Атом

От Уикипедия, свободната енциклопедия
Отидете на навигация Отидете на търсене
Сравнителен размер на хелиевия атом и неговото ядро

Atom (от старогръцки ἄτομος "неделим [1] , не намали [2] ") е частиците на материята на микроскопични размери и маса, най-малката част на химичен елемент , който е носител на неговите свойства [1] [3 ] .

Атомите се състоят от ядро и електрони (по -точно, електронен "облак" ). Ядрото на атома се състои от протони и неутрони . Броят на неутроните в ядрото може да бъде различен: от нула до няколко десетки. Ако броят на електроните съвпада с броя на протоните в ядрото, тогава атомът като цяло е електрически неутрален. В противен случай той има някакъв положителен или отрицателен заряд и се нарича йон [1] . В някои случаи атомите се разбират само като електрически неутрални системи, в които ядреният заряд е равен на общия заряд на електроните, като по този начин ги противопоставя на електрически заредени йони [3] [4] .

Ядрото, което носи почти цялата (повече от 99,9%) от масата на атома, се състои от положително заредени протони и незаредени неутрони , свързани заедно чрез силни взаимодействия . Атомите се класифицират по броя на протоните и неутроните в ядрото: броят на протоните Z съответства на порядъчния номер на атом в периодичната система на Менделеев и определя принадлежността му към определен химичен елемент, а броят на неутроните N - до определен изотоп на този елемент. Единственият стабилен атом, който не съдържа неутрони в ядрото си, е лекият водород ( протий ). Z числото също определя общия положителен електрически заряд ( Z × e ) на атомното ядро ​​и броя на електроните в неутрален атом, което определя неговия размер [5] .

Атомите от различен тип в различни количества, свързани чрез междуатомни връзки , образуват молекули .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Кратък преглед на различните семейства елементарни и сложни частици и теории, описващи техните взаимодействия . Елементарните частици отляво са фермиони , отдясно са бозони . ( Условия - хипервръзки към статии на вицепрезидент )

Историята на формирането на концепцията

Концепцията за атома като най -малката неделима част от материята е формулирана за първи път от древноиндийски и древногръцки философи (виж: атомизъм ). През 17 -ти и 18 -ти век химиците са успели експериментално да потвърдят тази идея, показвайки, че някои вещества не могат да бъдат допълнително разградени до съставните им елементи с помощта на химически методи. Въпреки това, в края на 19 -ти и началото на 20 -ти век, физиците откриват субатомни частици и съставната структура на атома и става ясно, че истинската частица, получила името на атома, всъщност не е неделима.

На международния конгрес на химиците в Карлсруе (Германия) през 1860 г. бяха приети дефиниции на понятията молекула и атом. Атомът е най -малката частица от химичен елемент, която е част от прости и сложни вещества.

Модели на атоми

  • Парчета материя . Демокрит вярва, че свойствата на дадено вещество се определят от формата , масата и други характеристики на атомите, които го образуват. Така че, да кажем, огънят има остри атоми, така че огънят е в състояние да гори, твърдите тела са груби, така че те здраво се прилепват едно към друго, водата е гладка, така че е в състояние да тече. Дори човешката душа според Демокрит се състои от атоми. [6]
  • Атомният модел на Томсън от 1904 г. (модел на пудинг от стафиди). Дж. Дж. Томсън предлага да се разглежда атом като положително заредено тяло с електрони вътре в него. Най -накрая беше опроверган от Ръдърфорд след известния му експеримент за разсейване на алфа частици .
  • Ранен планетарен модел на атома Нагаока . През 1904 г. японският физик Хантаро Нагаока предлага модел на атома, построен по аналогия с планетата Сатурн . В този модел електроните, обединени в пръстени, се въртят около малко положително ядро ​​в орбити. Моделът се оказа грешен.
  • Бор-Ръдърфорд планетарен модел на атома . През 1911 г. [7] Ърнест Ръдърфорд, след като направи поредица от експерименти, стигна до извода, че атомът е подобие на планетарна система, в която електроните се движат по орбити около тежко положително заредено ядро, разположено в центъра на атома (" Моделът на атома на Ръдърфорд "). Такова описание на атома обаче влезе в конфликт с класическата електродинамика . Факт е, че според класическата електродинамика електрон, движещ се с центростремително ускорение, трябва да излъчва електромагнитни вълни и следователно да губи енергия . Изчисленията показаха, че времето, необходимо на електрона в такъв атом да падне до ядрото, е абсолютно нищожно. За да обясни стабилността на атомите, Нилс Бор трябваше да въведе постулати , които се свеждат до факта, че електрон в атом, намиращ се в някои специални енергийни състояния, не излъчва енергия („модел на атома на Бор-Ръдърфорд“). Необходимостта от въвеждане на постулатите на Бор е следствие от осъзнаването, че класическата механика е неприложима за описване на атома. По -нататъшното изследване на излъчването на атома доведе до създаването на квантова механика , което направи възможно да се обяснят по -голямата част от наблюдаваните факти.

