Milyen nagyságrend felel meg egy atom méretének. Miből áll egy atom? Infografika

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

Az atomok szerkezetének általános jellemzői. Az atom egy pozitív elektromos töltésű nehéz magból és az azt körülvevő negatív elektromos töltésű könnyű elektronokból áll, amelyek az atom elektronhéját alkotják. Az atom méreteit a külső elektronhéj mérete határozza meg, és nagyok az atommag méreteihez képest. Az atom és az atommag átmérőjének, keresztmetszeti területének és térfogatának jellemző sorrendje:

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

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

Az atomok elektronhéjain nincsenek szigorúan meghatározott határok, az atomok mérete kisebb-nagyobb mértékben függ a meghatározásuk módszerétől.

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

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

Egy adott elem atomjai eltérhetnek a magtömegben (a Z protonok száma állandó, az A-Z neutronok száma változhat); Ugyanazon elem atomjainak ilyen változatait izotópoknak nevezzük. Az atommag tömegének különbsége szinte nincs hatással az adott atom elektronhéjainak Z-től függő szerkezetére és az atom tulajdonságaira. A legnagyobb tulajdonságbeli különbségek (izotóphatások) a hidrogénizotópok (Z = 1) esetében érhetők el, a hidrogén (A = 1), a deutérium (A = 2) és a trícium (A) közönséges könnyű atomja tömegének nagy különbsége miatt. = 3).

Egy atom tömege 1,67 × 10 -24 g (a fő izotóp, a hidrogénatom, Z = 1, A = 1) és körülbelül 4 × 10 -22 g (a transzurán elemek atomjai) között változik. Az atomtömegek legpontosabb értékei tömegspektroszkópiai módszerekkel határozhatók meg. Az atom tömege nem pontosan egyenlő az atommag tömegének és az elektronok tömegének összegével, de valamivel kisebb - a ΔM = W/c 2 tömeghibával, ahol W az atom képződési energiája az atommagtól és az elektronoktól (kötési energia), c a fénysebesség. Ez a korrekció nehéz atomoknál m e elektrontömeg nagyságrendű, könnyű atomoknál pedig elhanyagolható (kb. 10 -4 m e).

Az atomenergia és kvantálása. Kis mérete és nagy tömege miatt az atommag megközelítőleg pontszerűnek tekinthető és az atom tömegközéppontjában nyugalmi állapotban van (az atommag és az elektronok közös tömegközéppontja az atommag közelében található, és a mozgás sebessége az atom tömegközéppontjához viszonyítva kicsi az elektronok mozgási sebességéhez képest). Ennek megfelelően az atomot olyan rendszernek tekinthetjük, amelyben N darab e töltésű elektron mozog egy álló vonzási központ körül. Az elektronok mozgása egy atomban korlátozott térfogatban történik, azaz kötött. Az E atom teljes belső energiája egyenlő az összes elektron T kinetikus energiájának és az U potenciális energiájának összegével - az atommag általi vonzás és az egymástól való taszítás energiájával.

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

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

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

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

Ezen „megengedett” energiaértékek mindegyike egy vagy több stacioner kvantumállapotnak felel meg. A rendszernek nem lehetnek köztes energiaértékei (például az E 1 és E 2, E 2 és E 3 között elhelyezkedők, stb.). Bármilyen változás E-ben a rendszer kvantum (ugrás) átmenetéhez kapcsolódik egyik stacionárius kvantumállapotból a másikba (lásd alább).

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

Az atomenergia kvantálása az elektronok hullám tulajdonságainak következménye. A hullám-részecske kettősség elve szerint egy m tömegű mikrorészecske mozgása v sebességgel λ = h/mv hullámhossznak felel meg, ahol h a Planck-állandó. Egy atomban lévő elektron esetében λ 10 -8 cm nagyságrendű, vagyis az atom lineáris méreteinek nagyságrendje, és az atomban lévő elektron hullámtulajdonságait is figyelembe kell venni. Az elektron mozgása az atomban hasonló az állóhullámhoz, és nem egy anyagi pont mozgásának egy pálya mentén, hanem összetett hullámfolyamatnak kell tekinteni. Egy korlátozott térfogatú állóhullámnál csak a λ hullámhossz (és ennek következtében a v oszcillációs frekvencia) bizonyos értékei lehetségesek. A kvantummechanika szerint egy E atom energiája v-hez kapcsolódik az E = hν összefüggésben, ezért csak bizonyos értékeket vehet fel. A térben nem korlátozott mikrorészecske szabad transzlációs mozgása, például egy atomtól elválasztott elektron mozgása (energiája E> 0) hasonló egy haladó hullám korlátlan térfogatú terjedéséhez, amelyre bármely λ (és v) értéke lehetséges. Egy ilyen szabad mikrorészecske energiája bármilyen értéket felvehet (nem kvantált, folyamatos energiaspektrummal rendelkezik). Ez a folyamatos sorozat egy ionizált atomnak felel meg. Az E ∞ = 0 érték az ionizációs határnak felel meg; az E ∞ -E 1 = E ion különbséget ionizációs energiának nevezzük (lásd az Ionizációs potenciál cikket); hidrogénatomnál 13,6 eV.

Elektronsűrűség-eloszlás. Az elektron pontos helyzete egy atomban egy adott időpontban a kapcsolat bizonytalanságai miatt nem határozható meg. Az atomban lévő elektron állapotát hullámfüggvénye határozza meg, amely bizonyos módon függ a koordinátáitól; A hullámfüggvény modulusának négyzete jellemzi az elektron megtalálásának valószínűségi sűrűségét a tér adott pontjában. A hullámfüggvény kifejezetten a Schrödinger-egyenlet megoldása.

Így az elektron állapota egy atomban azzal jellemezhető, hogy elektromos töltése eloszlik a térben egy bizonyos sűrűséggel - az elektronsűrűség eloszlásával. Az elektronok úgymond „elkenődnek” a térben, és „elektronfelhőt” alkotnak. Ez a modell pontosabban jellemzi az atomban lévő elektronokat, mint a szigorúan meghatározott pályákon mozgó pontelektron modellje (Bohr atomelméletében). Ugyanakkor minden ilyen Bohr-pálya egy meghatározott elektronsűrűség-eloszláshoz köthető. Az E 1 talajenergia-szint esetében az elektronsűrűség az atommag közelében koncentrálódik; az E 2, E 3, E 4 ... gerjesztett energiaszintekre ... egyre nagyobb átlagos távolságra oszlik el az atommagtól. A többelektronos atomban az elektronok az atommagot különböző távolságra körülvevő héjakba csoportosulnak, és bizonyos elektronsűrűség-eloszlással jellemezhetők. Az elektronok és az atommag közötti kötés erőssége a külső héjakban kisebb, mint a belső héjakban, és a leggyengébb elektronok a legkülső, legnagyobb dimenziójú héjban kötődnek.

Az elektronspin és a magspin számítása. Az atomelméletben nagyon fontos figyelembe venni az elektron spinjét - saját (spin) szögimpulzusát, amely vizuális szempontból megfelel az elektron saját tengelye körüli forgásának (ha az elektron kis méretű részecskének tekintik). Az elektron spinje száz belső (spin) mágneses momentumhoz kapcsolódik. Ezért egy atomban az elektrosztatikus kölcsönhatásokkal együtt figyelembe kell venni a spin mágneses momentum és az elektron atommag körüli mozgásához kapcsolódó orbitális mágneses momentum által meghatározott mágneses kölcsönhatásokat is; a mágneses kölcsönhatások kicsik az elektrosztatikusakhoz képest. A spin legjelentősebb befolyása a többelektronos atomokban van: egy atom elektronhéjának bizonyos számú elektronnal való kitöltése az elektronok spinétől függ.

Az atommagnak saját mechanikai nyomatéka is lehet - magspin, amely egy olyan magmágneses momentumhoz kapcsolódik, amely több száz és ezerszer kisebb, mint az elektroné. A spinek létezése további, nagyon kicsi kölcsönhatásokhoz vezet az atommag és az elektronok között (lásd alább).

A hidrogénatom kvantumállapotai. Az atom kvantumelméletében a legfontosabb szerepet a legegyszerűbb egyelektronos atom elmélete játssza, amely egy +Ze töltésű magból és egy -e töltésű elektronból áll, vagyis a H hidrogénatom elmélete. és hidrogénszerű ionok He +, Li 2+, Be 3+,..., amelyeket általában a hidrogénatom elméletének neveznek. A kvantummechanika módszereivel pontos és teljes jellemzést lehet kapni az egyelektronos atomban lévő elektron állapotáról. A sokelektronos atom problémája csak megközelítőleg oldható meg; ebben az esetben az egyelektronos atom problémájának megoldásának eredményeiből indulnak ki.

