (так во времена Ломоносова называли молекулы). Помимо указанного значения слово motes на латыни означает «дамба, насыпь, укрепленная большими камнями» (вспомним слово «мол» - сооружение в гаванях для защиты судов от морских волн)- Тот же корень в латинском слове mola - «жернов» («громадный камень») и в глаголе то/о - «молоть». Отсюда и молот с молотком, и моляр - зуб, размалывающий твердую пищу, как жернов на мельнице, и даже вредная моль - насекомое, измельчающее, стирающее вещи в муку
Постоянная Авогадро - огромное число, с трудом поддающееся воображению; оно, к примеру, в 4 миллиарда раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, выраженное в миллиметрах! Это означает, что атомы и молекулы очень маленькие - раз их так много помещается в сравнительно небольшом количестве вещества. Еще в XIX веке ученым было очевидно, что. постольку атомы и молекулы очень маленькие и никто их еше не видел, постоянная Авогадро должна быть очень велика. Постепенно физики научились определять размеры молекул и значение постоянной Авогадро - сначала очень грубо, приблизительно, затем все точнее. Прежде всего им было понятно, что обе вели-чины связаны между собой: чем меньше окажутся атомы и молекулы, тем больше получится постоянная Авогадро.
Преподаватели и популяризаторы химии придумали множество эффектных способов, чтобы наглядно показать грандиозность этого числа. Вот некоторые из них.
В пустыне Сахара содержится менее трех молей самых мелких песчинок.
Если объем футбольного мяча увеличить в Л^ раз, то в таком мяче поместится Земной шар. Если же в NA раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд. Кстати, число звезд во Вселенной примерно равно постоянной Авогадро.
Если взять 100 г красителя, пометить каким-либо способом все его молекулы, вылить этот краситель в море и подождать, пока он равномерно распределится по всем морям и океанам до самого дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, мы обязательно обнаружим в нем не один десяток «меченых» молекул.
При каждом вдохе человека в его легкие попадает хотя бы несколько молекул кислорода и азога, которые содержались в последнем выдохе Юлия Цезаря (44 год до н. э.).
Если взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки двухкилометровым плотным слоем,
В древности на Востоке придумали такую легенду. В сказочном царстве находится огромная гранитная скала. Представим себе, что она имеет форму куба с ребром, равным 1 км. Раз в столетие на скалу садится ворон и чистит об нее клюв. Если предположить, что при этом скала стирается на 0,0001 г. то число лет, за которое от скалы не останется ни одной песчинки, меньше, чем постоянная Авогадро. А́том (от др.-греч. ἄτομος - неделимый) - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом.В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.
Ядро , несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N - определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы .
Свойства атома
По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием - наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.
Масса
Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66·10−24 г. Водород-1 - наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы Самый тяжёлый стабильный изотоп - свинец-208 с массой 207,9766521 а. е. м.
Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022·1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.
Размер
Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь (Ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (Радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом - это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой - атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400-700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2·1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.
Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.