Квантово -механичен модел на атома

Съвременният атомен модел е разработка на планетарния модел на Бор-Ръдърфорд. Съгласно настоящия модел, ядрото на атома се състои от положително заредени протони и незаредени неутрони и е заобиколено от отрицателно заредени електрони . Концепциите на квантовата механика обаче не ни позволяват да приемем, че електроните се движат около ядрото по някакви определени траектории ( несигурността на координатите на електрона в атома може да бъде сравнима с размерите на самия атом).

Химичните свойства на атомите се определят от конфигурацията на електронната обвивка и се описват от квантовата механика . Положението на атома в периодичната таблица се определя от електрическия заряд на ядрото му (тоест броя на протоните), докато броят на неутроните не влияе фундаментално върху химичните свойства; в този случай в ядрото по правило има повече неутрони, отколкото протони (виж: атомно ядро ). Ако атомът е в неутрално състояние, тогава броят на електроните в него е равен на броя на протоните. По -голямата част от атома е концентрирана в ядрото, а масовата част на електроните в общата маса на атома е незначителна (няколко стотни от процента от масата на ядрото).

Масата на атом обикновено се измерва в атомни масови единици (далтона), равна на 1/12 от масата на атома на стабилен изотоп на въглерод 12 С

Атомна структура

Субатомни частици

Въпреки че думата атом в първоначалното си значение означава частица, която не се разделя на по -малки части, според научните идеи, тя се състои от по -малки частици, наречени субатомни частици . Атомът се състои от електрони , протони , всички атоми, с изключение на водород-1 , също съдържат неутрони .

Електронът е най -леката от частиците, които съставляват атом с маса 9.11⋅10 −31 kg , с отрицателен заряд и с твърде малък размер, за да бъдат измерени по съвременни методи.[8] Експериментите за свръхпрецизно определяне на магнитния момент на електрона ( Нобелова награда за 1989 г.) показват, че размерът на електрона не надвишава 10-18 m [9] [10] .

Протоните имат положителен заряд и са 1836 пъти по -тежки от електрон (1.6726⋅10 −27 kg). Неутроните нямат електрически заряд и са 1839 пъти по -тежки от електрон (1.6749⋅10 −27 kg). [единадесет]

В този случай масата на ядрото е по -малка от сумата от масите на съставляващите го протони и неутрони поради феномена на дефект на масата . Неутроните и протоните имат съпоставим размер , около 2.5⋅10 −15 m , въпреки че размерите на тези частици са слабо определени. [12]

В стандартния модел на елементарни частици както протоните, така и неутроните са изградени от елементарни частици, наречени кварки . Наред с лептоните , кварките са една от основните съставки на материята. И първият, и вторият са фермиони . Съществуват шест типа кварки, всеки от които има фракционна електрически заряд равна на + 2/3 или (- 1/3) елементарен . Протоните се състоят от два u -кварка и един d -кварк , докато неутронът се състои от един u -кварк и два d -кварка. Тази разлика обяснява разликата в масите и зарядите на протона и неутрона. Кварките са свързани чрез силни ядрени взаимодействия , които се пренасят от глуони . [13] [14]

Електрони в атом

При описване на електрони в атом в рамките на квантовата механика обикновено се взема предвид вероятностното разпределение в 3n-мерно пространство за система от n електрони.

Електроните в атома се привличат към ядрото, а кулоновото взаимодействие също действа между електроните. Същите тези сили задържат електроните вътре в потенциалната бариера, която обгражда ядрото. За да може електронът да преодолее привличането на ядрото, той трябва да получи енергия от външен източник. Колкото по -близо е електронът до ядрото, толкова повече енергия е необходима за това.