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

az n = 1, 2, 3, ... egész szám határozza meg a lehetséges diszkrét energiaértékeket - energiaszinteket -, és főkvantumszámnak nevezik, R a Rydberg-állandó, amely 13,6 eV. Az atom energiaszintjei konvergálnak (kondenzálódnak) az E ∞ = 0 ionizációs határhoz, ami n = ∞-nek felel meg. A hidrogénszerű ionok esetében csak az energiaértékek skálája változik (Z 2-szer). A hidrogénszerű atom ionizációs energiája (elektronkötési energia) (eV-ban)

ami H, He +, Li 2+, ... értékeket ad 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ....

A (4) alapképlet az U(r) = -Ze 2 /r kifejezésnek felel meg a +Ze töltésű atommag elektromos terében lévő elektron potenciális energiájára. Ezt a képletet először N. Bohr származtatta egy elektron mag körüli mozgásának figyelembevételével egy r sugarú körpályán, és ez egy ilyen rendszerre vonatkozó Schrödinger-egyenlet pontos megoldása. Az energiaszintek (4) a sugarú pályáknak felelnek meg

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

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

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

Külső mezők hatása egy atomra. Az atom mint elektromos rendszer a külső elektromos és mágneses mezőkben további energiára tesz szert. Az elektromos tér polarizálja az atomot - kiszorítja az elektronfelhőket az atommaghoz képest (lásd: Atomok, ionok és molekulák polarizálhatósága), és a mágneses tér bizonyos módon orientálja az atom mágneses momentumát, amely az elektron mozgásához kapcsolódik. az atommag (M l pályaimpulzussal) és spinje. Az azonos energiájú hidrogénatom különböző állapotai egy külső mezőben a ΔE többletenergia különböző értékeinek felelnek meg, és a degenerált E n energiaszint számos alszintre oszlik. Mind az energiaszintek felosztása elektromos térben - a Stark-effektus -, mind a mágneses térben történő felosztása - a Zeeman-effektus - arányos a megfelelő mezők erősségével.

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

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

Figyelembe véve az egymással kölcsönhatásba lépő elektronok megkülönböztethetetlenségét, érdemes csak az atom egészének kvantumállapotairól beszélni. Lehetséges azonban megközelítőleg figyelembe venni az egyes elektronok kvantumállapotait, és mindegyiket n, l, m l és m s kvantumszámokkal jellemezni, hasonlóan a hidrogénatom elektronjaihoz. Ebben az esetben az elektron energiája nemcsak n-től függ, mint a hidrogénatomban, hanem l-től is; még mindig nem m l-től és m s-től függ. A többelektronos atomban adott n és l értékkel rendelkező elektronok energiája azonos, és egy meghatározott elektronhéjat alkotnak. Az ilyen ekvivalens elektronokat és az általuk alkotott héjakat, mint az adott n és l kvantumállapotokat és energiaszinteket, ns, nр, nd, nf, ... szimbólumokkal jelöljük (1 = 0, 1, 2,3 esetén, ...) és beszélnek 2p elektronokról, 3s-o6 héjakról stb.

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

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

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

Minden atomra jellemző a normál elektronkonfiguráció, amely akkor következik be, amikor az atomban lévő összes elektron a legszorosabban kötődik, és a gerjesztett elektronkonfiguráció, amikor egy vagy több elektron lazábban kötődik – magasabb energiaszinteken található. Például egy hélium atom esetében a normál 1s2-vel együtt gerjesztett elektronkonfigurációk is lehetségesek: 1s2s, 1s2p, ... (egy elektron gerjesztve van), 2s 2, 2s2p, ... (mindkét elektron gerjesztve van). Egy bizonyos elektronikus konfiguráció az atom egészének egy energiaszintjének felel meg, ha az elektronhéjak teljesen megteltek (például a Ne atom normál konfigurációja 1s 2 2s 2 2р 6), és több energiaszintnek, ha van részben kitöltött héjak (például a nitrogénatom normál konfigurációja 1s 2 2s 2 2р 3, amelynél a 2р héj félig meg van töltve). Részben kitöltött d- és f-héjak jelenlétében az egyes konfigurációknak megfelelő energiaszintek száma elérheti a sok százat, így a részben kitöltött héjú atom energiaszintjének sémája nagyon bonyolultnak bizonyul. Egy atom talajenergia-szintje a normál elektronkonfiguráció legalacsonyabb szintje.

Kvantumátmenetek az atomban. A kvantumátmenetek során az atom egyik álló állapotból a másikba – egyik energiaszintről a másikra – mozog. Magasabb E i energiaszintről alacsonyabb E k-ra való áttéréskor az atom E i - E k energiát ad fel, a fordított átmenet során pedig megkapja. Mint minden kvantumrendszerben, egy atom esetében a kvantumátmenetek kétféleek lehetnek: sugárzással (optikai átmenetek) és sugárzás nélkül (nem sugárzó vagy nem optikai átmenetek). A kvantumátmenet legfontosabb jellemzője a valószínűsége, amely meghatározza, hogy ez az átmenet milyen gyakran fordulhat elő.

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

ahol hv a foton energia. A kapcsolat (7) a sugárzással kapcsolatos mikroszkopikus folyamatok energiamaradásának törvényét jelenti.

Az alapállapotban lévő atom csak fotonokat képes elnyelni, gerjesztett állapotban azonban elnyelni és ki is bocsátani. Az alapállapotban lévő szabad atom korlátlanul létezhet. Az atom gerjesztett állapotban való tartózkodásának időtartama (ennek az állapotnak az élettartama) korlátozott, az atom spontán módon (spontán módon), részben vagy teljesen elveszíti gerjesztési energiáját, fotont bocsát ki és alacsonyabb energiaszintre lép; Az ilyen spontán emisszió mellett stimulált emisszió is lehetséges, amely az abszorpcióhoz hasonlóan azonos frekvenciájú fotonok hatására következik be. Minél nagyobb a spontán átmenet valószínűsége, annál rövidebb a gerjesztett atom élettartama egy hidrogénatom esetében körülbelül 10-8 másodperc.

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

A nem sugárzó kvantumátmeneteknél az atom energiát nyer vagy veszít, amikor kölcsönhatásba lép más részecskékkel, amelyekkel gázban ütközik, vagy hosszú ideig egy molekulában, folyékony vagy szilárd anyagban kötődik. Gázban az atom szabadnak tekinthető az ütközések közötti időintervallumokban; Ütközés (ütődés) során egy atom alacsonyabb vagy magasabb energiaszintre mozdulhat el. Az ilyen ütközést rugalmatlannak nevezzük (ellentétben a rugalmas ütközéssel, amelyben az atom transzlációs mozgásának csak a kinetikus energiája változik meg, belső energiája pedig változatlan marad). Fontos speciális eset a szabad atom és az elektron ütközése; Általában az elektron gyorsabban mozog, mint az atom, az ütközési idő nagyon rövid és elektronbecsapódásról beszélhetünk. Egy atom elektronbecsapódással történő gerjesztése az energiaszintek meghatározásának egyik módja.

Az atom kémiai és fizikai tulajdonságai. Az atomok tulajdonságainak többségét a külső elektronhéjak szerkezete és jellemzői határozzák meg, amelyekben az elektronok viszonylag gyengén kötődnek az atommaghoz (több eV-tól több tíz eV-ig kötődnek). Az atom belső héjainak szerkezete, amelyek elektronjai sokkal szorosabban kötődnek (kötési energiák száz, ezer és tízezer eV), csak akkor jelenik meg, ha az atom kölcsönhatásba lép gyors részecskékkel és nagy energiájú fotonokkal (tovább több száz eV). Az ilyen kölcsönhatások meghatározzák az atom röntgenspektrumát és a gyors részecskék szóródását (lásd Részecske diffrakció). Az atom tömege határozza meg mechanikai tulajdonságait az atom egészének mozgása során - lendület, mozgási energia. Az atom különféle rezonáns és egyéb fizikai tulajdonságai az atom mechanikai és kapcsolódó mágneses és elektromos momentumaitól függenek (lásd Elektronparamágneses rezonancia, Magmágneses rezonancia, Nukleáris kvadrupólus rezonancia).

Az atomok külső héjában lévő elektronok könnyen ki vannak téve külső hatásoknak. Amikor az atomok találkoznak, erős elektrosztatikus kölcsönhatás lép fel, ami kémiai kötés kialakulásához vezethet. Két atom gyengébb elektrosztatikus kölcsönhatása kölcsönös polarizációjukban nyilvánul meg - az elektronok atommaghoz viszonyított elmozdulásában, ami a gyengén kötött külső elektronok esetében a legerősebb. Az atomok között polarizációs vonzási erők lépnek fel, amelyeket a köztük lévő nagy távolságok esetén is figyelembe kell venni. Atompolarizáció külső elektromos mezőben is előfordul; Ennek eredményeként az atom energiaszintjei eltolódnak, és ami a legfontosabb, a degenerált energiaszintek kettéválnak (Stark-effektus). Egy atom polarizációja létrejöhet egy fény (elektromágneses) hullám elektromos mezőjének hatására; a fény frekvenciájától függ, ami meghatározza a tőle való függőséget és a törésmutatót (lásd Fényszóródás), ami az atom polarizálhatóságához kapcsolódik. Az atom optikai jellemzői és elektromos tulajdonságai közötti szoros kapcsolat különösen az optikai spektrumokban mutatkozik meg.

Az atomok mágneses tulajdonságait elsősorban elektronikus héjuk szerkezete határozza meg. Az atom mágneses nyomatéka a mechanikai nyomatékától függ (lásd a mágneses-mechanikai arányt egy teljesen kitöltött elektronhéjjal rendelkező atomban, akárcsak a mechanikai nyomaték). A részben kitöltött külső elektronhéjjal rendelkező atomok mágneses momentuma általában nem nulla, és paramágnesesek. Külső mágneses térben az atomok minden szintje, amelynek mágneses momentuma nem egyenlő nullával, felhasad – a Zeeman-effektus megtörténik. Minden atom rendelkezik diamágnesességgel, amelyet egy mágneses momentum megjelenése okoz bennük külső mágneses tér hatására (az ún. indukált mágneses momentum, hasonló az atom elektromos dipólusmomentumához).

Egy atom szekvenciális ionizációjával, azaz elektronjainak eltávolításával, kezdve a legkülsőkkel, kötésük erőssége szerint, az atomnak a külső héja által meghatározott összes tulajdonsága ennek megfelelően megváltozik. Egyre erősebben kötött elektronok válnak külsővé; ennek következtében az atom elektromos térben való polarizációs képessége nagymértékben csökken, az energiaszintek közötti távolságok és az e szintek közötti optikai átmenetek frekvenciái megnövekednek (ami a spektrumok egyre rövidebb hullámhosszok felé történő eltolódásához vezet). Számos tulajdonság periodicitást mutat: a hasonló külső elektronokkal rendelkező ionok tulajdonságai hasonlóak; például N 3+ (két 2s elektron) hasonlóságot mutat N 5+-hoz (két 1s elektron). Ez vonatkozik az energiaszintek jellemzőire és egymáshoz viszonyított helyzetére, valamint az optikai spektrumokra, az atomok mágneses momentumaira stb. A tulajdonságok legdrámaibb változása akkor következik be, amikor az utolsó elektront eltávolítjuk a külső héjból, amikor csak a teljesen kitöltött héjak maradnak meg, például amikor N 4+-ból N 5+-ba megyünk (1s 2 2s és 1s 2 elektronikus konfigurációk). Ebben az esetben az ion a legstabilabb, és teljes mechanikai és teljes mágneses nyomatéka nulla.

Egy kötött állapotban lévő atom (például egy molekularész) tulajdonságai eltérnek a szabad atom tulajdonságaitól. Egy atom tulajdonságai a legnagyobb változásokon mennek keresztül, amelyet a legkülső elektronok határoznak meg, amelyek részt vesznek egy adott atomnak a másikhoz való kapcsolódásában. Ugyanakkor a belső héjak elektronjai által meghatározott tulajdonságok gyakorlatilag változatlanok maradhatnak, akárcsak a röntgenspektrumok esetében. Az atom egyes tulajdonságai viszonylag kis mértékben változhatnak, amiből információt nyerhetünk a kötött atomok kölcsönhatásainak természetéről. Fontos példa erre a kristályokban és összetett vegyületekben az atomi energiaszintek kettéhasadása, amely a környező ionok által létrehozott elektromos mezők hatására megy végbe.

Az atom szerkezetének, energiaszintjének, más atomokkal, elemi részecskékkel, molekulákkal, külső mezőkkel és így tovább való kölcsönhatásainak tanulmányozására szolgáló kísérleti módszerek változatosak, de a fő információkat a spektrumai tartalmazzák. Az atomspektroszkópiai módszerek minden hullámhossz-tartományban, és különösen a modern lézerspektroszkópiai eljárások lehetővé teszik az atommal kapcsolatos, egyre finomabb hatások vizsgálatát. A 19. század eleje óta az atom létezése nyilvánvaló volt a tudósok számára, de a 20. század elején J. Perrin végzett kísérletet a létezésének bizonyítására. A mikroszkópia fejlődésével lehetővé vált a szilárd testek felszínén lévő atomok képeinek készítése. Az atomot először E. Muller (USA, 1955) látta meg az általa feltalált terepi ionmikroszkóp segítségével. A modern atomerő- és alagútmikroszkópok lehetővé teszik, hogy szilárd felületekről atomi szinten jó felbontású képeket készítsünk (lásd 3. ábra).

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

Léteznek úgynevezett egzotikus atomok, amelyeket széles körben alkalmaznak különböző vizsgálatokban, például müonatomok, azaz olyan atomok, amelyekben az elektronok egy részét vagy egészét negatív müonok, müónium, pozitrónium, valamint töltött pionokból, kaonokból álló hadronatomok helyettesítik. , protonok, deuteronok stb. Az antihidrogénatom (2002) - egy pozitronból és egy antiprotonból álló atom - első megfigyelései is megtörténtek.

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

Az atom (a görög άτομοσ szóból - oszthatatlan) a kémiai elem legkisebb részecskéje, amely megőrzi minden kémiai tulajdonságát. Az atom pozitív töltésű protonokból és elektromosan semleges neutronokból álló sűrű magból áll, amelyet egy sokkal nagyobb negatív töltésű elektronfelhő vesz körül. Ha a protonok száma megegyezik az elektronok számával, az atom elektromosan semleges, egyébként ion, bizonyos töltéssel. Az atomokat a protonok és a neutronok száma szerint osztályozzák: a protonok száma határozza meg a kémiai elemet, a neutronok száma pedig az elem nuklidját.

Az atomok egymással kötéseket képezve molekulákká és nagy szilárd anyagokká egyesülnek.

Az emberiség ősidők óta gyanította a legkisebb anyagrészecskék létezését, de az atomok létezésére csak a 19. század végén kaptak megerősítést. De szinte azonnal világossá vált, hogy az atomok viszont összetett szerkezettel rendelkeznek, amely meghatározza tulajdonságaikat.

Az atom, mint az anyag legkisebb oszthatatlan részecskéjének fogalmát először az ókori görög filozófusok javasolták. A 17. és 18. században a vegyészek felfedezték, hogy a vegyszerek bizonyos arányokban reagálnak, amelyeket kis számokkal fejeznek ki. Ezenkívül izoláltak bizonyos egyszerű anyagokat, amelyeket kémiai elemeknek neveztek. Ezek a felfedezések az oszthatatlan részecskék gondolatának újjáéledéséhez vezettek. A termodinamika és a statisztikus fizika fejlődése megmutatta, hogy a testek termikus tulajdonságai az ilyen részecskék mozgásával magyarázhatók. Végül kísérleti úton határozták meg az atomok méretét.

A 19. század végén és a 20. század elején a fizikusok felfedezték a szubatomi részecskék közül az elsőt, az elektront, majd valamivel később az atommagot is, ezzel kimutatva, hogy az atom nem oszthatatlan. A kvantummechanika fejlődése lehetővé tette nemcsak az atomok szerkezetének, hanem tulajdonságaik magyarázatát is: az optikai spektrumok, a reakciókba való belépés és a molekulaképző képesség, i.e.

Az atom szerkezetének általános jellemzői

Az atom szerkezetére vonatkozó modern elképzelések a kvantummechanikán alapulnak.

Népszerű szinten az atom szerkezetét a hullámmodellben lehet bemutatni, amely a Bohr-modellre épül, de figyelembe veszi a kvantummechanikából származó további információkat is.