Електроните, подобно на други частици, се характеризират с двойственост вълни-частици . Понякога се казва, че електрон се движи по орбитала , което не е вярно. Състоянието на електроните се описва с вълнова функция , квадратът на модула на която характеризира плътността на вероятностите за намиране на частици в дадена точка от пространството в даден момент или, в общия случай, с оператора на плътността . Съществува дискретен набор от атомни орбитали , които съответстват на неподвижни чисти състояния на електрони в атом.

Всяка орбитала има собствено енергийно ниво . Електронът в атом може да достигне по -високо енергийно ниво, когато даден атом се сблъска с друг атом, електрон, йон или чрез поглъщане на фотон от съответната енергия. При преминаване към по -ниско ниво електронът се отказва от енергия чрез излъчване на фотон или чрез прехвърляне на енергия към друг електрон (безрадиационен преход, сблъсъци от втори вид). Както в случая на поглъщане, при радиационен преход енергията на фотона е равна на разликата в енергиите на електроните на тези нива (виж: постулатите на Бор ). Честотата на излъчваната радиация ν е свързана с енергията на фотона E чрез връзката E = hν , където h е константата на Планк .

Свойства на атома

По дефиниция всеки два атома със същия брой протони в ядрата си принадлежат към един и същ химичен елемент . Атомите със същия брой протони, но с различен брой неутрони се наричат изотопи на даден елемент. Например, водородните атоми винаги съдържат един протон, но има изотопи без неутрони ( водород -1 , понякога наричан и протиум - най -често срещаната форма), с един неутрон ( деутерий ) и два неутрона ( тритий ). [15] Известните елементи образуват непрекъснат естествен ред броя на протоните в ядрото, като се започне с водороден атом с един протон и завърши атом oganesona в ядрото 118, което протони. [16] Всички изотопи на елементите на периодичната таблица , започвайки от номер 83 ( бисмут ), са радиоактивни . [17] [18]

Тегло

Тъй като най -голям принос за масата на атома имат протоните и неутроните, общият брой на тези частици се нарича масово число . Масата на покой на атом често се изразява в единици за атомна маса ( amu ), която също се нарича далтон (да). Това устройство се определя като 1/12 от масата на покой на неутрален атом на въглерод-12 , което е приблизително равно на 1.66⋅10 -24 гр. [19] Водород-1 е най-лекият изотоп на водород и С атом най -малката маса, има атомно тегло около 1, 007825 а. д. м. [20] Масата на атома е приблизително равна на произведението на масовото число на атомна единица маса [21] Най-тежкият стабилен изотоп еолово-208 [17] с маса 207.9766521 amu. д. м. [22]

Тъй като масите дори на най -тежките атоми в конвенционалните единици (например в грамове) са много малки, за измерване на тези маси в химията се използват молове . Един мол от всяко вещество по дефиниция съдържа същия брой атоми (приблизително 6.022⋅10 23 ). Това число ( числото на Авогадро ) е избрано по такъв начин, че ако масата на елемента е 1 аму. е. м., тогава мол от атоми на този елемент ще има маса от 1 г. Например, въглеродът има маса от 12 амуни. е. м. следователно 1 мол въглерод тежи 12 g [19]

Размерът

Атомите нямат ясно определена външна граница, така че размерите им се определят от разстоянието между ядрата на идентични атоми, образували химическа връзка ( ковалентен радиус ) или от разстоянието до най -отдалечената стабилна електронна орбита в електронната обвивка на тази атом ( радиус на атома ). Радиусът зависи от положението на атома в периодичната таблица, вида на химическата връзка, броя на близките атоми ( координационен номер ) и квантово -механичното свойство, известно като спин . [23] В периодичната таблица размерът на атома се увеличава, когато се движи отгоре надолу в колона и намалява, когато се движи по ред отляво надясно. [24] Съответно най -малкият атом е атом на хелий с радиус 32 pm , а най -големият е цезиев атом (225 pm). [25] Тези размери са хиляди пъти по-малки от дължината на вълната на видимата светлина (400-700 nm ), така че атомите не могат да се видят с оптичен микроскоп . Въпреки това, отделни атоми могат да бъдат наблюдавани със сканиращ тунелен микроскоп .