E modell szerint:

Az atomok elemi részecskékből állnak (protonok, elektronok és neutronok). Az atom tömege főként az atommagban koncentrálódik, így a térfogat nagy része viszonylag üres. Az atommagot elektronok veszik körül. Az elektronok száma megegyezik az atommagban lévő protonok számával, a protonok száma határozza meg az elem rendszámát a periódusos rendszerben. Semleges atomban az elektronok teljes negatív töltése megegyezik a protonok pozitív töltésével. Ugyanazon elem különböző neutronszámú atomjait izotópoknak nevezzük.
Az atom közepén egy apró, pozitív töltésű atommag található, amely protonokból és neutronokból áll.
Az atommag körülbelül 10 000-szer kisebb, mint maga az atom. Így, ha egy atomot a Boryspil repülőtér méretűre nagyít, az atommag mérete kisebb lesz, mint egy asztaliteniszlabda mérete.
A magot elektronfelhő veszi körül, amely térfogatának nagy részét elfoglalja. Az elektronfelhőben héjakat lehet megkülönböztetni, amelyek mindegyikéhez több lehetséges pálya is létezik. A töltött pályák alkotják az egyes kémiai elemek elektronikus konfigurációját.
Minden pálya legfeljebb két elektront tartalmazhat, amelyeket három kvantumszám jellemez: fundamentális, orbitális és mágneses.
A pályán lévő minden elektronnak a negyedik kvantumszám egyedi értéke van: spin.
A pályákat egy adott valószínűségi eloszlás határozza meg, hogy pontosan hol található egy elektron. A pályák példái és szimbólumai a jobb oldali ábrán láthatók. Egy pálya „határának” azt a távolságot tekintjük, amelynél kisebb, mint 90% annak valószínűsége, hogy egy elektron kívül lehet.
Minden héj legfeljebb egy szigorúan meghatározott számú elektront tartalmazhat. Például az atommaghoz legközelebbi héj legfeljebb két elektront tartalmazhat, a következő - 8, a harmadik az atommagtól - 18 és így tovább.
Ha elektronokat adunk egy atomhoz, azok alacsony energiájú pályára esnek. Csak a külső héj elektronjai vehetnek részt az atomközi kötések kialakításában. Az atomok feladhatják és felvehetik az elektronokat, pozitív vagy negatív töltésű ionokká válhatnak. Egy elem kémiai tulajdonságait az határozza meg, hogy az atom milyen könnyedséggel tud elektronokat feladni vagy felvenni. Ez mind az elektronok számától, mind a külső héj kitöltési fokától függ.
Atom mérete

Az atom mérete nehezen mérhető mennyiség, mivel a központi atommagot diffúz elektronfelhő veszi körül. A szilárd kristályokat alkotó atomok esetében a kristályrács szomszédos helyei közötti távolság a méretük hozzávetőleges értékeként szolgálhat. Az atomok esetében nem képződnek kristályok, más értékelési technikákat alkalmaznak, beleértve az elméleti számításokat is. Például egy hidrogénatom méretét 1,2 × 10-10 m-re becsülik. Ezt az értéket össze lehet hasonlítani egy proton méretével (amely a hidrogénatom magja): 0,87 × 10-15 m, és ellenőrizze. hogy a hidrogénatom magja 100 000-szer kisebb, mint maga az atom. Más elemek atomjai megközelítőleg azonos arányt tartanak fenn. Ennek az az oka, hogy a nagyobb, pozitív töltésű maggal rendelkező elemek erősebben vonzzák az elektronokat.

Az atomok méretének másik jellemzője a van der Waals-sugár - az a távolság, ameddig egy másik atom megközelítheti az adott atomot. A molekulák atomközi távolságait a kémiai kötések hossza vagy a kovalens sugár jellemzi.

Mag

Az atom nagy része az atommagban koncentrálódik, amely nukleonokból áll: protonokból és neutronokból, amelyeket nukleáris kölcsönhatási erők kapcsolnak össze.

Az atommagban lévő protonok száma határozza meg annak rendszámát és azt, hogy az atom melyik elemhez tartozik. Például a szénatomok 6 protont tartalmaznak. Minden meghatározott rendszámú atomnak ugyanazok a fizikai jellemzői és ugyanazok a kémiai tulajdonságaik. A periódusos táblázat az elemeket növekvő atomszám szerint sorolja fel.

Egy elem atomjában lévő protonok és neutronok összszáma határozza meg az atom tömegét, mivel egy proton és egy neutron tömege megközelítőleg 1 amu. Az atommagban lévő neutronok nem azt befolyásolják, hogy az atom melyik elemhez tartozik, hanem egy kémiai elemet azonos számú protonnal és különböző számú neutronnal rendelkezhetnek atomok. Az ilyen atomok azonos rendszámúak, de eltérő atomtömegűek, és ezeket az elem izotópjainak nevezik. Amikor egy izotóp nevét írjuk, írjuk utána az atomtömeget. Például a szén-14 izotóp 6 protont és 8 neutront tartalmaz, így az atomtömege 14. Egy másik népszerű jelölési módszer az, hogy az atomtömeget egy felső indexszel írják elő az elem szimbóluma elé. Például a szén-14 jelölése 14C.

Egy elem periódusos rendszerben megadott atomtömege a természetben található izotópok tömegének átlagértéke. Az átlagolást a természetben előforduló izotóp mennyisége alapján végezzük.

A rendszám növekedésével az atommag pozitív töltése növekszik, és ennek következtében nő a protonok közötti Coulomb-taszítás. Egyre több neutronra van szükség a protonok összetartásához. A neutronok nagy része azonban instabil, és ez a körülmény korlátozza az atommag lehetséges töltését és a természetben létező kémiai elemek számát. A nagy atomszámú kémiai elemek nagyon rövid élettartamúak, csak a könnyű elemek magjának ionokkal történő bombázásával jöhetnek létre, és csak gyorsítókkal végzett kísérletek során figyelhetők meg. 2008 februárjától a nehéz szintetizált kémiai elem az unokcium

A kémiai elemek számos izotópja instabil és idővel bomlik. Ennek a jelenségnek, amelyet a radioelem-vizsgálatok a tárgyak korának meghatározására használnak, nagy jelentősége van a régészet és az őslénytan számára.

Bohr modell

A Bohr-modell az első olyan fizikai modell, amely képes volt helyesen leírni a hidrogénatom optikai spektrumát. A kvantummechanika precíz módszereinek kidolgozása után Bohr modelljének csak történeti jelentősége van, de egyszerűsége miatt ma is széles körben oktatják és használják az atom szerkezetének kvalitatív megértésére.

Bohr modellje Rutherford bolygómodelljén alapul, amely az atomot egy kicsi, pozitív töltésű atommagként írja le, amelynek negatív töltésű elektronjai különböző szinteken keringenek, ami a Naprendszer szerkezetére emlékeztet. Rutherford egy bolygómodellt javasolt az alfa-részecskék fémfóliával történő szórásával kapcsolatos kísérletei eredményeinek magyarázatára. A bolygómodell szerint az atom egy nehéz magból áll, amely körül az elektronok forognak. De az, hogy az atommag körül forgó elektronok nem esnek rá spirálisan, az akkori fizikusok számára érthetetlen volt. Valójában az elektromágnesesség klasszikus elmélete szerint egy atommag körül forgó elektronnak elektromágneses hullámokat (fényt) kell kibocsátania, ami fokozatos energiavesztéshez vezet, és az atommagra hullana. Ezért egyáltalán hogyan létezhet atom? Ezenkívül az atomok elektromágneses spektrumának vizsgálata kimutatta, hogy az atomban lévő elektronok csak egy bizonyos frekvenciájú fényt tudnak kibocsátani.

Ezeket a nehézségeket sikerült legyőzni a Niels Bohr által 1913-ban javasolt modellben, amely azt feltételezi, hogy:

Az elektronok csak diszkrét kvantált energiájú pályákon lehetnek. Vagyis nem minden pálya lehetséges, hanem csak néhány konkrét. A megengedett pályák pontos energiája az atomtól függ.
A klasszikus mechanika törvényei nem érvényesek, amikor az elektronok egyik megengedett pályáról a másikra mozognak.
Amikor egy elektron az egyik pályáról a másikra mozog, az energiakülönbséget egyetlen fénykvantum (foton) bocsátja ki (vagy nyeli el), amelynek frekvenciája közvetlenül függ a két pálya közötti energiakülönbségtől.

ahol ν a foton frekvenciája, E az energiakülönbség, h pedig az arányossági állandó, más néven Planck-állandó.
Miután megállapította, mit lehet leírni

ahol ω a foton szögfrekvenciája.
A megengedett pályák az egyenlettel leírt L szögmomentum kvantált értékétől függenek.

ahol n = 1,2,3,...
és szögimpulzus-kvantumszámnak nevezzük.
Ezek a feltételezések lehetővé tették az akkori megfigyelések eredményeinek magyarázatát, például azt, hogy miért áll a spektrum diszkrét vonalakból. A (4) feltevés szerint n legkisebb értéke 1. Ennek megfelelően a legkisebb elfogadható atomi sugár 0,526 Å (0,0529 nm = 5,28 10-11 m). Ezt az értéket Bohr-sugárnak nevezik.

Bohr modelljét néha félklasszikus modellnek is nevezik, mert bár magában foglal néhány kvantummechanikai ötletet, nem a hidrogénatom teljes kvantummechanikai leírása. Bohr modellje azonban jelentős lépés volt egy ilyen leírás létrehozása felé.

A hidrogénatom szigorú kvantummechanikai leírásában az energiaszinteket a stacionárius Schrödinger-egyenlet megoldásából találjuk meg. Ezeket a szinteket a fent jelzett három kvantumszám jellemzi, a szögimpulzus kvantumszámának képlete más, a szögimpulzus kvantumszáma a gömb alakú s-pályák esetében nulla, a megnyúlt súlyzó alakú p-pályák esetében az egység stb. (lásd a fenti képet).

Az atomenergia és kvantálása

Az atomok energiaértékeit a kvantummechanika előírásai alapján számítják ki és értelmezik. Ebben az esetben olyan tényezőket vesznek figyelembe, mint az elektronok elektrosztatikus kölcsönhatása az atommaggal és az elektronok egymással, az elektron spinek és az azonos részecskék elve. A kvantummechanikában az atom helyzetét egy hullámfüggvény írja le, amely a Schrödinger-egyenlet megoldásából kereshető. Létezik egy meghatározott állapothalmaz, amelyek mindegyikének sajátos energiaértéke van. A legalacsonyabb energiájú állapotot alapállapotnak nevezzük. A többi állapotot izgatottnak nevezzük. Az atom véges ideig gerjesztett állapotban van, előbb-utóbb kibocsátja az elektromágneses mező egy kvantumát (fotont), és átmegy az alapállapotba. Egy atom hosszú ideig alapállapotban maradhat. Az izgalomhoz külső energiára van szüksége, ami csak a külső környezetből érkezhet hozzá. Egy atom csak bizonyos, az állapotai közötti energiakülönbségnek megfelelő frekvenciákon bocsát ki vagy nyel el fényt.

Az atom lehetséges állapotait kvantumszámok indexálják, mint például a spin, a pálya szögimpulzus-kvantumszáma és a teljes impulzusimpulzus-kvantumszám. Besorolásukkal kapcsolatos további részletek az elektronikus kifejezések című cikkben találhatók

Összetett atomok elektronikus héjai

Az összetett atomoknak több tíz, a nagyon nehéz elemeknek pedig akár több száz elektronja van. Az azonos részecskék elve szerint az atomok elektronállapotait minden elektron alkotja, és nem lehet meghatározni, hogy mindegyik hol helyezkedik el. Az úgynevezett egyelektronos közelítésben azonban beszélhetünk az egyes elektronok bizonyos energiaállapotairól.

Ezen elképzelések szerint van egy bizonyos pályák halmaza, amelyek tele vannak az atom elektronjaival. Ezek a pályák egy meghatározott elektronikus konfigurációt alkotnak. Egy pálya legfeljebb két elektront tartalmazhat (Pauli-kizárási elv). A pályák héjakba vannak csoportosítva, amelyek mindegyike csak meghatározott számú pályát tartalmazhat (1, 4, 10 stb.). A pályákat belsőre és külsőre osztják. Az atomok alapállapotában a belső héjak teljesen tele vannak elektronokkal.

A belső pályákon az elektronok nagyon közel vannak az atommaghoz, és erősen kötődnek hozzá. Ahhoz, hogy egy elektront eltávolítsunk a belső pályáról, nagy energiával kell ellátni, akár több ezer elektronvoltig. A belső héjon lévő elektron csak röntgenkvantum elnyelésével nyerhet ilyen energiát. Az atomok belső héjának energiái minden kémiai elemnél egyediek, ezért egy atom a röntgenabszorpciós spektrum alapján azonosítható. Ezt a körülményt röntgenanalízisben használják.

A külső héjban az elektronok az atommagtól távol helyezkednek el. Ezek az elektronok vesznek részt a kémiai kötések kialakításában, ezért a külső héjat vegyértéknek, a külső héj elektronjait pedig vegyértékelektronoknak nevezzük.

Kvantumátmenetek az atomban

Az atomok különböző állapotai közötti átmenetek lehetségesek, amelyeket külső zavar, leggyakrabban elektromágneses tér okoz. Az atomi állapotok kvantálása miatt az atomok optikai spektruma egyedi vonalakból áll, ha a fénykvantum energiája nem haladja meg az ionizációs energiát. Magasabb frekvenciákon az atomok optikai spektruma folytonossá válik. Az atom fény általi gerjesztésének valószínűsége a frekvencia további növekedésével csökken, de a röntgentartományban lévő egyes kémiai elemekre jellemző bizonyos frekvenciákon meredeken növekszik.

A gerjesztett atomok ugyanazon a frekvencián bocsátanak ki fénykvantumokat, mint az abszorpció.

Az atomok különböző állapotai közötti átmeneteket a gyors töltésű részecskékkel való kölcsönhatás is okozhatja.

Az atom kémiai és fizikai tulajdonságai

Az atomok kémiai tulajdonságait elsősorban a vegyértékelektronok – a külső héj elektronjai – határozzák meg. A külső héj elektronjainak száma határozza meg az atom vegyértékét.

Az elemek periódusos rendszerének utolsó oszlopának atomjai teljesen kitöltött külső héjjal rendelkeznek, és ahhoz, hogy az elektron a következő héjra kerüljön, az atomot nagyon nagy energiával kell ellátni. Ezért ezek az atomok inertek, és nem hajlamosak kémiai reakciókba. Az inert gázok csak nagyon alacsony hőmérsékleten elvékonyodnak és kristályosodnak.

Az elemek periódusos rendszerének első oszlopában lévő atomoknak egy elektron van a külső héjában, és kémiailag aktívak. Vegyértékük 1. Ezeknek az atomoknak a kémiai kötéseinek jellemző típusa kristályos állapotban a fémes kötés.

A periódusos rendszer második oszlopában lévő atomok alapállapotban 2 s elektront tartalmaznak a külső héjukban. Külső héjuk tele van, tehát inertnek kell lenniük. De ahhoz, hogy az s2 elektronhéj konfigurációjú alapállapotból az s1p1 konfigurációjú állapotba kerüljünk, nagyon kevés energia szükséges, így ezeknek az atomoknak a vegyértéke 2, de kisebb aktivitást mutatnak.

Az elemek periódusos rendszerének harmadik oszlopában lévő atomok alapállapotukban s2p1 elektronkonfigurációval rendelkeznek. Különböző vegyértékeket mutathatnak: 1, 3, 5. Az utolsó lehetőség akkor merül fel, ha egy atom elektronhéját 8 elektronhoz adjuk, és bezárul.

Az elemek periódusos rendszerének negyedik oszlopában lévő atomok vegyértéke 4 (például szén-dioxid CO2), bár 2-es vegyérték is lehetséges (például szén-monoxid CO). Ez az oszlop előtt a szén tartozik, egy olyan elem, amely sokféle kémiai vegyületet képez. A kémia egy speciális ága a szénvegyületeknek – a szerves kémiának – van szentelve. Az oszlop többi eleme a szilícium, a germánium pedig normál körülmények között szilárdtest-félvezető.

Az ötödik oszlopban szereplő elemek vegyértéke 3 vagy 5.

A periódusos rendszer hatodik oszlopának elemei alapállapotukban s2p4 konfigurációjúak, és a teljes spin 1. Ezért kétértékűek. Lehetőség van arra is, hogy egy atom s2p3s" gerjesztett állapotba kerüljön 2-es spinnel, amelyben a vegyérték 4 vagy 6.

A periódusos rendszer hetedik oszlopának elemeinek külső héjában hiányzik egy elektron, hogy kitöltse azt. Többnyire monovalensek. Gerjesztett állapotban azonban kémiai vegyületekké léphetnek fel, amelyek vegyértéke 3,5,7.

Az átmeneti elemek általában kitöltik a külső s-héjat, mielőtt a d-héj teljesen megtelne. Ezért többnyire 1-es vagy 2-es vegyértékük van, de egyes esetekben az egyik d-elektron részt vesz a kémiai kötések kialakításában, és a vegyérték hárommal egyenlővé válik.

Amikor kémiai vegyületek keletkeznek, az atomi pályák módosulnak, deformálódnak és molekuláris pályákká válnak. Ebben az esetben megtörténik az orbitálok hibridizációjának folyamata - új pályák kialakulása, az alapok specifikus összegeként.

Az atom fogalmának története

További részletek az atomizmus cikkben
Az atom fogalma, akárcsak maga a szó, ógörög eredetű, bár az atomok létezésére vonatkozó hipotézis igazsága csak a XX. században igazolódott be. A fő gondolat, amely évszázadokon át e koncepció mögött állt, az volt az elképzelés, hogy a világ számos oszthatatlan elem halmaza, amelyek nagyon egyszerű szerkezetűek és az idők kezdete óta léteznek.