Малките атоми се демонстрират от следните примери. Човешката коса е милион пъти по -дебела от въглеродния атом. [26] Една капка вода съдържа 2 секстилиона (2⋅10 21 ) кислородни атома и два пъти повече водородни атоми . [27] Един карат диамант с тегло 0,2 g се състои от 10 секстилиона въглеродни атома . [28] Ако ябълката можеше да бъде увеличена до размера на Земята , тогава атомите щяха да достигнат първоначалния размер на ябълката. [29]

Учени от Харковския институт по физика и технологии представиха първите снимки на атом в историята на науката. За изображения учените са използвали електронния микроскоп и фиксиращото радиационно поле (електронен микроскоп с излъчване на полето, FEEM). Физиците последователно поставят десетки въглеродни атоми във вакуумна камера и преминават през тях електрически разряд от 425 волта. Излъчването на последния атом във веригата на фосфорен екран направи възможно получаването на изображение на облак от електрони около ядрото. [тридесет]

Радиоактивен разпад

Диаграмма времени полураспада (T ½ ) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду , в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм [31] ).

Существуют три основные формы радиоактивного распада [32] [33] :

  • Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия , состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером .
  • Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий , и в результате нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино , во втором случае на протон, позитрон и нейтрино . Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу. К бета-распаду относят и обратный процесс — электронный захват , когда один из протонов атомного ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино.
  • Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада , то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад , который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа. [31]

Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством, известным как спин . Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственногоцентра масс , хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной ( ), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин, равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину. [34]

Магнитное поле , создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули , по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии , связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — в состоянии со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов. [35]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие . Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля. [35] [36]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако для некоторых элементов (таких как ксенон-129 ) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией . Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии . [37] [38]

Энергетические уровни

Электрон в атоме находится в связанном состоянии; находясь на возбуждённом уровне, он обладает потенциальной энергией , которая пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ), и максимальное её значение равно энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). По мере перехода электрона (в атоме) на более низкие уровни потенциальная энергия уменьшается, но превращается не в кинетическую, а в энергию излучаемых фотонов. Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным (потенциальная энергия равна нулю — электрон глубже падать уже не может), а все остальные — возбуждёнными. [39]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Эту энергию можно сообщить атому путём удара другой частицей либо путём поглощения или, соответственно, испускания фотона , причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Частота испускаемого излучения пропорциональна энергии фотона, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра . [40] Каждый химический элемент имеет уникальный спектр испускания , который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов. [41]

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму ), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно возвращаются на уровень, лежащий ниже по шкале энергии, снова испуская фотоны. Испущенные фотоны излучаются не в том направлении, в каком падал поглощённый, а произвольно в телесном угле 4 пи стерадиан. В результате в непрерывном спектре появляются участки с очень низким уровнем излучения, то есть темные линии поглощения. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения , в котором имеются серии тёмных линий и полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром , испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём. [42]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле « тонкой структурой » спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона. [43]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана . Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный ( эффект Пашена — Бака ). [44] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка . [45]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу . Это свойство используется в лазерах , которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот. [46]

Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи . Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки. [47]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов , их упорядочивают в виде периодической таблицы . Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами . [48] [49]

Дисперсионное притяжение

Важным свойством атома является его склонность к дисперсионному притяжению . Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Ф. Лондоном . Межатомное взаимодействие возникает вследствие флуктуаций заряда в двух атомах, находящихся близко друг от друга. Поскольку электроны движутся, каждый атом обладает мгновенным дипольным моментом, отличным от нуля. Если бы флуктуации электронной плотности в двух атомах были бы несогласованными, то не было бы результирующего притяжения между атомами. Однако мгновенный диполь на одном атоме наводит противоположно направленный диполь в соседнем атоме. Эти диполи притягиваются друг к другу за счёт возникновения силы притяжения, которая называется дисперсионной силой, или силой Лондона. Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости атома α и обратно пропорциональна r 6 , где r — расстояние между двумя атомами. [50]

Деформационная поляризация атома

Деформационная поляризация проявляется в присущей атомам способности к упругой деформации их электронных оболочек под действием электромагнитных полей. Сегодняшнее понимание явления деформационной поляризации основано на представлениях о конечной упругости электронных оболочек атомов под действием электрического поля [51] . Снятие внешнего электрического поля приводит к восстановлению электронной оболочки атома.

Деформация электронной оболочки атома приводит к смещению электронной плотности в атоме, что сопровождается образованием наведённого электрического дипольного момента μ. Дипольный момент равен произведению величины положительного заряда q на расстояние между зарядами L и направлен от отрицательного заряда к положительному μ=qL. В относительно слабых электрических полях наведённый дипольный момент пропорционален напряжённости электрического поля E. μ =α e E, где α e — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.

Ионизация атома

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля наблюдается необратимая деформация атома, сопровождающаяся отрывом электрона.

Происходит ионизация атома, атом отдаёт электрон и превращается в положительно заряженный ионкатион . Отрыв электрона от атома требует затраты энергии, называемой потенциалом ионизации или энергией ионизации.

Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Изменение энергии отрыва первого электрона в зависимости от порядкового номера элемента приведено на рисунке.

Наименьшей энергией ионизации обладают атомы щелочных металлов, наибольшей — атомы благородных газов.

Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I 1 , I 2 , I 3 … соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Взаимодействие атома с электроном

Рис. 2 Зависимость сродства к электрону атома от порядкового номера элемента

Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион .

Энергетический эффект процесса присоединения к нейтральному атому (Э) принято называть энергией сродства к электрону. Э + e - → Э -

На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3-4 эВ):

Атом Энергия сродства к электрону, эВ [52]
F 3,62 ± 0,09
Cl 3,82 ± 0,06
Br 3,54 ± 0,06
I 3,23 ± 0,06

Электроотрицательность атома

Электроотрицательность атома (χ) — фундаментальное свойство атома смещать к себе общие электронные пары в молекуле. Способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений ( по Малликену ) электроотрицательность атома (χ) может быть выражена как полусумма его энергии ионизации (i) и сродства к электрону (F):

Имеется около двадцати шкал электроотрицательности атома, в основу расчёта значений которых положены различные свойства веществ. Полученные значения разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково.

Детальный поиск взаимосвязи между шкалами электроотрицательности позволил сформулировать новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов [53] .

Электроотрицательность.jpg

Символизм

Stylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.png

С момента вхождения человечества в атомную эру атом приобрел и символический смысл. Чаще всего атом изображается в виде упрощенной модели Бора-Резерфорда. Однако, встречаются и более усложненные варианты изображения. Чаще всего изображение атома символизирует атомную энергетику («мирный атом»), ядерное оружие, ядерную физику, либо науку и научно-технический прогресс в целом.

См. также

Примечания

  1. 1 2 3 Большой энциклопедический словарь. Физика / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — С. 36. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0 .
  2. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов / Ред. Е. А. Гришина . — АСТ ; Астрель; Русские словари. — С. 91. — 960 с. — ISBN 5-17-008793-4 .
  3. 1 2 Ельяшевич М. А. Атом // Большая Советская Энциклопедия . 3-е изд. / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия, 1970. — Т. 2. Ангола — Барзас . — С. 389—394 .
  4. Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1983. — С.58 . — 792 с.
  5. Atom // IUPAC Gold Book
  6. Демокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира / А. О. Чубарьян. — М. : Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5-948-49307-5 .
  7. Планетарная модель атома Архивировано 15 июня 2008 года.
  8. Demtröder, 2002 .
  9. Демельт Х. «Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей» // УФН , т. 160 (12), с. 129—139, 1990
  10. Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
  11. Woan, 2000 .
  12. MacGregor, 1992 .
  13. The Particle Adventure . Particle Data Group . Lawrence Berkeley Laboratory (2002). Дата обращения: 3 января 2009. Архивировано 21 августа 2011 года.
  14. James Schombert. Elementary Particles . University of Oregon (18 апреля 2006). Дата обращения: 3 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  15. Howard S. Matis. The Isotopes of Hydrogen . Guide to the Nuclear Wall Chart . Lawrence Berkeley National Lab (9 августа 2000). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  16. Rick Weiss. Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet . Washington Post (17 октября 2006). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  17. 1 2 Sills, 2003 .
  18. Belle Dumé. Bismuth breaks half-life record for alpha decay . Physics World (23 апреля 2003). Дата обращения: 21 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  19. 1 2 Mills и др. (1993).
  20. Chung Chieh. Nuclide Stability (недоступная ссылка) . University of Waterloo (22 января 2001). Дата обращения: 4 января 2007. Архивировано 30 августа 2007 года.
  21. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements . National Institute of Standards and Technology. Дата обращения: 4 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  22. G. Audi, AH Wapstra, C. Thibault. The Ame2003 atomic mass evaluation (II) (неопр.) // Nuclear Physics. — 2003. — Т. A729 . — С. 337—676 . Архивировано 16 сентября 2008 года.
  23. RD Shannon. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides (англ.) // Acta Crystallographica, Section A : journal. — International Union of Crystallography , 1976. — Vol. 32 . — P. 751 . — doi : 10.1107/S0567739476001551 .
  24. Judy Dong. Diameter of an Atom . The Physics Factbook (1998). Дата обращения: 19 ноября 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  25. Zumdahl, 2002 .
  26. Small Miracles: Harnessing nanotechnology (недоступная ссылка) . Oregon State University (2007). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 4 декабря 2007 года. — описывает толщину человеческого волоса как 10 5 нм и 10 углеродных атомов по толщине как 1 нм.
  27. «There are 2 000 000 000 000 000 000 000 (that's 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen» // Padilla et al., 2002 , p. 32
  28. Карат равен 200 миллиграмм. По определению , углерод-12 имеет 12 грамм на моль. Постоянная Авогадро равна 6,02⋅10 23 атомов на моль.
  29. Feynman, 1995 .
  30. First Detailed Photos of Atoms . Inside Science News Service (14 сентября 2009). Дата обращения: 24 июня 2014. Архивировано 24 июня 2014 года.
  31. 1 2 Radioactivity . Splung.com. Дата обращения: 19 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  32. L'Annunziata (2003).
  33. Richard B. Firestone. Radioactive Decay Modes . Berkeley Laboratory (22 мая 2000). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  34. JP Hornak. Chapter 3: Spin Physics (недоступная ссылка) . The Basics of NMR . Rochester Institute of Technology (2006). Дата обращения: 20 марта 2011. Архивировано 26 мая 2007 года.
  35. 1 2 Paul A. Schroeder. Magnetic Properties (недоступная ссылка) . University of Georgia (22 февраля 2000). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 18 февраля 2001 года.
  36. Greg Goebel. [4.3] Magnetic Properties of the Atom . Elementary Quantum Physics . In The Public Domain website (1 сентября 2007). Дата обращения: 7 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  37. Lynn Yarris. Talking Pictures (неопр.) // Berkeley Lab Research Review. Архивировано 15 июня 1997 года.
  38. Liang, Haacke, 1999 .
  39. Bart J. Van Zeghbroeck. Energy levels . Shippensburg University (1998). Дата обращения: 23 декабря 2007. Архивировано 15 января 2005 года.
  40. Fowles, 1989 .
  41. WC Martin, WL Wiese. Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas . National Institute of Standards and Technology (май 2007). Дата обращения: 8 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  42. Atomic Emission Spectra — Origin of Spectral Lines . Avogadro Web Site. Дата обращения: 10 августа 2006. Архивировано 21 августа 2011 года.
  43. Richard Fitzpatrick. Fine structure . University of Texas at Austin (16 февраля 2007). Дата обращения: 14 февраля 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  44. Michael Weiss. The Zeeman Effect . University of California-Riverside (2001). Дата обращения: 6 февраля 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  45. Beyer, 2003 .
  46. Thayer Watkins. Coherence in Stimulated Emission . San José State University. Дата обращения: 23 декабря 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
  47. William Reusch. Virtual Textbook of Organic Chemistry . Michigan State University (16 июля 2007). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  48. Husted Robert и др. Periodic Table of the Elements . Los Alamos National Laboratory (11 декабря 2003). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  49. Rudy Baum. It's Elemental: The Periodic Table . Chemical & Engineering News (2003). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
  50. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия / под ред. К.В.Топчиевой. — М. : Мир, 1978. — С. 453. — 646 с.
  51. Потапов А.А. Деформационная поляризация. Поиск оптимальных моделей. — Новосибирск: "Наука", 2004. — 511 с.
  52. Справочник химика. — II-ое, перераб. и доп.. — Л.-М.: ГНТИ Химической литературы, 1962. — Т. I. — С. 328. — 1072 с.
  53. Филиппов Г. Г., Горбунов А. И. Новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов. — Российский химический журнал , 1995. — Т. 39, Вып. 2. — С. 39—42.

Литература

На английском языке

Ссылки