Az atomisztikus doktrína első hirdetői

Az atomisztikus tanításokat először Leukipposz filozófus hirdette a Kr.e. V. században. Aztán tanítványa, Démokritosz vette át a pálcát. Munkájukból csak elszigetelt töredékek maradtak fenn, amelyekből világossá válik, hogy kevés, meglehetősen absztrakt fizikai hipotézisből indultak ki:

„Édesség és keserűség, meleg és hideg a definíció jelentése, de valójában [csak] az atomok és az üresség.”

Démokritosz szerint az egész természet atomokból áll, az anyag legkisebb részecskéiből, amelyek nyugalomban vannak, vagy teljesen üres térben mozognak. Minden atomnak egyszerű formája van, és az azonos típusú atomok azonosak; A természet sokfélesége az atomformák változatosságát és az atomok egymáshoz tapadásának sokféleségét tükrözi. Mind Démokritosz, mind Leukipus úgy gondolta, hogy az atomok, miután elkezdtek mozogni, a természet törvényei szerint mozognak tovább.

A legnehezebb kérdés az ókori görögök számára az atomizmus alapfogalmainak fizikai valósága volt. Milyen értelemben beszélhetünk az üresség valóságáról, ha annak, ha nincs anyaga, nem lehet semmilyen fizikai tulajdonsága? Leucipus és Démokritosz elképzelései nem szolgálhattak kielégítő alapként a fizikai sík anyagelméletéhez, mivel nem magyarázták meg, miből állnak az atomok, és azt sem, hogy az atomok miért oszthatatlanok.

Egy nemzedékkel Démokritosz után Platón javasolta a megoldást erre a problémára: „a legkisebb részecskék nem az anyag, hanem a geometria birodalmához tartoznak; különféle tömör geometriai alakzatokat ábrázolnak, amelyeket lapos háromszögek határolnak.

Az atom fogalma az indiai filozófiában

Ezer évvel később az ókori görögök elvont érvelése behatolt Indiába, és az indiai filozófia egyes iskolái is átvették. De ha a nyugati filozófia úgy gondolta, hogy az atomelméletnek konkrét és objektív alapjává kell válnia az anyagi világ elméletének, az indiai filozófia az anyagi világot mindig illúzióként fogta fel. Amikor az atomizmus megjelent Indiában, annak az elméletnek a formáját öltötte, hogy a világ valósága folyamatból és nem szubsztanciából áll, és a világban egy folyamat láncszemeiként vagyunk jelen, nem pedig anyagcsomókként.

Vagyis mind Platón, mind az indiai filozófusok valami ilyesmit gondoltak: ha a természet kicsi, de véges méretű részekből áll, akkor miért nem lehet ezeket, legalábbis képzeletben, még kisebb részecskékre felosztani, ami a tárgy lett. további mérlegelésről?

Atomisztikus elmélet a római tudományban

Lucretius római költő (i. e. 96-55) azon kevés rómaiak egyike volt, akik érdeklődést mutattak a tiszta tudomány iránt. A dolgok természetéről (De rerum natura) című költeményében részletesen kifejtette azokat a tényeket, amelyek az atomelmélet mellett tanúskodnak. Például egy nagy erővel fújó szél, bár senki sem látja, valószínűleg túl nehezen látható részecskékből áll. A távolban lévő dolgokat szag, hang és hő segítségével érzékeljük, amelyek úgy terjednek, hogy láthatatlanok maradnak.

Lucretius a dolgok tulajdonságait összekapcsolja összetevőik tulajdonságaival, azaz. Atomok: A folyadék atomjai kicsik és kerek alakúak, ezért a folyadék olyan könnyen áramlik és átszivárog egy porózus anyagon, míg a szilárd anyagok atomjainak kampói vannak, amelyek összetartják őket. Hasonlóképpen, a különböző ízérzések és hangok különböző hangereje megfelelő formájú atomokból tevődik össze – az egyszerűtől a harmonikustól a kanyargós és szabálytalanig.

Ám Lucretius tanításait az egyház elítélte, mert meglehetősen materialista magyarázatot adott rájuk: például azt az elképzelést, hogy Isten, miután elindított egy atommechanizmust, többé nem avatkozik bele annak munkájába, vagy hogy a lélek is meghal. test.

Az első elméletek az atom szerkezetéről

Az egyik első elméletet az atom szerkezetéről, amelynek már modern körvonalai vannak, Galilei (1564-1642) írta le. Elmélete szerint az anyag olyan részecskékből áll, amelyek nem nyugszanak, hanem hő hatására minden irányba mozognak; a hő nem más, mint a részecskék mozgása. A részecskék szerkezete összetett, és ha anyagi héjának bármely részét megfosztjuk, akkor belülről fény fröccsen ki. Galilei volt az első, aki – bár fantasztikus formában – bemutatta az atom szerkezetét.

Tudományos alapok

A 19. században John Dalton bizonyítékot szerzett az atomok létezésére, de feltételezte, hogy oszthatatlanok. Ernest Rutherford kísérletileg kimutatta, hogy az atom egy magból áll, amelyet negatív töltésű részecskék - elektronok - vesznek körül.

ATOM, az anyag legkisebb részecskéje, amely kémiai reakciókba léphet. Minden anyagnak egyedi atomkészlete van. Valamikor úgy gondolták, hogy az atom oszthatatlan, azonban egy pozitív töltésű MAGból áll, amely körül negatív töltésű elektronok forognak. Az atommag (amelynek jelenlétét 1911-ben Ernst RUTHERFORD állapította meg) sűrűn csomagolt protonokból és neutronokból áll. Az atomon belüli térnek csak egy kis részét foglalja el, azonban az atom szinte teljes tömegét ez teszi ki. 1913-ban Niels BOR javasolta, hogy az elektronok rögzített pályán mozogjanak. Azóta a KVANTUMMECHANIKA területén végzett kutatások a pályák újszerű megértéséhez vezettek: a Heisenberg-BIZTONSÁGI ALAPELV szerint a szubatomi részecske pontos helyzete és MOMENTUMA nem ismerhető meg egyszerre. Az atomban lévő elektronok száma és elrendezésük határozza meg az elem kémiai tulajdonságait. Ha egy vagy több elektront hozzáadunk vagy elveszünk, ion keletkezik.

Az atom tömege az atommag méretétől függ. Ez teszi ki az atom tömegének legnagyobb részét, mivel az elektronok nem nyomnak semmit. Például az uránatom a természetben található legnehezebb atom. 146 neutronból, 92 protonból és 92 elektronból áll. Másrészt a legkönnyebb atom a hidrogénatom, amelynek 1 protonja és egy elektronja van. Az uránatom azonban, bár 230-szor nehezebb, mint a hidrogénatom, csak háromszor nagyobb méretű. Egy atom tömegét atomtömeg egységekben fejezzük ki, és u-val jelöljük. Az atomok még kisebb részecskékből állnak, amelyeket szubatomi (elemi) részecskéknek neveznek. A főbbek a protonok (pozitív töltésű), a neutronok (elektronikusan semlegesek) és az elektronok (negatív töltésűek). körbe-körbe pörögni! magok tőle bizonyos távolságra, arányosak az atom méreteivel. 112 különböző típusú atom van, a periódusos rendszerben az elemek atomjai különböznek egymástól atomszámban és atomtömegben. tömege körülbelül 1K4()-szer nagyobb, mint az elektronok, mivel az atommagok mindig pozitív töltésűek, ezért az atommag elektronokat tart a pályájukon neutronok még kisebb részecskékből állnak, kvarkok határozzák meg kémiai gnonstia H oshichis a Naprendszer bolygóiról, a nemropok véletlenszerűen keringenek a mag körül, oiMiiMi sem a magtól fix távolságra, ar-IVH "aboutSyulochki". Minél több energiája van az elek-iponnak. li"M tovább tud távolodni, leküzdve a pozitív töltésű atommag vonzását. Semleges atomban az elektronok pozitív töltése egyensúlyba hozza az atommag protonjainak pozitív töltését. 11 Ezért egy elektron eltávolítása vagy hozzáadása az agom egy töltött ion megjelenéséhez vezet az elektronhéjak az atommagtól fix távolságra helyezkednek el, energiaszintjüktől függően Minden héj az atommagtól kezdve van számozva mindegyik csak bizonyos számú elektront tartalmazhat. Ha van elég energia, egy elektron átugorhat egyik héjról a másikra, magasabbra. Amikor ismét az alsó héjhoz ér, foton formájában bocsát ki sugárzást. Az elektron a leptonoknak nevezett részecskék osztályába tartozik, antirészecskéjét pedig pozitronnak nevezik.

NUKLEÁRIS LÁNCREAKCIÓ. Egy nukleáris robbanásnál, például egy nukleáris robbanásnál, egy neutron ütközik egy urán 23b atommagba (vagyis egy olyan atommagba, amelyben a protonok és a neutronok összszáma < 35). Amikor a neutron elnyelődik, az urán 236 nagyon instabil, és két kisebb atommagra bomlik, és ezek mindegyike egy másik uránmagba ütközhet így kritikus feltételeknek nevezzük (az urán-235 mennyisége meghaladja a kritikus tömeget), akkor a neutronütközések száma elegendő lesz ahhoz, hogy a reakció villámgyorsan fejlődjön, pl. láncreakció lép fel. Az atomreaktorban a folyamat során felszabaduló hőt gőz melegítésére használják fel, amely egy turbinagenerátort hajt meg, amely elektromosságot termel.

Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár.

Szinonimák:

Nézze meg, mi az "ATOM" más szótárakban:

atom- atom és... Orosz helyesírási szótár

- (görög atomos, negatív részből. és tome, tomos részleg, szegmens). Egy végtelenül kicsi oszthatatlan részecske, melynek összessége alkot bármely fizikai testet. Az orosz nyelvben szereplő idegen szavak szótára. Chudinov A.N., 1910. ATOM görög ... Orosz nyelv idegen szavak szótára

atom- a m atom m. 1. Az anyag legkisebb oszthatatlan részecskéje. Az atomok nem lehetnek örökkévalók. Cantemir A természetről. Ampere úgy véli, hogy minden oszthatatlan anyagrészecske (atom) integrált mennyiségű elektromosságot tartalmaz. OZ 1848 56 8 240. Legyen... ... Az orosz nyelv gallicizmusainak történeti szótára

- (a görög atomos szóból - oszthatatlan) az anyag legkisebb alkotórészecskéi, amelyekből minden létező áll, beleértve a lelket is, amely a legfinomabb atomokból (Leukipposz, Démokritosz, Epikurosz) képződik. Az atomok örökkévalóak, nem keletkeznek és nem is tűnnek el, állandó lévén... ... Filozófiai Enciklopédia

Atom- Atom ♦ Atom Etimológiailag az atom oszthatatlan részecske, vagy csak spekulatív felosztásnak alávetett részecske; az anyag oszthatatlan eleme (atomjai). Démokritosz és Epikurosz ebben az értelemben érti az atomot. A modern tudósok jól tudják, hogy ez a...... Sponville filozófiai szótára

- (a görög atomos oszthatatlan szóból) a kémiai elem legkisebb részecskéje, amely megőrzi tulajdonságait. Az atom középpontjában egy pozitív töltésű atommag található, amelyben az atom szinte teljes tömege koncentrálódik; Az elektronok körbejárnak, elektronokat képezve... Nagy enciklopédikus szótár

Férfi, görög oszthatatlan; anyag az oszthatóságának szélső határain, egy láthatatlan porszem, amelyből állítólag minden test áll, minden anyag, mintha homokszemekből állna. | Mérhetetlen, végtelenül kicsi porszem, jelentéktelen mennyiség. | A kémikusoknak van szavuk... Dahl magyarázó szótára

cm… Szinonima szótár

ATOM- (a görög atomos oszthatatlan szóból). Az A. szót a modern tudomány különböző értelemben használja. A legtöbb esetben az A.-t a vegyszer maximális mennyiségének nevezik. elem, az elem további töredezettsége az elem egyéniségének elvesztéséhez vezet, azaz éles... ... Nagy Orvosi Enciklopédia

atom- atom Az atom a beszéd része, amely egyetlen kémiai elem kémiai erejének legkisebb hordozója. Sokféle atom létezik, valamint kémiai elemek és izotópok. Elektromosan semleges, atommagokból és elektronokból áll. Atomsugár...... Girnichy enciklopédikus szótár

Könyvek

• A hidrogénatom és a nem euklideszi geometria, V.A. Fok. Ez a könyv az Ön megrendelésének megfelelően, igény szerinti nyomtatás technológiával készül.
• Az 1935-ös kiadás eredeti szerzői helyesírásával reprodukálva (kiadó "Kiadó...

Az atom a kémiai elem legkisebb részecskéje, amely megőrzi minden kémiai tulajdonságát. Az atom egy pozitív elektromos töltésű magból és negatív töltésű elektronokból áll. Bármely kémiai elem atommagjának töltése egyenlő Z és e szorzatával, ahol Z ennek az elemnek a sorszáma a kémiai elemek periodikus rendszerében, e pedig az elemi elektromos töltés értéke.

Elektron az anyag legkisebb negatív elektromos töltésű részecskéje e=1,6·10 -19 coulomb elemi elektromos töltésnek tekintve. Az atommag körül forgó elektronok a K, L, M stb. elektronhéjakban helyezkednek el. K az atommaghoz legközelebb eső héj. Egy atom méretét elektronhéjának mérete határozza meg. Egy atom elveszíthet elektronokat és pozitív ionná válhat, vagy elektronokat nyerhet és negatív ionná válhat. Egy ion töltése határozza meg az elveszett vagy nyert elektronok számát. Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amikor egy semleges atom töltéssel ionná alakul.

Atommag(az atom központi része) elemi nukleáris részecskékből - protonokból és neutronokból - áll. Az atommag sugara körülbelül százezerszer kisebb, mint az atom sugara. Az atommag sűrűsége rendkívül nagy. Protonok- ezek stabil elemi részecskék, amelyek egyetlen pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek, és tömegük 1836-szor nagyobb, mint az elektron tömege. A proton a legkönnyebb elem, a hidrogén atomjának magja. Az atommagban lévő protonok száma Z. Neutron semleges (elektromos töltéssel nem rendelkező) elemi részecske, amelynek tömege nagyon közel van a proton tömegéhez. Mivel az atommag tömege protonok és neutronok tömegéből áll, az atommagban lévő neutronok száma A - Z, ahol A az adott izotóp tömegszáma (lásd). Az atommagot alkotó protont és neutront nukleonoknak nevezzük. Az atommagban a nukleonokat speciális nukleáris erők kötik össze.

Az atommag hatalmas energiatartalékot tartalmaz, amely a magreakciók során szabadul fel. A magreakciók akkor jönnek létre, amikor az atommagok kölcsönhatásba lépnek elemi részecskékkel vagy más elemek magjaival. A magreakciók eredményeként új atommagok keletkeznek. Például egy neutron átalakulhat protonná. Ebben az esetben egy béta részecske, azaz egy elektron kilökődik az atommagból.

A proton neutronra való átmenete az atommagban kétféleképpen történhet: vagy az elektron tömegével megegyező tömegű, de pozitív töltésű részecskét, úgynevezett pozitront (pozitronbomlás) bocsátanak ki. az atommag, vagy az atommag a hozzá legközelebb eső K-héj egyik elektronját befogja (K -befogás).

Néha a kapott atommag többlet energiával rendelkezik (gerjesztett állapotban van), és normál állapotba lépve többletenergiát bocsát ki nagyon rövid hullámhosszú elektromágneses sugárzás formájában. A nukleáris reakciók során felszabaduló energiát gyakorlatilag különféle iparágakban hasznosítják.

Az atom (görögül atomos - oszthatatlan) a kémiai elem legkisebb részecskéje, amelynek kémiai tulajdonságai vannak. Minden elem egy meghatározott típusú atomból áll. Az atom magból áll, amely pozitív elektromos töltést hordoz, és negatív töltésű elektronokból (lásd), amelyek elektronhéjait alkotják. Az atommag elektromos töltésének nagysága egyenlő Z-e-vel, ahol e az elemi elektromos töltés, nagysága megegyezik az elektron töltésével (4,8·10 -10 elektromos egység), Z pedig ennek az elemnek a rendszáma a kémiai elemek periodikus rendszerében (lásd .). Mivel egy nem ionizált atom semleges, a benne lévő elektronok száma is egyenlő Z-vel. Az atommag összetétele (lásd: Atommag) nukleonokat, elemi részecskéket tartalmaz, amelyek tömege körülbelül 1840-szer nagyobb, mint az elektron tömege. (egyenlő 9,1 10 - 28 g), protonok (lásd), pozitív töltésűek, és töltés nélküli neutronok (lásd). Az atommagban lévő nukleonok számát tömegszámnak nevezzük, és A betűvel jelöljük. Az atommagban lévő protonok Z-vel egyenlő száma határozza meg az atomba belépő elektronok számát, az elektronhéjak szerkezetét és a vegyi anyagot. az atom tulajdonságai. A neutronok száma az atommagban A-Z. Az izotópok ugyanannak az elemnek a változatai, amelyek atomjai A tömegszámban különböznek egymástól, de azonos a Z-vel. Így ugyanazon elem különböző izotópjainak atommagjaiban különböző számú azonos neutron található. protonok száma. Izotópok jelölésénél az elem szimbólum fölé az A tömegszámot, alatta pedig a rendszámot írjuk; például az oxigén izotópjai a következők:

Az atom méreteit az elektronhéjak méretei határozzák meg, és minden Z esetében 10-8 cm nagyságrendűek, mivel az atom összes elektronjának tömege több ezerszer kisebb, mint az atommag tömege , az atom tömege arányos a tömegszámmal. Egy adott izotóp atomjának relatív tömegét a C12 szénizotóp atomjának tömegéhez viszonyítva határozzuk meg, 12 egységnek vesszük, és izotóptömegnek nevezzük. Kiderül, hogy közel van a megfelelő izotóp tömegszámához. Egy kémiai elem atomjának relatív tömege az izotóp tömegének átlagos (az adott elem izotópjainak relatív mennyiségét figyelembe véve) értéke, és atomtömegnek (tömegnek) nevezzük.

Az atom egy mikroszkopikus rendszer, szerkezetét és tulajdonságait csak a 20. század 20-as éveiben megalkotott, atomi léptékű jelenségek leírására hivatott kvantumelmélet segítségével lehet megmagyarázni. Kísérletek kimutatták, hogy a mikrorészecskék - elektronok, protonok, atomok stb. - a korpuszkuláris részecskék mellett hullámtulajdonságokkal is rendelkeznek, amelyek diffrakcióban és interferenciában nyilvánulnak meg. A kvantumelméletben a mikroobjektumok állapotának leírására egy bizonyos hullámteret használnak, amelyet egy hullámfüggvény (Ψ-függvény) jellemez. Ez a függvény meghatározza egy mikroobjektum lehetséges állapotainak valószínűségét, azaz jellemzi bizonyos tulajdonságainak megnyilvánulásának lehetséges lehetőségeit. A Ψ függvény térben és időben való változásának törvénye (Schrodinger-egyenlet), amely lehetővé teszi ennek a függvénynek a megtalálását, ugyanazt a szerepet játszik a kvantumelméletben, mint a klasszikus mechanikában Newton mozgástörvényei. A Schrödinger-egyenlet megoldása sok esetben a rendszer diszkrét lehetséges állapotaihoz vezet. Így például egy atom esetében különböző (kvantált) energiaértékeknek megfelelő hullámfüggvények sorozatát kapjuk az elektronokhoz. A kvantumelméleti módszerekkel kiszámított atomi energiaszint-rendszer fényes megerősítést kapott a spektroszkópiában. Egy atom átmenete a legalacsonyabb E 0 energiaszintnek megfelelő alapállapotból az E i gerjesztett állapotok bármelyikébe az E i-E 0 energia egy bizonyos részének elnyelésekor következik be. A gerjesztett atom kevésbé gerjesztett vagy alapállapotba kerül, általában foton kibocsátásával. Ebben az esetben a hv fotonenergia egyenlő az atom energiáinak különbségével két állapotban: hv = E i - E k ahol h Planck-állandó (6,62·10 -27 erg·sec), v a frekvencia a fény.

Az atomspektrumok mellett a kvantumelmélet lehetővé tette az atomok egyéb tulajdonságainak magyarázatát is. Különösen a vegyértéket, a kémiai kötések természetét és a molekulák szerkezetét magyarázták el, és megalkották az elemek periódusos rendszerének elméletét.

A modern emberek folyamatosan hallanak olyan kifejezéseket, amelyek az „atom” szó származékait tartalmazzák. Ez energia, erőmű, bomba. Vannak, akik természetesnek veszik, mások pedig felteszik a kérdést: „Mi az atom?”

Mit jelent ez a szó?

Ókori görög gyökerei vannak. Az „atomos” szóból származik, ami szó szerint „vágatlan”.

Valaki, aki már ismeri az atom fizikáját, felháborodni fog: „Hogyan „vágatlan” valamiféle részecskékből? A helyzet az, hogy a név akkor jelent meg, amikor a tudósok még nem tudták, hogy az atomok nem a legkisebb részecskék.

Ennek a ténynek a kísérleti bizonyítása után úgy döntöttek, hogy nem változtatják meg a szokásos nevet. És 1860-ban az „atomot” a legkisebb részecskének nevezték, amely rendelkezik a hozzá tartozó kémiai elem összes tulajdonságával.

Mi nagyobb az atomnál és mi kisebb nála?

A molekula mindig nagyobb. Több atomból áll, és az anyag legkisebb részecskéje.

De a kisebbek elemi részecskék. Például elektronok és protonok, neutronok és kvarkok. Nagyon sok van belőlük.

Sok szó esett már róla. De még mindig nem egészen világos, mi az atom.

Mi is ő valójában?

Az a kérdés, hogyan kell ábrázolni egy atommodellt, régóta foglalkoztatja a tudósokat. Mára elfogadták az E. Rutherford által javasolt és N. Bohr által véglegesítettet. Eszerint az atom két részre oszlik: az atommagra és az elektronfelhőre.

Az atom tömegének nagy része a központjában koncentrálódik. Az atommag neutronokból és protonokból áll. És az atomban lévő elektronok meglehetősen nagy távolságra helyezkednek el a központtól. Kiderül, hogy valami hasonló a Naprendszerhez. A központban a Naphoz hasonlóan egy mag található, és az elektronok keringenek körülötte pályájukon, mint a bolygók. Ezért nevezik a modellt gyakran planetárisnak.

Érdekes módon az atommag és az elektronok nagyon kis helyet foglalnak el az atom teljes méreteihez képest. Kiderült, hogy van egy kis mag a közepén. Aztán az üresség. Nagyon nagy űr. Aztán egy keskeny csík kis elektronokból.

A tudósok nem jutottak el azonnal ehhez az atommodellhez. Ezt megelőzően sok olyan feltételezés született, amelyeket kísérletek cáfoltak.

Az egyik ilyen ötlet az volt, hogy az atomot szilárd testként ábrázolják, amely pozitív töltéssel rendelkezik. És azt javasolták, hogy elektronokat helyezzenek el egy atomban ebben a testben. Ezt az ötletet J. Thomson terjesztette elő. Az atommodelljét „mazsolapudingnak” is nevezték. A modell nagyon hasonlított erre az ételre.

De tarthatatlan volt, mert nem tudta megmagyarázni az atom néhány tulajdonságát. Ezért utasították el.

H. Nagaoka japán tudós, amikor megkérdezték, mi az atom, egy ilyen modellt javasolt. Véleménye szerint ez a részecske halványan hasonlít a Szaturnusz bolygóra. A központban egy mag található, és körülötte az elektronok gyűrűbe kapcsolt pályákon forognak. Bár a modellt nem fogadták el, egyes rendelkezéseit felhasználták a bolygódiagramban.

Az atomhoz kapcsolódó számokról

Először is a fizikai mennyiségekről. Egy atom teljes töltése mindig nulla. Ez annak köszönhető, hogy a benne lévő elektronok és protonok száma azonos. És a töltésük azonos nagyságú, és ellentétes előjelű.

Gyakran előfordulnak olyan helyzetek, amikor egy atom elektronokat veszít, vagy éppen ellenkezőleg, többletet vonz magához. Ilyen helyzetekben azt mondják, hogy ionná vált. A töltése pedig attól függ, hogy mi történt az elektronokkal. Ha számuk csökken, az ion töltése pozitív. Ha a szükségesnél több elektron van, az ion negatívvá válik.

Most a kémiáról. Ez a tudomány, mint senki más, a legjobban megérti, mi az atom. Hiszen még a benne tanulmányozott fő táblázat is azon a tényen alapul, hogy az atomok bizonyos sorrendben helyezkednek el benne. A periódusos rendszerről beszélünk.

Ebben minden elemhez egy adott szám van hozzárendelve, amely az atommagban lévő protonok számához kapcsolódik. Általában z betűvel jelölik.

A következő érték a tömegszám. Ez egyenlő az atommagban található protonok és neutronok összegével. Általában A betűvel jelölik.

A két jelzett szám a következő egyenlettel kapcsolódik egymáshoz:

A = z + N.

Itt N az atommagban lévő neutronok száma.

Egy másik fontos mennyiség az atom tömege. Ennek mérésére egy speciális értéket vezettek be. Ennek rövidítése: a.e.m. És ez atomi tömegegységként értelmezhető. Ezen egység alapján az Univerzum összes atomját alkotó három részecske tömege van:

Ezekre az értékekre gyakran szükség van vegyi problémák megoldása során.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete