Электроны вокруг ядра атома имеют какой заряд
Перейти к содержимому

Электроны вокруг ядра атома имеют какой заряд

  • автор:

1. Состав атомного ядра. Число протонов

Предложенная Э. Резерфордом в \(1911\) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:

  • атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
  • более \(99,96\) % массы атома сосредоточено в его ядре;
  • диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.

Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов . Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).

Протон (\(p\)) — частица, имеющая заряд \(+1\) и относительную массу, равную \(1\).
Нейтрон (\(n\)) — частица без заряда с относительной массой \(1\).

К элементарным частицам относятся также электроны ( е _ ), которые образуют электронную оболочку атома.

Рис. \(1\). Строение атома

Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 1 1840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.

Протон имеет положительный заряд \(+1\). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: \(–\)\(1\).

Строение атома и электронные конфигурации 1.0

Атом можно представить как конструктор «Лего», который можно собрать из более простых “элементарных” частиц. У каждого атома число “деталек” может быть различным. Об этом и о других особенностях строения атома поговорим в статье.

Строение атома

Великие ученые и философы древности упорно бились над вопросом, из чего же состоят вещества, которые их окружают. Впервые идею о том, что все тела живой и неживой природы состоят из мельчайших частиц — атомов — высказал древнегреческий ученый Демокрит целых 2500 лет назад!

Что же из себя представляет атом?

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества.

Атомы могут соединяться друг с другом с помощью химических связей в различной последовательности, образуя более сложные частицы — молекулы. Можно провести аналогию:

  • атом — отдельный человек,
  • молекулы — группы людей, объединенные общим признаком (семья, одноклассники, коллеги, любители кошек, любители собак).

Молекула — это мельчайшие частицы, которые состоят из атомов. Они являются химически делимыми.

Долгое время считалось, что атом нельзя разделить далее на составляющие. Но с развитием науки учёные-физики выяснили, что атом состоит из более мелких, или элементарных частиц — протонов (p), нейтронов (n) и электронов (ē).

В центре атома располагается ядро, которое состоит из протонов и нейтронов (их общее название нуклоны), а вокруг ядра вращаются электроны.

Чем атом похож на Солнечную систему?
Можно представить атом как Солнечную систему, где вокруг ядра (Солнца) по орбитам вращаются электроны (планеты). Это так называемая планетарная модель атома. В реальности атом намного сложнее, но для запоминания нам удобнее пользоваться этими представлениями.

Тогда более точно определение атома будет звучать так:

Атом — электронейтральная химически неделимая частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Каждая из элементарных частиц в атоме имеет свой заряд и массу:

Характеристика элементарных частиц

Из таблички видно, что вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах, то есть в ядре. При этом само ядро положительно заряжено, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

В разновидностях одного и того же химического элемента может быть различное число элементарных частиц. Давай рассмотрим это на примере атома водорода.

Первый случай: ядро атома водорода состоит из одного протона (масса ядра = 1 а.е.м.). Такой атом называется протием, именно он указан в периодической системе Д.И. Менделеева.

Добавим к этому ядру один нейтрон, тогда масса ядра будет равна 2 а.е.м.. Мы получили вторую разновидность атома водорода — дейтерий.

Если добавить второй нейтрон к такому ядру, то мы получим тритий. Так вот, разновидности одного и того же химического элемента, которые различаются числом нейтронов в ядре, называются изотопами.

Как определить количество элементарных частиц

Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.

Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:

В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.

Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:

(№ элемента = p = Z = ē)

Число нейтронов = массовое число – порядковый номер

Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:

  • Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
  • На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
  • Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
  • Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
  • Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.

На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.

Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.

Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.

Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.

“Грустный” и “веселый” атом

При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.

Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.

Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.

Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …

Проскок электрона

Это явление характерно для элементов IB и VIB групп, например, Cr, Cu, Ag.

Например, у меди электронная оболочка должна выглядеть как ..3d 9 4s 2 . Но так как для заполнения d-подуровня не хватает одного электрона, то более выгодной становится ситуация, когда с s-подуровня электрон “перепрыгивает” на внутренний d-подуровень. В результате, конфигурация меди выглядит как 3d 10 4s 11

Итог: иметь конфигурации nd 5 и nd 10 более энергетически выгодно, чем nd 4 и nd 9 . Поэтому у таких элементов, как Cu, Cr, Ag, Au, Nb, Mo, Ru, Pt, Pd происходит проскок (провал) электрона: электрон с верхнего “этажа” как будто проваливается на нижний.

Классификация химических элементов: s-,p-,d-,f-элементы

В зависимости от положения “последнего электрона” бывают s-, p-, d-, f-элементы:

  • s-элементы: IA и IIA группы;
  • p-элементы: IIIA-VIIIA группы;
  • d-элементы: элементы побочных подгрупп;
  • f-элементы: вынесены в отдельную группу лантаноидов и актиноидов.

У s- и p-элементов валентные электроны находятся на внешнем уровне.

У d-элементов — на внешнем s- и на предвнешнем d-подуровнях.

Далее приведены электронные формулы атомов элементов первых четырех периодов. Благодаря этой шпаргалке всегда можно сверить свой вариант электронной конфигурации и проверить себя.

Продолжение темы читайте в статье «Строение атома и электронные конфигурации 2.0».

Фактчек

  • Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и вращающихся вокруг него электронов.
  • Электроны располагаются на электронных подуровнях, причем их число определяется порядковым номером элемента.
  • Существует группа атомов одного и того же химического элемента, у которых имеется разное число нейтронов. Такие элементы называют изотопами.
  • Электроны располагаются по ячейкам так, чтобы энергия системы была минимальна.
  • Иногда для достижения минимума энергии некоторые правила нарушаются — таковым является проскок электрона.

Проверь себя

Задание 1.

Ядро атома состоит из:

  1. Протонов и нейтронов
  2. Протонов и электронов
  3. Нейтронов и электронов
  4. Протонов, нейтронов и электронов

Задание 2.

У изотопов различается число:

  1. Протонов
  2. Нейтронов
  3. Электронов
  4. Нейтронов и электронов

Задание 3.

Проскок электрона характерен для элемента:

Задание 4.

На третьем электронном слое может находиться максимально:

  1. 8 электронов
  2. 18 электронов
  3. 2 электрона
  4. 32 электрона

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 2.

Строение атома

Окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц – атомов. Интересно узнать, какова же структура этих «кирпичиков» Мироздания? Вместе с экспертами рассмотрим современные научные представления о строении атомов

Предположения об атомном строении вещества появились еще до нашей эры. Уже мыслители Древнего Востока и Древней Греции высказывали мысли о существовании крайне малых, далее неделимых материальных частиц, из которых состоит вся Вселенная.

Наиболее известной является теория древнегреческого философа Демокрита. Именно он впервые ввел термин atomos, что означает неделимый. Демокрит полагал, что все в мире состоит из атомов и пустоты, атомы существуют вечно, их никто не создавал, они материальны, имеют форму, размер и вес. Объединение атомов в тела происходит при помощи крючков и петелек. Душа человека также состоит из атомов, имеющих гладкую форму. Атомы в пустоте двигаются только прямолинейно, поэтому свободы у человека нет, все предопределено.

Ученик Демокрита Эпикур усовершенствовал это учение и высказал предположение, что атомы могут самопроизвольно отклоняться от прямолинейного пути, поэтому свобода у человека все-таки есть.

Что такое атом

Современная наука определяет атом как крайне малую по размерам и массе частицу вещества, которая является наименьшей частью химического элемента и выступает носителем его химических свойств.

Всего известно 118 атомов, из которых в природе встречается 94, а оставшиеся 24 были искусственно синтезированы в ядерных реакторах и лабораториях.

Атомы обладают определенной массой, размерами и строением. Массы атомов крайне малы. К примеру, атом водорода имеет массу всего лишь 1,67х10 -24г . Вес атома принято измерять в атомных единицах массы. Одна такая единица равно 1/12 массы атома углерода, ядро которого включает в свой состав 6 нейтронов и 6 протонов. Получается, что 1 а.е.м. = 1 нейтрон = 1 протон. Например, ядро атома водорода состоит из 1 протона, следовательно, его масса равна 1 а.е.м.

Размеры атомов также малы и находятся в пределах 0,046-0,25 нм (1 нм=1 м -9 ).

Полезная информация о строении атома

Ядро атома Оно располагается в центре атома и составляет практически всю его массу (99,9%). При этом ядро атома занимает всего лишь одну триллионную часть его объема. То есть атом внутри практически пуст.
Электрон Наиболее активная часть атома, так как постоянно движется. Он обладает крайне малым весом. Так, масса электрона в атоме водорода составляет 0,0005 массы ядра.
Самый легкий и тяжелый атомы Если говорить о природных элементах, то самый легкий – атом водорода (его относительная атомная масса – 1,00797), а самый тяжелый – атам урана (238,03).

Состав атома

Атомы состоят из ядра и электронов, которые иногда называют «электронным облаком». Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Электрон (происходит от греческого слова «янтарь», был открыт в 1897 году) представляет собой отрицательно заряженную частицу. Электроны движутся по электронным оболочкам.

Протон (от греческого – первый, открыт в 1919 году) – частица ядра, имеющая положительный заряд.

Нейтрон (от латинского «ни тот, ни другой», открыт в 1932 году) – элемент ядра, не имеющий заряда.

Протоны и нейтроны вместе называют также нуклонами (ядерными частицами).

Атомы различаются по количеству протонов и нейтронов в ядре. В зависимости от количества протонов атом имеет соответствующий номер в Периодической системе Менделеева и относится к некоторому химическому элементу.

Число нейтронов в ядре атома указывает на изотоп данного элемента. Изотопами называют разновидности атомов одного химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но различные массы.

Электронная схема строения атома

Атом является электрически нейтральным, поскольку положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов электронов, вращающихся вокруг ядра. Их движение происходит по электронным оболочкам. Количество электронов и электронных оболочек зависит от величины заряда ядра атома.

Схема строения атомов наглядно представлена в Периодической системе химических элементов. Возьмем в качестве примера химический элемент натрий. Символ элемента обозначается латинскими буквами (Na). Название записывается русскими буквами – натрий.

Порядковый (атомный) номер (Z) – это количество протонов и электронов у атома (для Na – 11).

Распределение электронов по слоям для Na составляет 2, 8, 1.

Атомная масса элемента (атомный вес, относительная атомная масса) – это суммарная масса нейтронов, протонов и электронов в атоме, выраженная в а.е.м. У Na она 22.99.

Электронная конфигурация атома Na записывается так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 , где 1s – первый энергетический уровень, на котором располагаются 2 электрона на s-электронной орбитали; 2s и 2p – второй энергетический уровень, где находятся 2 электрона на s-электронной орбитали и 6 электронов на p-электронной орбитали; 3s – третий энергетический уровень, где находится 1 электрон на s-электронной орбитали.

это интересно
Валентность
Что такое валентность, как ее определить и какова ее роль в химии

Модели строения атомов

В истории науки были разработаны различные модели строения атома. В 1803 году Джон Дальтон предложил сферическую модель, которая изображала атом в качестве мельчайшей материальной сферы, не поддающейся разрушению.

В 1904 году Джозеф Томпсон создал модель, получившую название «Пудинг с изюмом». В этой модели атом рассматривался как определенное положительно заряженное тело, содержащее внутри себя отрицательно заряженные электроны.

В 1911 году Эрнест Резерфорд на основании проделанных опытов пришел к выводу, что атом напоминает маленькую планетную систему, где вокруг ядра по орбитам вращаются электроны. Однако планетарная модель входила в противоречие с принципами классической электродинамики, в соответствие с которыми движущиеся электроны должны терять энергию и упасть на ядро.

Нильс Бор усовершенствовал планетарную модель атома, введя следующие дополнения:

  • каждый электрон может вращаться вокруг ядра только по строго определенным стационарным орбитам;
  • в процессе такого вращения атом не излучает энергию;
  • излучение либо поглощение энергии осуществляется лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в другое.

Современная модель атома получила название квантово-механической. В ней используются принципы неопределенности и дополнительности Вернера Гейзенберга, в соответствии с которыми электрон представляет собой одновременно частицу и волну, определенных орбит не существует, а электроны движутся вокруг ядра, образуя электронное облако.

Задачи по теме «Строение атома»

Давайте вместе решим несколько задач из курса химии за 8 и 11 классы для закрепления материала.

Задача 1

Ответьте на вопросы, выбрав правильный вариант ответа из предложенных. Это задание за 8 класс.

1) Из чего состоит атом?

а) из протонов и нейтронов
б) из молекул
в) из электронов и нейтронов
г) из ядра и электронов

2) Что находится в атомном ядре?

а) пустота
б) положительный заряд
в) протоны и нейтроны
г) электроны

3) сколько электронов в атоме кальция (Са)?

а) 2
б) 20
в) 22
г) бесконечно много

4) Чему равен порядковый номер химического элемента?

а) заряду ядра атома
б) атомной массе
в) количеству валентных электронов атома
г) количеству нейтронов в ядре атома

5) В атоме элемента электронами заполнены два энергетических уровня, а на третьем находится два электрона. Назовите этот элемент.

а) кислород
б) сера
в) магний
г) алюминий

Задача 2

Выберите правильный вариант ответа на каждый вопрос. Это задание из курса 11 класса.

1) Атомы какого химического элемента состоят из 5 протонов, 6 нейтронов и 5 электронов?

а) азот
б) бор
в) углерод
г) натрий

2) Какое расположение электронов по электронным слоям у атома кремния?

а) 2, 8, 4
б) 2, 6, 6
в) 1, 9, 4
г) 2, 7, 5

3) Какова электронная формула атома фосфора?
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
г) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

Ответы к задачам

Давайте проверим ваши ответы.

Задача 1

1) г – из ядра и электронов
2) в – протоны и нейтроны
3) б – 20
4) а – заряду ядра атома
5) в – магний

Задача 2

1) б – бор
2) а – 2, 8, 4
3) г – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

Популярные вопросы и ответы

Для чего в 8 классе нужно знать строение атома?

Отвечает Светлана Гусарова, старший преподаватель химии методического отдела онлайн-школы «ИнтернетУрок»:

Свойства химических веществ и особенности их поведения при химических реакциях обусловлены строением атома. Знания о строении атома позволяют понять суть химических процессов, объяснить химическую природу веществ и их значение, прогнозировать поведение веществ при взаимодействии с другими веществами.

Отвечает Юлия Алёшина, старший научный сотрудник Саратовского медицинского научного центра гигиены ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»:

Утверждение о том, что все состоит из атомов в современном мире уже не вызывает никаких сомнений. Изучение химических реакций и веществ невозможно без знаний о строении атомов и молекул. Все, что происходит в живых существах, объясняется с точки зрения того, что они состоят из атомов, действующих по законам физики.

Изучение строения атома важно знать школьникам, будущим студентам, которые хотят стать физиками, биологами, химиками, да и представителями других профессий, поскольку изучение крупного начинается с малого, то есть с атома.

Кто впервые исследовал строение атома?

Светлана Гусарова:

Учение об атоме уходит своими корнями в глубокую древность. Считалось, что атомы – это неделимые частицы. Философ Демокрит предполагал, что свойства того или иного вещества определяется формой, массой и другими характеристиками образующих его атомов. Научное понимание, что атомы малы и неделимы, пришло в голову английскому ученому Джону Дальтону. Он был первым, кто описал свойства атомов, их размеры. Джон Дальтон ввел понятие «атомный вес», рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных весов, тем самым он заложил основу атомной теории строения вещества.

Юлия Алёшина:

В 1911 году Резерфордом была предложена ядерная модель строения атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а оболочка из электронов, число электронов в оболочке атома определяет заряд ядра.

Следующим этапом в развитии теории строения атома была теория датского физика Нильса Бора (1913 год). Основные постулаты ее гласили, что атом может находиться в стационарных состояниях, которые характеризуются дискретными значениями энергии и при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией происходит излучение кванта света (фотона). Теория Нильса Бора была непоследовательна, однако явилась мощным толчком к развитию квантовой теории атома. Такой последовательной теорией явилась квантовая физика.

Группой ученых из разных стран было наглядно продемонстрировано существование электронных оболочек у атома водорода при помощи фотоионизационного микроскопа. Суть фотоионизационного метода заключалась в том, что ионизация атома водорода происходила при последовательном отрывании электрона от оболочки атома под действием электромагнитного облучения.

В каком задании ЕГЭ по химии проверяется знание строения атома?

Светлана Гусарова:

Элементы содержания по теме «Строение атома» входят в раздел школьного курса химии «Теоретические основы химии», усвоение значительного количества которых проверяется на начальном этапе и является базовым. При выполнении задания № 1 ЕГЭ учащийся должен обладать основными сведениями о строении атома.

Юлия Алёшина:

При проведении государственной итоговой аттестации в форме ЕГЭ по химии в первом задании будет присутствовать вопрос о строении атома и его электронных оболочек.

Строение атома

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро также имеет сложное строение и состоит из нейтронов и электронов.

Число электронов равно числу протонов в атоме и определяется порядковым номером. В связи с этим атом в целом электронейтрален, так как электроны заряжены отрицательно, а протоны положительно. Заряд ядра также равен порядковому номеру. Число нейтронов рассчитывается по формуле N = A — Z, где N — общее число нейтронов, А — массовое число, Z — заряд ядра. Число энергетических уровней в атоме определяется номером периода. Число электронов на последнем внешнем уровне равно номеру группы.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется формулой N = 2 * n^2 , где N — общее число электронов на энергетическом уровне, n — номер уровня.

В связи с этим максимальное число электронов на первом (n = 1) уровне равно 2 (так как N = 2 * 1^2), на втором (n = 2) уровне — 8 (так как N = 2 * 2^2), на третьем (n = 3) уровне — 18 (так как N = 2 * 3^2) и т.д.

Каждый энергетический уровень делится на подуровни. На первом уровне только один подуровень — s. На втором уровне два подуровня — s и p. на третьем — s, p и d. На четвертом — s, p, d и f.

Максимальное число электронов на подуровнях

  • 2 — максимальное число электронов на s-подуровне.
  • 6 — максимальное число электронов на p-подуровне.
  • 10 — максимальное число электронов на d-подуровне.
  • 14 — максимальное число электронов на f-подуровне.

Максимальное число электронов на подуровне не зависит от номера уровня.

Лигостаев Александр Георгиевич

Атом
Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Электрон — мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6•10-19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон — нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8•10-10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1•10-28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А—Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, А. которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах А. различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10-8 см. Поскольку масса всех электронов А. в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса А. пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе А. изотопа углерода С12, принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес А. химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,— кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней А., рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е0, в какое-либо из возбужденных состояний Ei происходит при поглощении определенной порции энергии Еi — Е0. Возбужденный А. переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= Ei— Еk где h — постоянная Планка (6,62•10-27 эрг•сек), v — частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства А. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Строение атома
Атом (от греческого atomos — неделимый) — одноядерная, неделимая частица химического элемента, носитель свойства вещества. Вещества состоят из атомов. Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью определяется размером его электронного облака, поскольку размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером электронного облака. Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов (заряд протона соответствует +1 в условных единицах) и N нейтронов, которые не несут на себе заряда (протоны и нейтроны называют нуклонами). Таким образом, заряд ядра определятся только количеством протонов и равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами (заряд электрона -1 в условных единицах), которые формируют электронное облако. Количество электронов равно количеству протонов. Массы протонов и нейтронов равны (соответственно 1 и 1 а.е.м.). Масса атома определятся массой его ядра, поскольку масса электрона примерно в 1850 раз меньше массы протона и нейтрона и в расчетах редко учитывается. Количество нейтронов можно узнать по разности между массой атома и количеством протонов (N=A-Z).
Вид атомов какого-либо химического элемента с ядром, состоящим из строго определённого числа протонов (Z) и нейтронов (N) называется нуклидом.
элементарная частица заряд (условные единицы) заряд (Кл) масса (а.е.м.) масса (г)
протон +1 1,6•10×10-19 1 1,7•10×10-24
нейтрон 0 0 1 1,7•10×10-24
электрон -1 -1,6•10×10-19 0 9,1•10×10-28

Поскольку в ядре атома сосредоточена практически вся масса, но его размеры ничтожно малы по сравнению с общим объемом атома, то ядро условно принимается материальной точкой покоящейся в центре атома, а сам атом рассматривается как система электронов. При химической реакции ядро атома не затрагивается (кроме ядерных реакций), как и внутренние электронные уровни, а участвуют только электроны внешней электронной оболочки. По этой причине необходимо знать свойства электрона и правила формирования электронных оболочек атомов.
Свойства электрона
Перед изучением свойств электрона и правил формирования электронных уровней, необходимо затронуть историю формирования представлений о строении атома. Мы не будем рассматривать полную историю становления атомарного строения, а остановимся лишь на самых актуальных и наиболее «верных» представлениях, способных наиболее наглядно показать как располагаются электроны в атоме. Первыми наличие атомов как элементарных составляющих вещества, предположили еще древнегреческие философы. После чего история строения атома прошла сложный путь и разные представления, такие как неделимость атома, Томсоновская модель атома и другие. Наиболее близкой оказалась модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Он сравнил атом с солнечной системой, где в роли солнца выступало ядро атома, а электроны двигались вокруг него подобно планетам. Размещение электронов на стационарных орбитах было очень важным шагом в понимании строения атома. Однако такая планетарная модель строения атома шла в противоречие с классической механикой. Дело в том, что при движении электрона по орбите он должен был терять потенциальную энергию и в конце концов «упасть» на ядро и атом должен был прекратить свое существование. Такой парадокс был устранен введением постулатов Нильсом Бором. Согласно этим постулатам электрон двигался по стационарным орбитам вокруг ядра и при нормальных условиях не поглощал и не испускал энергию. Постулаты показывают, что для описания атома законы классической механики не подходят. Такая модель атома называется моделью Бора-Резерфорда. Продолжением планетарного строения атома является квантово-механическая модель атома, согласно которой мы и будем рассматривать электрон.
Электрон является квазичастицей проявляя корпускулярно-волновой дуализм. Он одновременно является и частицей (корпускула) и волной. К свойствам частицы можно отнести массу электрона и его заряд, а к волновым свойствам — способность к дифракции и интерференции. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона отражены в уравнении де Бройля:

где — длина волны, — масса частицы, — скорость частицы, — постоянная Планка = 6,63•10-34 Дж•с.
Для электрона невозможно рассчитать траекторию его движения, можно говорить только о вероятности нахождения электрона в том или ином месте вокруг ядра. По этой причине говорят не об орбитах движения электрона вокруг ядра, а об орбиталях — пространстве вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона превышает 95%. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость (принцип неопределенности Гейзенберга).

где — неопределенность координаты электрона, -погрешность измерения скорости, ħ=h/2π=1.05•10-34 Дж•с
Чем точнее мы измеряем координату электрона, тем больше погрешность в измерении его скорости, и на оборот: чем точнее мы знаем скорость электрона, тем больше неопределенность в его координате.
Наличие волновых свойств у электрона позволяет применить к нему волновое уравнение Шредингера.

где — полная энергия электрона, потенциальная энергия электрона, физический смысл функции — квадратный корень от вероятности нахождения электрона в пространстве с координатами x, y и z (ядро считается началом координат).
Представленное уравнение написано для одноэлектронной системы. Для систем, содержащих более одного электрона принцип описания остается прежним, но уравнение принимает более сложный вид. Графическим решением уравнения Шредингера является геометрия атомных орбиталей. Так s-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь — форму восьмерки с «узлом» в начале координат (на ядре), где вероятность обнаружения электрона стремится к нулю.
В рамках современной квантово-механической теории электрон описывается набором квантовых чисел: n, l, ml, s и ms. Согласно принципу Паули в одном атоме не может быть двух электронов с полностью идентичным набором всех квантовых чисел.
Главное квантовое число n определяет энергетический уровень электрона, то есть на каком электронном уровне расположен данный электрон. Главное квантовое число может принимать только целочисленные значения больших 0: n=1;2;3. Максимальное значение n для конкретного атома элемента соответствует номеру периода, в котором расположен элемент в периодической таблице Д.И.Менделеева.
Орбитальное (дополнительное) квантовое число l определяет геометрию электронного облака. Может принимать целочисленные значения от 0 до n-1. Для значений дополнительного квантового числа l применяют буквенное обозначение:
значение l 0 1 2 3 4
буквенное обозначение s p d f g
S-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь — форму восьмерки. Остальные орбитали имеют очень сложную структуру, как, например, представленная на рисунке d-орбиталь.

s-орбиталь

p-орбиталь

d-орбиталь

вид орбиталей на разных энергетических уровнях (при разных n)
Электроны по уровням и орбиталям располагаются не хаотично, а по правилу Клечковского, согласно которому заполнение электронов происходит по принципу наименьшей энергии, то есть в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел n+l. В случае, кода сумма для двух вариантов заполнения одинакова, первоначально заполняется наименьший энергетический уровень (например: при n=3 а l=2 и n=4 а l=1 первоначально заполнятся будет уровень 3). Магнитное квантовое число ml определяет расположение орбитали в пространстве и может принимать целочисленное значение от -l до +l включая 0. Для s-орбитали возможно только одно значение ml=0. Для p-орбитали уже три значения -1, 0 и +1, то есть p-орбиталь может располагаться по трем осям координат x, y и z.

Электрон обладает собственным моментом импульса — спином, обозначающимся квантовым числом s. Спин электрона — величина постоянная и равная 1/2. Явление спина можно условно представить как движение вокруг собственной оси. Первоначально спин электрона приравнивали к движению планеты вокруг собственной оси, однако такое сравнение ошибочно. Спин — чисто квантовое явление, не имеющее аналогов в классической механике.

Атом, строение, характеристики, свойства и применение

Открытие атома является одним из самых значимых событий в истории науки и технологий. Атом был открыт в середине XIX века благодаря работам таких ученых, как Антуан де Бройль, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и другие.

Первым открывателем атома был древнегреческим философ Демокрит (460 — 370 гг. до н.э.). В своей работе «О природе» он утверждал, что атомы являются причиной всех явлений в мире. Ученый также утверждал, что материя состоит из атомов, которые могут объединяться или разделяться, образуя различные комбинации.

В 1869 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электромагнитных волн, которая описывала свет как поток частиц — фотонов. Это открытие стало первым шагом к пониманию того, что свет состоит из отдельных частиц, а не является непрерывной волной.

Однако, чтобы доказать существование атомов, потребовалось еще несколько десятилетий исследований и экспериментов. В 1909 году Эрнест Резерфорд и его коллеги провели эксперимент, который показал, что атомы состоят из более мелких частиц — протонов и нейтронов, и что они имеют положительный заряд.

Открытие атома

Только в 1911 году Нильс Бор предложил свою модель атома, которая объяснила, как электроны могут вращаться вокруг ядра и как они могут испускать и поглощать свет. Эта модель стала основой для понимания структуры атома и его свойств.

Открытие атома стало одним из ключевых моментов в развитии науки и технологии. Оно позволило понять природу материи и света, а также создать новые материалы и технологии, которые используются сегодня во многих отраслях промышленности.

Характеристики атома

Масса атома

Масса атома (или атомная масса) — это физическая величина, характеризующая инертные свойства атома. Она определяет, насколько сильно атом сопротивляется изменению своей скорости или направления движения.

Атомная масса измеряется в единицах атомной массы, называемых а.е.м. (атомные единицы массы). Одна а.е.м. равна 1/12 массы атома углерода-12 (C).

Обычно атомная масса выражается целым числом, которое соответствует массе самого легкого атома данного элемента. Например, атомная масса углерода равна 12, а атома кислорода — 16.

Однако, в некоторых случаях атомы могут иметь массу, которая не соответствует целому числу а.е.м., например, у изотопов масса может отличаться от обычной атомной массы.

Электрический заряд атома

Электрический заряд атома — это фундаментальное свойство материи, которое определяет, как атом взаимодействует с другими атомами и электронами в своей системе. Электрический заряд атома является результатом движения электронов вокруг ядра и может быть измерен с помощью различных методов, таких как электроскоп или масс-спектрометр.

Электрический заряд атома обычно выражается в единицах элементарного заряда, который равен 1,6021766208(85) x 10^-19 Кл. Он может быть положительным или отрицательным и зависит от числа электронов, которые вращаются вокруг ядра. Положительный заряд атома означает, что вокруг ядра вращается больше электронов, чем вокруг ядра, а отрицательный заряд означает, что наоборот.

Электрический заряд атома

Атомный заряд зависит от его структуры и может изменяться в зависимости от состояния атома, например, при изменении атомной орбитали. Например, если атом находится в основном состоянии, то его заряд будет равен заряду ядра атома, но если атом находится во возбужденном состоянии, то заряд может измениться из-за перераспределения электронов.

Изменение электрического заряда атома может привести к различным физическим эффектам, таким как электромагнитное взаимодействие между атомами, ядерные реакции и другие. Знание о заряде атома является важным для понимания многих физических явлений, связанных с атомом, и имеет практическое применение в химии, физике, медицине и других областях науки.

Размеры атома

Размеры атомов зависят от многих факторов, включая их химический состав и состояние. В общем случае, атомы состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны, а также электронных оболочек, которые окружают ядро.

Размеры атомов можно оценить, используя понятие радиуса Бора, который определяется как расстояние от центра атома до его электронной оболочки. Для большинства атомов радиус Бора составляет около 1-2 ангстрем (10 на минус десятой степени метров), но для атомов с большим количеством электронов радиус может быть больше.

Кроме того, размеры атомов также зависят от их формы и структуры. Например, атомы в молекулах могут иметь более сложную структуру, чем атомы в газах или жидкостях.

Размер атома и ядра

Энергия связи атома

Энергия связи атома — это энергия, необходимая для разделения атомов на их составные части. Она определяется как разница между энергией системы до и после разделения атомов.

Энергия связи атома зависит от типа атома и его структуры. Например, у легких атомов, таких как водород, энергия связи низкая, потому что электроны находятся близко друг к другу и обладают высокой кинетической энергией. У более тяжелых атомов, таких как уран, энергия связи выше, потому что электронные оболочки расположены дальше друг от друга и электроны обладают меньшей кинетической энергией.

Для расчета энергии связи используют различные модели, например, модель Хартри-Фока или метод теории функционала плотности. Эти модели учитывают электронные и ядерные взаимодействия, а также спин-спиновое взаимодействие.

Энергия связи атома

Магнитный момент атома

Магнитный момент ядра атома определяется его спином и магнитным моментом протона. Спин протона равен 1/2, а магнитный момент протона составляет примерно 2,79 × 10^−29 Дж/Т (ядерный магнетон). Таким образом, магнитный момент ядра определяется как сумма магнитных моментов всех протонов, входящих в состав ядра.

Для ядра атома с массовым числом A и зарядом Z магнитный момент равен:

μ = (Z / A) * 2.79 × 10^(−29) Дж / Т

  • где Z — число протонов в ядре,
  • A — массовое число ядра, равное числу протонов плюс число нейтронов.

Например, для ядра азота с массовым числом 14 и зарядом 7 магнитный момент будет равен:

μ(N) = (7 / 14) * 2.79 * 10^(-29) = 1.23 * 10^(-28) Дж/Т

Магнитные моменты всех атомов в веществе складываются, образуя общий магнитный момент вещества.

Периодическая система элементов атома

Периодическая система элементов — это таблица, в которой элементы расположены в порядке возрастания атомного номера. Она была создана в 19 веке Дмитрием Менделеевым и с тех пор является одним из самых важных инструментов в химии и физике.

Периодическая система содержит 118 элементов, которые разделены на 7 периодов и 8 групп. Каждый период соответствует определенному числу электронов на внешнем уровне элемента. Например, первый период содержит элементы с одним электроном на внешнем уровне, второй период — элементы с двумя электронами на внешнем уровне и т.д.

Каждый элемент в периодической системе имеет свой символ, название и атомный номер. Атомный номер — это число протонов в ядре атома элемента. Элементы в периодической системе расположены в порядке увеличения атомного номера, начиная с водорода (атомный номер 1) и заканчивая ураном (атомный номер 92).

Свойства элементов в периодической таблице зависят от их атомного номера и электронного строения. Элементы с одинаковым атомным номером имеют похожие свойства, например, все элементы с атомным номером 16 имеют одинаковую валентность и образуют соединения с одинаковыми свойствами. Элементы с большим атомным номером обычно более реакционноспособны и имеют более высокую температуру плавления и кипения.

В периодической таблице также можно найти информацию о свойствах элементов, таких как температура плавления, плотность, электроотрицательность, кислотно-основные свойства и другие. Эта информация может быть использована для предсказания свойств новых элементов и для разработки новых материалов и технологий.

Ядерная реакция атома

Ядерные реакции — это процессы, происходящие в атомном ядре, в результате которых происходит превращение одного ядра в другое. Они могут приводить к различным последствиям, таким как выделение энергии, образование новых химических элементов или излучение частиц.

Основные типы ядерных реакций:

  • Деление ядер — это процесс, в результате которого большое ядро делится на два или несколько более мелких ядер. Этот процесс является основой работы ядерных реакторов и используется для получения энергии.
  • Синтез ядер — это процесс образования новых более тяжелых элементов из легких ядер. Он происходит в звездах и используется для объяснения процесса образования химических элементов во Вселенной.
  • Распад ядер — это обратный процесс деления ядер, который приводит к распаду более тяжелого ядра на два или несколько более легких ядер.
  • Изотопный обмен — это процесс обмена нейтронами между двумя ядрами, в результате чего одно ядро превращается в другой изотоп того же элемента.
  • Термоядерный синтез — это процесс синтеза легких ядер, таких как водород, гелий и литий, в более тяжелые ядра. Он происходит внутри звезд и используется для объяснения их эволюции и образования тяжелых элементов.

Ядерная реакция атома

Период полураспада атома

Период полураспада — это время, за которое количество радиоактивного изотопа в образце уменьшается вдвое.

Для большинства радиоактивных изотопов период полураспада составляет несколько минут, часов или дней. Например, период полураспада радиоактивного йода-131 равен 8 дней, а период полураспада урана-238 — 4,5 миллиарда лет.

Период полураспада можно рассчитать по формуле:

  • где T1/2 — период полураспада,
  • λ — постоянная распада.

Постоянная распада — это скорость, с которой распадается радиоактивный изотоп. Она измеряется в секундах в минус первой степени (с-1).

Чтобы рассчитать период полураспада изотопа, нужно знать его постоянную распада. Если это не известно, можно использовать таблицы радиоактивного распада или обратиться к специалисту в области ядерной физики.

Строение атома

Строение атома — это структура, в которой электроны и протоны расположены в определенных энергетических уровнях. Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронных оболочек, которые окружают ядро.

Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, которое имеет положительный заряд, равный числу протонов в атоме. Нейтроны не имеют электрического заряда и не участвуют в химических реакциях. Электроны распределены по энергетическим уровням вокруг ядра и имеют отрицательный заряд, который компенсирует положительный заряд протонов.

Каждый электрон может находиться на определенном энергетическом уровне, который соответствует определенной энергии. Чем выше уровень, тем больше энергии требуется для удаления электрона из атома. Электроны на внешнем уровне могут легко удаляться из атома, что приводит к образованию ионов.

Строение атома

Электронная оболочка атома

Электронная оболочка имеет определенный порядок, который называется принципом заполнения электронных оболочек. Этот принцип гласит, что электроны заполняют орбиты по мере увеличения их энергии. Например, электроны на первой орбите имеют самую низкую энергию, поэтому они занимают эту орбиталь первыми. Затем электроны занимают вторую орбиталь, третью орбиталь и так далее, пока все орбиты не будут заполнены.

В каждом атоме есть определенное число электронов, которое называется числом электронов в атоме. Это число определяется атомным номером элемента и не может быть изменено. Например, в атоме водорода есть один электрон, в атоме углерода — шесть электронов, а в атоме золота — 79 электронов.

Распределение электронов в электронной оболочке атома также определяет его химические свойства. Например, элементы с заполненной электронной оболочкой обычно являются неактивными металлами, тогда как элементы с незаполненной электронной оболочкой могут быть активными металлами или неметаллами.

Свойства атома

Свойства ядра атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд и массу, равную примерно 1 атому массы. Нейтроны не имеют электрического заряда и массы, равной примерно 0 атому массы.

Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Например, у натрия (Na) в ядре содержится 11 протонов, а у хлора (Cl) — 17 протонов.

Ядро также содержит нейтроны, которые могут иметь различные массы и энергии. Массы нейтронов могут быть различными, но их средняя масса составляет около 1 атома массы. Энергия нейтронов может быть разной, от низкой до высокой.

Протоны и нейтроны взаимодействуют друг с другом и образуют ядро атома, которое имеет определенный заряд и массу. Ядро является центром атома и определяет его свойства, такие как заряд, массу и энергию.

Кроме того, ядро может делиться на части при определенных условиях, таких как ядерный синтез или ядерное деление. В результате деления образуются новые элементы и выделяется энергия.

Электромагнитное излучение атома

Атом состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг него по определенным орбитам. Когда электрон находится на одной из этих орбит, он может излучать электромагнитные волны, создавая электромагнитное излучение атома.

Электромагнитное излучение может иметь различные частоты и длины волн, которые зависят от энергии электронов в атоме. Например, излучение с низкой энергией имеет более длинные волны и низкую частоту, а излучение с высокой энергией имеет короткие волны и высокую частоту.

Когда атом излучает электромагнитное излучение, его электроны переходят на более высокие орбиты, что приводит к уменьшению энергии. Это происходит через процесс, называемый «излучение», когда электрон теряет энергию и переходит на более высокую орбиту, испуская при этом фотон.

Излучение атома может быть использовано в различных областях науки и техники, таких как спектроскопия, радиолокация и ядерная физика. Оно также играет важную роль в медицине, так как позволяет диагностировать различные заболевания и состояния организма.

Магнитные свойства атома

Магнитные свойства атомов определяются их структурой и электронной оболочкой. Каждый атом обладает магнитным моментом, который возникает из-за движения электронов вокруг ядра. Магнитный момент атома зависит от его электронной конфигурации и может быть изменен путем изменения внешних условий, таких как давление или температура.

При помещении атома в магнитное поле происходит взаимодействие между магнитным моментом атома и магнитным полем. В результате атом приобретает дополнительный магнитный момент, который направлен по направлению магнитного поля. Этот эффект используется в магнитных материалах, таких как магниты и ферриты, для создания устройств, работающих на основе магнитного поля.

Кроме того, магнитные свойства атомов могут быть использованы для создания магнитных материалов, таких как ферриты и магниты. Эти материалы обладают уникальными свойствами, такими как высокая магнитная проницаемость и способность сохранять магнитное поле даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Радиоактивность атомов

Радиоактивность — это свойство некоторых атомов, которое заключается в том, что они самопроизвольно испускают частицы, такие как альфа-частицы, бета-частицы или гамма-кванты. Атомы, которые способны к радиоактивности, называются радиоактивными атомами.

Процесс радиоактивности происходит в результате ядерных реакций, когда ядро атома захватывает другой атом, изменяя свою структуру и превращаясь в другое ядро. В результате этого процесса высвобождаются разные виды частиц, такие как нейтроны, протоны или электроны.

Явление радиоактивности было открыто французским физиком Антуаном Анри Беккерелем в 1896 году. Он обнаружил, что соль урана (уранинит) испускает излучение, которое вызывает почернение фотографической бумаги. Это открытие стало одним из первых доказательств существования атомов и элементарных частиц.

Радиоактивность является естественным явлением, которое можно наблюдать в природе. Она используется в медицине для диагностики различных заболеваний и в промышленности для производства радиоактивных изотопов, которые используются в научных исследованиях и медицине.

Однако радиоактивность также может быть опасной для здоровья человека, если не соблюдаются меры предосторожности. Например, радиация может вызывать рак, генетические мутации и другие заболевания. Поэтому при работе с радиоактивными материалами необходимо соблюдать соответствующие правила безопасности.

Применение атома

Применение атома в ядерной физике

Атом можно использовать в ядерной физике для различных целей, таких как:

  • Изучение строения и свойств атомных ядер. Атомные ядра состоят из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц). Изучение свойств атомных ядер позволяет понять, как работает ядерная энергия и как ее можно использовать для создания ядерного оружия или топлива для ядерных реакторов.
  • Атом может быть использован для создания новых элементов путем ядерных реакций. Например, путем слияния атомов водорода и лития можно получить ядро гелия, которое затем может превратиться в ядро бериллия при добавлении еще одного протона.
  • Исследование радиоактивности. Атомный распад и радиоактивность являются важными темами в ядерной физике. Изучение радиоактивных элементов и процессов позволяет понять, как происходят ядерные реакции и как можно использовать радиоактивные элементы в медицине или науке.
  • Разработка ядерного оружия. Атомное оружие является одним из наиболее опасных видов оружия массового уничтожения. Изучение свойств атомного ядра и ядерных реакций позволяет разработать новые типы ядерного оружия и улучшить существующие.
  • Производство энергии. Ядерная энергия является одним из самых эффективных источников энергии. Использование ядерных реакторов для производства электроэнергии является важным шагом в развитии энергетики.

Применение атома в медицине

Атомные технологии и медицина тесно связаны между собой. Ядерные реакции, используемые для производства медицинских препаратов, помогают разрабатывать новые лекарства от многих заболеваний, включая рак, болезни сердца, диабет и другие.

Применение атомов в медицине может включать следующие аспекты:

  • Радиотерапия. Ядерная энергия используется для лечения раковых опухолей. Атомная технология позволяет направить лучи на конкретную область тела, избегая при этом повреждения здоровых тканей.
  • Производство лекарств. Ядерное деление используется для производства различных лекарств, таких как инсулин, гормональные препараты, антибиотики и другие. Это позволяет получить более эффективные и безопасные лекарства.
  • Диагностика. Атомы используются для создания диагностических инструментов, таких как ПЭТ-сканеры и МРТ-томографы. Эти устройства позволяют получить точную информацию о состоянии организма и выявить заболевания на ранних стадиях.
  • Биологические исследования. Ядерные технологии также используются для изучения биологических процессов и разработки новых методов лечения. Например, ядерные реакторы позволяют изучать механизмы роста и развития клеток, а также создавать новые биологические материалы.
  • Радиационная защита. Атомные объекты также используются для разработки средств защиты от радиации, таких как специальные костюмы и защитные экраны. Это помогает защитить людей от вредных последствий облучения.

В целом, атомная энергия может быть использована для улучшения качества жизни людей и повышения эффективности медицинских процедур.

Применение атома в энергетике

Атомная энергетика — это использование атомной энергии для производства электроэнергии. Атомные электростанции используют ядерный реактор для преобразования ядерного топлива в тепловую энергию, которая затем преобразуется в механическую энергию турбиной и генератором.

Преимущества атомной энергетики:

  • Высокая мощность и эффективность: атомные электростанции могут производить большое количество электроэнергии, что делает их идеальными для обеспечения электроэнергией крупных городов и промышленных зон.
  • Низкая стоимость: эксплуатация атомных электростанций обходится дешевле, чем других видов энергетики, благодаря более низким затратам на топливо, персонал и обслуживание.
  • Безопасность: атомные станции спроектированы таким образом, чтобы минимизировать риск аварий и катастроф.

Недостатки атомной энергетики:

  • Радиоактивность: некоторые виды ядерных отходов могут быть радиоактивными и требуют специальных мер для их хранения и утилизации.
  • Риск аварий: несмотря на то, что атомные электростанции спроектированы с учетом безопасности, аварии все же могут произойти. В случае аварии на атомной электростанции может возникнуть серьезная радиационная опасность для окружающей среды и населения.
  • Ограничения по месту: атомная энергетика ограничена географически, так как для ее работы требуется наличие радиоактивных материалов, которые сложно найти в некоторых регионах.

В целом, атомная энергетика является важным источником энергии в мире, однако ее применение должно быть ограничено с учетом возможных рисков и опасностей.

Перспективы развития исследований в области атома

Развитие исследований в области атомов имеет большое значение для науки и технологии, так как атомы являются основой для многих процессов и явлений в природе и обществе. Ниже приведены некоторые из перспектив развития исследований в этой области:

  • Изучение свойств атомов и их взаимодействие друг с другом. Это позволит лучше понимать природу материи и ее свойства, а также создавать новые материалы с уникальными свойствами.
  • Разработка новых методов и технологий для управления атомами. Это может привести к созданию новых устройств, таких как квантовые компьютеры, которые могут работать на основе квантовых состояний атомов.
  • Исследование процессов, происходящих внутри атомов, таких как ядерные реакции и процессы радиоактивности. Это поможет понять, как происходят ядерные процессы в природе, и разработать новые методы для использования ядерной энергии.
  • Развитие новых методов для изучения структуры атомов и молекул. Это позволит создавать новые материалы и устройства с улучшенными свойствами.
  • Изучение взаимодействия атомов с другими объектами, такими как свет, магнитные поля и электрические поля. Это может помочь создать новые методы диагностики и лечения заболеваний, а также разработать новые типы сенсоров и устройств.

В целом, исследования в области атома имеют огромный потенциал для развития науки и технологии в будущем.

Строение атома

Что напоминает атом – торт «Киевский» или булочку с изюмом? Разберем атомно-молекулярное учение, узнаем, почему японский физик сравнивал атом с Сатурном, и закрепим знания с помощью мини-теста в конце.

24 апреля 2019
Поделитесь в соц.сетях

История открытия. Демокрит. Начала атомистики

Уже в древности философы задумывались, из чего же состоит природа вокруг них. Демокрит первым из античных ученых предположил, что все в мире состоит из крошечных неделимых частиц. Эту частицу он назвал атом, что в переводе с греческого означает «неделимый».

К сожалению, возможности ученых в те времена были весьма ограничены. Каких-либо приборов, позволяющих исследовать строение вещества, у них не было. Но значение Демокрита в зарождении атомистики невозможно сбросить со счетов истории.

Атомно-молекулярное учение. Строение атома

Практически до середины XVIII века, пока М.В. Ломоносов не принес в химию количественные эксперименты, учение об атомах оставалось лишь прерогативой философских размышлений. Михаил Васильевич считал, что лишь знание физических законов поможет правильно истолковать результаты химических опытов.

В своих исследованиях ученый выделил в веществе крупные частицы — «корпускулы», и мелкие — «элементы», или как мы называем их сейчас — атомы.

Ломоносов считал, что каждая молекула по своему составу идентична всему веществу, а также, что различные по химическому строению элементы имеют и разные по составу молекулы. Ученый предполагал, что вещества имеют особенности не только из-за отличий в составе молекул, но и благодаря различному расположению атомов в молекуле.

Следующий шаг в изучении атомов сделал английский естествоиспытатель Джон Дальтон. Проводя различные эксперименты с растворением газов в жидкостях, ученый открыл главное физическое качество атомов: эти мельчайшие частицы имеют вес. Но поскольку атом до сих пор никто не видел, Дальтон назвал вес частицы относительным. Он установил, что самым легким элементом является водород и предложил его вес принять за единицу.

Открытие Дальтона стало прорывом в химии. Ведь теперь к любому химическому соединению можно было подойти с измерительным прибором. Это исследование позволило приблизиться к современной записи химических формул и уравнений. И именно Дальтон придумал первые обозначения для известных химических элементов.

До конца XIX века, несмотря на все старания ученых, химическое строение атома по-прежнему оставалось лишь гипотезой.Ученым не хватало оборудования, чтобы постичь тайну мельчайшей частицы.

Открытие Дальтона дало толчок дальнейшим опытам, в ходе которых ученые вычислили относительную атомную массу разнообразных химических элементов, что позволило их классифицировать, а Д.И.Менделееву – сформулировать периодический закон и представить научному миру Периодическую систему химических элементов.

Протоны и нейтроны

Обнаружение катодных лучей немецким ученым-физиком Юлиусом Плюккером в 1859 году и создание прототипа электронной трубки Ульямом Круксом в 1879 году положили новый виток исследованиям в атомистике.

Однако потребовалось еще несколько десятков лет, чтобы строение атомов химических элементов приоткрыло свои тайны. на заре XX века в одном журнале появились две публикации, которые пытались объяснить структуру атома. Одна из публикаций принадлежала английскому ученому Д.Д. Томсону, автором другой был японский физик Хантаро Нагаока.

Нагаока описал в статье так называемую «сатурнианскую» модель атома. Он думал, что атом по своей структуре напоминает планету Сатурн. В его центре находится массивное ядро с положительным зарядом, а электроны с отрицательными зарядами передвигаются вокруг ядра по орбитам. .

При создании своей атомной структуры Нагаока использовал разработанную Максвеллом в 1856 году теорию устойчивости колец Сатурна. Японский ученый был убежден, что опираясь на «сатурнианскую» модель ядра в будущих исследованиях, можно прояснить все основные свойства материи.

Исследователь ошибся, однако два постулата его теории впоследствии подтвердились:

  • ядро атома имеет значительную массу;
  • электростатические силы удерживают электроны на орбите (сходство с кольцами Сатурна, что удерживаются благодаря гравитационным силам).

Томсон выдвинул гипотезу о том, что атом напоминает шарообразную, электронейтральную сферу диаметром около 10 –10 м, где положительный заряд равномерно распределен по всей структуре атома, а электроны хаотично расположены в этом поле. Поэтому, можно сказать, что атом напоминает микроскопическую булочку с изюмом.

Опыты продолжались в разных странах. В лаборатории Резерфорда проходили испытания, которые смогли доказать, что в центре атома расположено крупное ядро с диаметром около —10 —15 м, в котором содержится более 99,95 % его массы, а заряд его положительный.

Ученые продолжали исследования с катодным излучением, и выяснили, что масса ядра была примерно в два раза больше, чем масса всех протонов в нем. Опираясь на это знание, Резерфорд выдвинул гипотезу, что в ядре атома присутствует еще некая тяжелая частица, лишенная заряда. С биографией выдающегося ученого можно кратко ознакомиться в учебнике «Введение в естественно-научные предметы» , под редакцией А.Е. Гуревич.

В 1932 году и Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон — третий недостающий элемент атома.

Атомное взаимодействие обеспечивает тесную связь протонам и нейтронам в ядре атома. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны. Ученые считают, что их характеристики достаточно подобны, чтобы отнести эти частицы к одному семейству, как биологи относят в один вид собак и волков.

Казалось бы, вот оно – тайна ядра разгадана. Но нет, в современной физике считается, что нуклоны состоят из еще более мелких частиц, которые называют кварками, и кварковая модель является ведущей в современной науке.

Эксперименты по исследованию атома и его ядра не прекращаются, и в 2010 году международная группа физиков при исследовании протонов в мюонном водороде установила, что размер радиуса протона меньше на 4%, чем считалось до этого.

Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса, почему измерение одной и той же величины в обычном и в мюонном водороде дает разные результаты — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор не решена.

 Введение в естественно-научные предметы. 5 - 6 классы. Учебник

Введение в естественно-научные предметы. 5 — 6 классы. Учебник

Учебник знакомит учащихся 5-6 классов с основами физики и химии — двух важнейших составных частей естествознания. Изложение ведется нетрадиционно — рисунок является основным средством подачи материала. Много внимания уделено фронтальному эксперименту. В учебник включено более 30 лабораторных работ, завершающих изучение тем как по физике, так и по химии.

Изотопы

Работая в лаборатории Резерфорда, Фредерик Содди экспериментально установил, что встречаются атомы одного химического элемента с различной атомной массой. А поскольку к этому времени уже было известно, что количество протонов для ядра постоянно, соответственно, отличались они количеством нейтронов.

Содди предложил термин изотоп (от греческих слов изос — «равный» и топос — «место») для обозначения веществ, идентичных по химическим свойствам, но отличающихся атомной массой и определенными физическими свойствами.

При графической записи изотоп выглядит как знак химического элемента, которому он соответствует. А что бы обозначить разницу, в массовом числе используют индекс слева вверху: ( 12 C, 222 Rn)

Протий, дейтерий, и тритий — исторические собственные названия изотопов водорода.

  • стабильные (устойчивые);
  • нестабильные (радиоактивные).

Электронное строение атома

Исследование таинственного микромира продолжается. Изучение движения электронов и внутриатомных взаимодействий выделилось в отдельную область физики — квантовую механику. Главный постулат квантовой механики — все волны обладают свойствами частиц, а микрочастицы имеют волновую природу.

В макромире физическое тело всегда находится в какой-то конкретной точке пространства. Даже если вы сфотографируете летящую муху и на фотографии она будет в виде черной полосы, вы все равно будете уверены, что в конкретный момент времени она была в определенном месте.

В мире атома все иначе. Легкий подвижный электрон находится одновременно во всех точках околоядерного пространства. Если провести аналогию с макромиром, больше всего это напомнит неплотный клубок мягкой пушистой шерсти.

И именно эта зона пространства, где существует вероятность встретить электрон, называется электронным облаком. Плотность электронного облака неравномерна.

В электронном облаке выделяют зону, где вероятность встречи с электроном более 90% — эта область обозначена как атомная или электронная орбиталь.

Все электроны в атоме обладают определенной энергией. Чтобы описать состояние электрона, ученые используют квантовые числа. Всего их четыре. Целое число n, которое определяет энергию электронов на конкретном энергетическом уровне, называют главным квантовым числом.

На одной электронной оболочке находятся атомные орбитали с единым значением главного квантового числа n.

У невозбужденного атома электроны расположены на орбиталях 4-х видов: s, p, d и f.

Но почему нельзя было обозначить буквами по алфавиту a, b, c? Все не так просто, для обозначения атомных орбиталей ученые решили использовать начальные буквы от прилагательных, описывающих спектральные линии в атомных спектрах:

Чтобы графически представить расположение электронов на уровнях и подуровнях атомной оболочки, ученые ввели электронные формулы. Это такие численно-буквенные комбинации, где подуровень обозначен строчной латинской литерой, а цифровой индекс вверху справа обозначает количество электронов на подуровне.

Например, атом водорода имеет один электрон, который расположен на s-подуровне 1-го энергетического уровня: 1s 1 . Электроны углерода расположены на двух энергетических уровнях, на внешнем энергетическом уровне у углерода выделяют два подуровня 2s и 2p, где находятся 4 электрона. Также используется графическая схема строения атома.

Для наглядности строения атомной оболочки углерода и процессов в ней можно воспользоваться схемой , представленной на нашем ресурсе.

Несмотря на свои способности быть одновременно в любой точке пространства, электроны при заполнении орбиталей соблюдают определенный порядок:

  • Принцип наименьшей энергии. Электроны занимают атомные орбитали от наименьшей энергии к наибольшей. Распределение подуровней по энергиям представлено рядом : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, где от 1s до 7p — энергия увеличивается.
  • Принцип Паули — на одной орбитали помещается два электрона. Суммарное количество электронов в одном электронном слое или на одном электронном уровне равно 2n2.
  • Правило Хунда — прежде чем начать собираться в пары, электроны сначала в пределах подуровня по одному занимают вакантные орбитали.

У этого правила есть еще одно мнемоническое название — правило троллейбуса. Расположение электронов напоминает рассадку в общественном транспорте. Если есть свободные места и человек входит один, он сядет на свободное сиденье, и только если нет свободных сидений, подсядет к кому-то на свободное место.

Итак, подведем выводы, на которые ученым понадобилось более сотни лет опытов, исследований, научных дискуссий и даже трагедий.

  • Форма атома — сфера.
  • Ядро и электронная оболочка — составные структуры атома.
  • По электронной оболочке движутся электроны с отрицательным зарядом.
  • Масса ядра составляет основную часть массы атома, т.к. протон весит примерно в 2000 раз больше электрона.
  • Радиус атома приблизительно в 100000 раз больше чем радиус ядра.
  • Атомное ядро состоит из нуклонов: протонов (p+) и нейтронов (n0), которые состоят из кварков.
  • Количество протонов N(p+) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в периодической системе элементов, т.е. N(p+) = Z
  • Количество электронов в нейтральном атоме равно количеству протонов в его ядре.
  • Массовое число представляет собой сумму протонов Z и нейтронов N и обозначается литерой А.
  • Если атом приобретает лишние электроны или теряет свои, то его заряд изменяется и он превращается в ион с положительным или отрицательным зарядом, что можно увидеть на иллюстрации в учебнике «Введение в естественно-научные предметы» , под редакцией А.Е. Гуревич.

 Введение в естественно-научные предметы. 5 класс. Рабочая тетрадь

Введение в естественно-научные предметы. 5 класс. Рабочая тетрадь

В тетрадь включены вопросы и расчетные задачи, экспериментальные задания и лабораторные работы. Пособие предназначено для организации самостоятельной работы учащихся при изучении нового материала, а также для закрепления и проверки полученных знаний.

Чтобы проверить насколько хорошо усвоен материал, предлагаем вашему вниманию тест на тему «Строение атома» для 8-11 классов:

  1. Кто придумал название атом?
    • Архимед
    • Менделеев
    • Демокрит
    • Ломоносов
  2. Как называются частицы, из которых состоит ядро атома?
    • нуклоны
    • позитроны
    • феромоны
    • интерфероны
  3. На что, согласно теории Томсона, похож атом?
    • на пирожок с повидлом
    • на «Киевский» торт
    • на булочку с изюмом
    • на горшок с медом
  4. Какую форму имеет атом?
    • сферическую
    • цилиндрическую
    • кубическую
    • додекаэдрическую
  5. Как называется составная часть нуклона?
    • тверк
    • кварк
    • парк
    • трак
  6. Что не является изотопом водорода?
    • дейтерий
    • тритий
    • радий
    • протий
  7. Как называется атом, в котором число протонов не совпадает с числом электронов?
    • изотоп
    • ион
    • нуклон
    • борион
  8. Сколько электронов помещается на одной орбитали?
    • 3
    • 10
    • 2
    • 15
  9. Какая наука изучает движение электронов?
    • квантическая химия
    • механическая биология
    • коллоидная математика
    • квантовая механика
  10. Основная масса атома содержится?
    • в ядре
    • в электронах
    • в орбиталях
    • в протонах

ЯДРО АТОМА

В начале XX века атомистическое строение материи перестало быть гипотезой, и атом сделался такой же реальностью, как реальны обычные для нac факты и явления.

Выяснилось, что атом есть очень сложное образование, в состав которого, несомненно, входят электрические заряды, а может быть, и только одни электрические заряды. Отсюда, естественно, возник вопрос о структуре атома.

Первая модель атома была построена по образцу Солнечной системы. Однако такое представление о структуре атома вскоре оказалось несостоятельным. И это естественно. Представление об атоме как о Солнечной системе было чисто механическим перенесением картины, связанной с астрономическими масштабами, в область атома, где масштабы — только стомиллионные доли сантиметра. Столь резкое количественное изменение не могло не повлечь за собой и очень существенного изменения качественных свойств тех же явлений. Это различие прежде всего сказалось в том, что атом, в отличие от Солнечной системы, должен быть построен по гораздо более жестким правилам, чем те законы, которые определяют орбиты планет Солнечной системы.

Возникло два затруднения. Во-первых, все атомы данного рода, данного элемента по своим физическим свойствам совершенно одинаковы, а следовательно, совершенно одинаковы должны быть орбиты электронов в этих атомах. Между тем законы механики, управляющие движением небесных тел, для этого не дают решительно никаких оснований. В зависимости от начальной скорости орбита планеты может быть, по этим законам, совершенно произвольна, планета может вращаться каждый раз с соответственной скоростью по любой орбите, на любых расстояниях от Солнца. Если бы такие же произвольные орбиты существовали в атомах, то атомы одинакового вещества не могли бы быть настолько совпадающими по своим свойствам, например, давать строго одинаковый спектр свечения. Это одно противоречие.

Другое — заключалось в том, что движение электрона вокруг атомного ядра, если к нему применить законы, хорошо нами изученные в большом масштабе лабораторных опытов или даже астрономических явлений, должно было бы сопровождаться непрерывным излучением энергии. Следовательно, энергия атома должна была бы непрерывно истощаться, и опять-таки атом не мог бы сохранить одинаковыми и неизменными свои свойства на протяжении столетий и тысячелетий, а весь мир и все атомы должны были бы испытывать непрерывное затухание, непрерывную потерю заключающейся в них энергии. Это тоже никак несовместимо с основными свойствами атомов.

Последнее затруднение ощущалось особенно остро. Казалось, оно завело всю науку в неразрешимый тупик.

Крупнейший физик Лоренц закончил нашу беседу по этому поводу так: «Я жалею, что не умер пять лет назад, когда этого противоречия еще не было. Тогда я умер бы в убеждении, что я раскрыл часть истины в явлениях природы».

В это же время, весной 1924 года, де-Бройль, молодой ученик Ланжевена, в своей диссертации выразил мысль, которая в дальнейшем своем развитии привела к новому синтезу.

Идея де-Бройля, потом довольно существенно измененная, но до сих пор в основном сохранившаяся, заключалась в том, что движение электрона, вращающегося вокруг ядра в атоме, не есть просто движение некоего шарика, как это представляли себе раньше, что это движение сопровождается некоторой волной, идущей вместе с движущимся электроном. Электрон — не шарик, а некоторая размытая в пространстве электрическая субстанция, движение которой представляет собой в то же время распространение волны.

Это представление, затем распространенное не только на электроны, но и на движение всякого тела — и электрона, и атома, и целой совокупности атомов, — утверждает, что всякое движение тела заключает в себе две стороны, из которых мы в отдельных случаях можем видеть особенно отчетливо одну сторону, тогда как другая заметно не проявляется. В одном случае мы видим как бы распространяющиеся волны и не замечаем движения частиц, в другом случае, наоборот, на первый план выступают сами движущиеся частицы, а волна ускользает от нашего наблюдения.

Но на самом деле всегда обе эти стороны имеются, и, в частности, в движении электронов имеется не только перемещение самих зарядов, но и распространение волны.

Нельзя сказать, что движения электронов по орбитам нет, а есть только пульсация, только волны, т. е. нечто другое. Нет, правильнее было бы сказать так: того движения электродов, которое мы уподобляли движению планет вокруг Солнца, мы вовсе не отрицаем, но самое это движение имеет характер пульсации 1 , а не характер движения земного шара вокруг Солнца.

Я не стану здесь излагать строение атома, строение той электронной его оболочки, которая определяет все основные физические свойства — сцепление, упругость, капиллярность, химические свойства и т. п. Все это — результат движения электронной оболочки, или, как мы теперь скажем, пульсации атома.

ПРОБЛЕМА АТОМНОГО ЯДРА

Ядро играет в атоме самую существенную роль. Это — тот центр, вокруг которого вращаются все электроны и свойствами которого в конечном счете обусловливается все остальное.

Первое, что мы могли узнать о ядре, — это его заряд. Мы знаем, что в состав атома входит некоторое число отрицательно заряженных электронов, но атом в целом не обладает электрическим зарядом. Значит, где-то должны быть соответствующие положительные заряды. Эти положительные заряды сосредоточены в ядре. Ядро — положительно заряженная частица, вокруг которой пульсирует электронная атмосфера, окружающая ядро. Заряд ядра определяет собой и число электронов.

Электроны железа и меди, стекла и дерева совершенно одинаковы. Для атома никакой беды не составляет потерять несколько своих электронов или даже потерять все свои электроны. Пока остается положительно заряженное ядро, это ядро притянет к себе из других окружающих тел столько электронов, сколько ему нужно, и атом сохранится. Атом железа до тех пор останется железом, пока цело его ядро. Если он потеряет несколько электронов, то положительный заряд ядра окажется больше, чем совокупность оставшихся отрицательных зарядов, и весь атом в целом приобретет избыточный положительный заряд. Тогда мы его называем не атомом, а положительным ионом железа. В другом случае атом может, наоборот, привлечь к себе больше отрицательных электронов, чем в нем имеется положительных зарядов, — тогда он будет заряжен отрицательно, и мы называем его отрицательным ионом; это будет отрицательный ион того же элемента. Следовательно, индивидуальность элемента, все его свойства существуют и определяются ядром, зарядом этого ядра прежде всего.

Далее, — масса атома в подавляющей своей части определяется именно ядром, а не электрона ми, — масса электронов составляет меньше одной тысячной массы всего атома; больше чем 0,999 всей массы — это масса ядра. Это имеет тем большее значение, что массу мы считаем мерой того запаса энергии, которым обладает данное вещество; масса — такая же мера энергии 2 , как эрг, киловатт-час или калория* .

Сложность ядра обнаружилась в явлении радиоактивности, открытом, вскоре за рентгеновыми лучами, на грани нашего столетия. Известно, что радиоактивные элементы непрерывно излучают энергию в виде альфа-, бета- и гамма-лучей. Но такое непрерывное излучение энергии должно иметь какой-то источник. В 1902 г. Резерфорд показал, что единственным источником этой энергии должен быть атом, иначе сказать, ядерная энергия. Другая сторона радиоактивности заключается в том, что испускание этих лучей переводит один элемент, находящийся в одном месте периодической системы, в другой элемент с другими химическими свойствами. Иными словами, радиоактивные процессы осуществляют превращение элементов. Если верно, что ядром атома определяется его индивидуальность и что, пока ядро цело, до тех пор и атом остается атомом данного элемента, а не какого-нибудь другого, то переход одного элемента в другой означает изменение самого ядра атома.

Выбрасываемые радиоактивными веществами лучи дают первый подход, позволяющий составить себе некоторое общее представление о том, что заключено в ядре.

Альфа-лучи представляют собой ядра гелия, а гелий — второй элемент периодической системы. Можно думать поэтому, что в состав ядра входят ядра гелия. Но измерение скоростей, с которыми вылетают альфа-лучи, приводит сразу же к очень серьезному затруднению.

ТЕОРИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ГАМОВА

Ядро заряжено положительно. При приближении к нему всякая заряженная частица испытывает силу притяжения или отталкивания. В больших масштабах лабораторий взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона: два заряда взаимодействуют друг с другом с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональной величине одного и другого зарядов. Изучая законы притяжения или отталкивания, которые испытывают частицы, приближаясь к ядру, Резерфорд установил, что вплоть до очень близких к ядру расстояний, порядка 10 -12 см, еще справедлив тот же закон Кулона. Если это так, то мы легко можем подсчитать, какую работу должно произвести ядро, отталкивая от себя положительный заряд, когда он выходит из ядра и выбрасывается наружу. Альфа-частицы и заряженные ядра гелия, вылетая из ядра, движутся под отталкивающим действием его заряда; и вот соответствующий подсчет дает, что под действием одного только отталкивания альфа-частицы должны были накопить кинетическую энергию, соответствующую, по крайней мере, 10 или 20 млн. электронвольт, т. е. энергию, которая получается при прохождении зарядом, равным заряду электрона, разности потенциалов в 20 млн. вольт**. А на самом деле, вылетая из атома, они выходят с энергией, гораздо меньшей, всего в 1-5 млн. электронвольт. А ведь, кроме того,

естественно было ожидать, что и ядро, выбрасывая альфа-частицу, еще что-то дает ей в придачу. В момент выбрасывания в ядре происходит что-то вроде взрыва, и самый этот взрыв сообщает какую-то энергию; к этому прибавляется работа сил отталкивания, а оказывается, что сумма этих энергий меньше того, что должно дать одно отталкивание. Это противоречие снимается, как только мы откажемся от механического перенесения в эту область взглядов, выработанных на опыте изучения больших тел, где мы не принимаем во внимание волнового характера движения. Г. А. Гамов первый дал правильное толкование этому противоречию и создал волновую теорию ядра и радиоактивных процессов.

Известно, что на достаточно больших расстояниях (больше 10 -12 см) ядро отталкивает от себя положительный заряд. С другой стороны, несомненно, что внутри самого ядра, в котором находится много положительных зарядов, они почему-то не отталкиваются. Самое существование ядра показывает, что положительные заряды внутри ядра взаимно притягивают друг друга, а вне ядра — от него отталкиваются.

Как же можно описать энергетические условия в самом ядре и вокруг него? Гамов создал следующее представление. Будем изображать на диаграмме (рис. 5) величину энергии положительного заряда в данном месте расстоянием от горизонтальной прямой А .

По мере приближения к ядру энергия заряда будет возрастать, потому что будет совершаться работа против силы отталкивания. Внутри ядра, наоборот, энергия должна снова уменьшиться, потому что здесь существует не взаимное отталкивание, а взаимное притяжение. На границах ядра происходит резкое спадание величины энергии. Наш рисунок изображен на плоскости; на самом деле нужно, конечно, представить себе его в пространстве с таким же распределением энергии и по всем другим направлениям. Тогда мы получаем, что вокруг ядра имеется шарообразный слой с высокой энергией, как бы некоторый энергетический барьер, защищающий ядро от проникновения положительных зарядов, так называемый «барьер Гамова».

Если стоять на точке зрения привычных взглядов на движение тела и забыть о волновой его природе, то нужно ожидать, что в ядро может пробраться только такой положительный заряд, энергия которого не меньше высоты барьера. Наоборот, для того, чтобы выйти из ядра, заряду нужно сначала достигнуть вершины барьера, после чего его кинетическая энергия начнет возрастать по мере удаления от ядра. Если на вершине барьера энергия была равна нулю, то при удалении из атома она и получит те самые 20 млн. электронвольт, которые на самом деле никогда не наблюдаются. Новое понимание ядра, которое внес Гамов, заключается в следующем. Движение частицы нужно рассматривать как волновое. Следовательно, на этом движении сказывается энергия не только в занимаемой частицей точке, но и во всей размытой волне частицы, охватывающей довольно значительное пространство. Исходя из представлений волновой механики, мы можем утверждать, что, если даже энергия в данной точке не достигла того предела, который соответствует вершине барьера, частица может оказаться по другую его сторону, где ее уже не втягивают в ядро действующие там силы притяжения.

Нечто аналогичное представляет следующий опыт. Представьте себе, что за стеной комнаты находится бочка с водой. От этой бочки проведена труба, которая проходит высоко наверху через отверстие, в стене и подает воду; внизу вода выливается. Это — хорошо известное устройство, называемое сифоном. Если бочка с той стороны поставлена выше, чем конец трубы, то через нее будет непрерывно вытекать вода со скоростью, определяемой разностью уровня воды в бочке и конца трубы. Ничего удивительного здесь нет. Но если бы вы не знали о существовании бочки по ту сторону стены и видели только трубу, по которой течет вода с большой высоты, то для вас этот факт казался бы непримиримым противоречием. Вода течет с большой высоты и в то же время не накапливает той энергии, которая соответствует высоте трубы. Однако объяснение в данном случае очевидно.

Аналогичное явление мы имеем в ядре. Заряд из своего нормального положения А поднимается в состояние большей энергии В , но вовсе не достигает вершины барьера С (рис. 6).

Из состояния В альфа-частица, проходя сквозь барьер, начинает отталкиваться от ядра не с самой вершины С , а с меньшей высоты энергии B 1 . Поэтому при выходе наружу накопленная частицей энергия будет зависеть не от высоты С , а от меньшей высоты, равной B 1 (рис. 7).

Это качественное рассуждение можно облечь и в количественную форму и дать закон, определяю щий вероятность прохождения барьера альфа-частицей в зависимости от той энергии В , которой она обладает в ядре, а следовательно, и от той энергии, которую она получит при выходе из атома.

При помощи ряда опытов был установлен очень простой закон, связывавший числа выбрасываемых радиоактивными веществами альфа-частиц с их энергией или скоростью. Но смысл этого закона был совершенно непонятен.

Первый успех Гамова заключался в том, что из его теории совершенно точно и непринужденно вытекал этот количественный закон испускания альфа-частиц. Сейчас «энергетический барьер Гамова» и волновое его толкование являются основой всех наших представлений о ядре.

Свойства альфа-лучей качественно и количественно хорошо объясняются теорией Гамова, но известно, что радиоактивные вещества испускают и бета-лучи — потоки быстрых электронов. Испускания электронов модель не в состоянии объяснить. Это — одно из самых серьезных противоречий теории атомного ядра, которое до самого последнего времени осталось неразрешенным, но решение которого теперь, по-видимому, намечается 3 .

СТРОЕНИЕ ЯДРА

Перейдем теперь к рассмотрению того, что мы знаем о строении ядра.

Больше 100 лет назад Проутом была высказана мысль, что, может быть, элементы периодической системы вовсе не являются отдельными, ничем между собой не связанными формами материи, а представляют собой только разные комбинации атома водорода. Если бы это было так, то можно было бы ожидать, что не только заряды всех ядер будут представлять собою целые кратные заряда водорода, но и массы всех ядер будут выражаться целыми кратными массы ядра водорода, т. е. все атомные веса должны были бы выражаться целыми числами. И действительно, если посмотреть на таблицу атомных весов, то можно увидеть большое число целых чисел 4 . Например, углерод — ровно 12, азот ровно 14, кислород — ровно 16, фтор — ровно 19. Это, конечно, не случайность. Но есть все-таки атомные веса, далекие от целых чисел. Например, неон имеет атомный вес 20,2, хлор — 35,46. Поэтому гипотеза Проута осталась частичной догадкой и не могла сделаться теорией строения атома. Изучая поведение заряженных ионов, особенно легко можно изучать свойства ядра атома, воздействуя на них, например, электрическим и магнитным полем.

Основанный на этом метод, доведенный до чрезвычайно большой точности Астоном, позволил установить, что все элементы, атомные веса которых не выражались целыми числами, на самом деле представляют собой не однородное вещество, а смесь двух или нескольких — 3, 4, 9 — разных видов атомов. Так, например, атомный вес хлора, равный 35,46, объясняется тем, что на самом деле имеется несколько сортов хлорных атомов. Существуют атомы хлора с атомным весом 35 и 37, и эти два вида хлора смешаны между собой в такой пропорции, что их средний атомный вес получается 35,46. Оказалось, что не только в одном этом частном случае, но и во всех без исключения случаях, где атомные веса не выражаются целыми числами, мы имеем смесь изотопов, т. е. атомов с одинаковым зарядом, следовательно, представляющих собой один и тот же элемент, но с различными массами. Каждый же отдельный сорт атомов всегда имеет целый атомный вес.

Таким образом, гипотеза Проута получила сразу значительное подкрепление, и вопрос можно было бы считать решенным, если бы не одно исключение, а именно, сам водород. Дело в том, что наша система атомных весов построена не на водороде, принятом за единицу, а на атомном весе кислорода, который условно принят равным 16. По отношению к этому весу атомные веса выражаются почти точными целыми числами. Но сам водород в этой системе имеет атомный вес не единицу, а несколько больше, именно 1,0078. Это число отличается от единицы довольно значительно- на 3 / 4 %, что далеко превосходит все возможные ошибки в определении атомного веса.

Оказалось, что и у кислорода имеется 3 изотопа: кроме преобладающего, с атомным весом 16, другой — с атомным весом 17 и третий — с атомным весом 18 5 . Если относить все атомные веса к изотопу 16, то атомный вес водорода все-таки окажется немного больше единицы. Далее был найден второй изотоп водорода — водород с атомным весом 2 — дейтерий, как его назвали открывшие его американцы, или диплоген, как его называют англичане. Этого дейтерия примешано всего примерно 1/6000 часть, и поэтому на атомном весе водорода присутствие этой примеси сказывается очень мало.

Следующий за водородом гелий имеет атомный вес 4,002. Если бы он был составлен из 4 водородов, то атомный вес его должен был бы быть, очевидно, 4,031. Следовательно, в этом случае мы имеем некоторую потерю в атомном весе, а именно: 4,031 — 4,002 = 0,029. Возможно ли это? Пока мы не считали массу некоторой мерой материи, конечно, это было невозможно: это значило бы, что часть материи исчезла.

Но теория относительности установила с несомненностью, что масса не есть мера количества материи 6 , а мера той энергии, которой эта материя обладает. Материя измеряется не массой, а количеством зарядов, составляющих эту материю. Эти заряды могут иметь большую или меньшую энергию. Когда одинаковые заряды сближаются — энергия увеличивается, когда они удаляются — энергия уменьшается. Но это, конечно, не значит, что изменилась материя.

Когда мы говорим, что при образовании гелия из 4 водородов исчезло 0,029 атомного веса, то это значит, что исчезла соответствующая этой величине энергия. Мы знаем, что каждый грамм вещества обладает энергией, равной 9 . 10 20 эрг. При образовании 4 г гелия теряется энергия, равная 0,029 . 9 . 10 20 эргам. За счет этого уменьшения энергии 4 ядра водорода соединятся в новое ядро. Лишняя энергия выделится в окружающее пространство, и останется соединение с несколько меньшей энергией и массой. Таким образом, если атомные веса измеряются не точно, целыми числами 4 или 1, а 4,002 и 1,0078, то именно эти тысячные доли приобретают особенное значение, потому что они определяют энергию, выделяющуюся при образовании ядра.

Чем больше выделяется энергии при образовании ядра, т. е. чем больше при этом потеря в атомном весе, тем прочнее ядро. В частности, ядро гелия очень прочно, потому что при его образовании выделяется энергия, соответствующая потере в атомном весе — 0,029. Это очень большая энергия. Чтобы судить о ней, лучше всего запомнить такое простое соотношение: одна тысячная атомного веса соответствует примерно 1 млн электронвольт. Так что 0,029 это примерно 29 млн. электронвольт. Для того чтобы разрушить ядро гелия, чтобы разложить его обратно на 4 водорода, нужна колоссальная энергия. Ядро такой энергии не получает, поэтому ядро гелия чрезвычайно устойчиво, и поэтому-то именно из радиоактивных ядер выделяются не ядра водорода, а целые ядра гелия, альфа-частицы. Эти соображения приводят нас к новой оценке атомной энергии. Мы уже знаем, что в ядре сосредоточена почти вся энергия атома, и притом энергия громадная. 1 г вещества имеет, если перевести на более наглядный язык, столько энергии, сколько можно получить от сжигания 10 поездов по 100 вагонов нефти. Следовательно, ядро — совершенно исключительный источник энергии. Сравните 1 г с 10 поездами — таково соотношение концентрации энергии в ядре по сравнению с энергией, которой мы пользуемся в нашей технике.

Однако, если вдуматься в те факты, которые мы сейчас рассматриваем, то можно, наоборот, придти к совершенно противоположному взгляду на ядро. Ядро с этой точки зрения является не источником энергии, а ее кладбищем: ядро — это остаток после выделения громадного количества энергии, и в нем мы имеем самое низкое состояние энергия.

Следовательно, если мы можем говорить о возможности использования энергии ядра, то только в том смысле, что, может быть, не все ядра дошли до предельно низкой энергии: ведь и водород и гелий — оба существуют в природе, и, следовательно, не весь водород соединился в гелий, хотя гелий и обладает меньшей энергией. Если бы мы могли имеющийся водород сплотить в гелий, то получили бы известное количество энергии. Это не 10 поездов с нефтью, но все-таки это будет примерно 10 вагонов с нефтью. И это не так уж плохо, если бы можно было из 1 г вещества получить столько энергии, сколько от сжигания 10 вагонов нефти.

Таковы возможные запасы энергии при перестройке ядер. Но возможность, конечно, еще далеко не реальность 7 .

Каким же образом можно реализовать эти возможности? Для того, чтобы оценить их, перейдем к рассмотрению состава атомного ядра.

Мы можем теперь сказать, что во всех ядрах имеются положительные ядра водорода, которые называются протонами, обладают единицей атомного веса (точнее 1,0078) и единичным положительным зарядом. Но ядро не может состоять из одних протонов. Возьмем, например, самый тяжелый элемент, занимающий 92-е место в периодической таблице, — уран с атомным весом 238. Если предположить, что все эти 238 единиц составлены из протонов, то уран имел бы 238 зарядов, между тем он имеет всего 92. Следовательно, либо там не все частицы заряжены, либо там кроме 238 протонов имеются 146 отрицательных электронов. Тогда все благополучно: атомный вес был бы 238, положительных зарядов 238 и отрицательных 146, следовательно, суммарный заряд 92. Но мы уже установили, что предположение о наличии в ядре электронов несовместимо с нашими представлениями: ни по размерам, ни по магнитным свойствам электронов в ядро поместить нельзя. Оставалось какое-то противоречие.

ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА

Это противоречие было уничтожено новым опытным фактом, который примерно два года тому назад был открыт Иреной Кюри и мужем ее Жолио (Ирена Кюри — дочь Марии Кюри, открывшей радий) 8 . Ирена Кюри и Жолио открыли, что при бомбардировке бериллия (четвертого элемента периодической системы) альфа-частицами бериллий испускает какие-то странные лучи, проникающие через громадные толщи вещества. Казалось бы, paз они так легко проникают сквозь вещества, они не должны вызывать там сколько-нибудь значительных действий, иначе их энергия истощилась бы и они не проникали бы сквозь вещество. С другой стороны, оказывается, что эти лучи, столкнувшись с ядром какого- нибудь атома, отбрасывают его с громадной силой, как бы ударом тяжелой частицы. Так что, с одной стороны, нужно думать, что эти лучи — тяжелые ядра, а с другой стороны, они способны проходить громадные толщи, не оказывая никакого влияния.

Разрешение этого противоречия найдено было в том, что эта частица не заряжена. Если у частицы нет электрического заряда, то тогда на нее ничто не будет действовать, и сама она ни на что не будет действовать. Только тогда, когда она при своем движении наскочит где-нибудь на ядро, она его отбрасывает.

Таким образом, появились новые незаряженные частицы — нейтроны. Оказалось, что масса этой частицы примерно такая же, как масса частицы водорода — 1,0065 (на одну тысячную меньше протона, стало быть, энергия ее примерно на 1 млн электронвольт меньше). Эта частица похожа на протон, но только лишена положительного заряда, она нейтральна, ее назвали нейтроном.

Как только выяснилось существование нейтронов, было предложено совершенно иное представление о строении ядра. Оно было впервые высказано Д. Д. Иваненко, а затем развито, в особенности Гайзенбергом, получившим Нобелевскую премию прошлого года. В ядре могут находиться протоны и нейтроны. Можно было предположить, что ядро и составлено только из протонов и нейтронов. Тогда совсем по-другому, но совсем просто представляется все построение периодической системы. Как, например, надо себе представить уран? Его атомный вес 238, т. е. там 238 частичек. Но часть из них протоны, часть нейтроны. Каждый протон имеет положительный заряд, нейтроны совсем не имеют заряда. Если заряд урана — 92, то это значит, что 92 — протона, а все остальное — нейтроны. Это представление уже сейчас привело к ряду весьма замечательных успехов, сразу разъяснило целый ряд свойств периодической системы, которые раньше представлялись совершенно загадочными. Когда протонов и нейтронов немного, то, по современным представлениям волновой механики, нужно ожидать, что число протонов и нейтронов в ядре одинаково. Зарядом обладает только протон, и число протонов дает атомный номер. А атомный вес элемента — это сумма весов протонов и нейтронов, потому что и те и другие имеют по единице атомного веса. На этом основании можно сказать, что атомный номер — это половина атомного веса.

Теперь остается все-таки одно затруднение, одно противоречие. Это — противоречие, создаваемое бета-частицами.

ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА

Мы пришли к заключению, что в ядре нет ничего кроме положительно заряженного протона. А как же тогда выбрасываются из ядра отрицательные электроны, если там вообще никаких отрицательных зарядов нет? Как видите, мы попали в трудное положение.

Из него нас выводит опять-таки новый экспериментальный факт, новое открытие. Это открытие было сделано, пожалуй впервые, Д. В. Скобельцыным, который, давно уже изучая космические лучи, нашел, что среди зарядов, которые выбрасывают космические лучи, есть и положительные легкие частицы. Но это открытие настолько противоречило всему тому, что твердо было установлено, что Скобельцын сначала не придал своим наблюдениям такого толкования.

Следующим, кто открыл это явление, был американский физик Андерсен в Пасадене (Калифорния), а после него в Англии, в лаборатории Резерфорда, — Блэккет. Это — положительные электроны или, как их не очень удачно назвали, — позитроны. Что действительно это положительные электроны — можно проще всего видеть по их поведению в магнитном поле. В магнитном поле электроны отклоняются в одну сторону, а позитроны — в другую, и направление их отклонения определяет собою их знак.

Вначале позитроны наблюдались только при прохождении космических лучей. Совсем недавно те же Ирена Кюри и Жолио открыли новое замечательное явление. Оказалось, что существует новый тип радиоактивности, что ядра алюминия, бора, магния, сами по себе не радиоактивные, будучи бомбардированы альфа-лучами, становятся радиоактивными. В течение от 2 до 14 минут они продолжают сами собой испускать частицы, и эти частицы уже не альфа- и бета-лучи, а позитроны.

Теория позитронов была создана гораздо раньше, чем был найден сам позитрон. Дирак поставил себе задачу придать уравнениям волновой механики такую форму, чтобы они удовлетворяли и теории относительности.

Эти уравнения Дирака, однако, привели к очень странному следствию. Масса в них входит симметрично, т. е. при изменении знака массы на противоположный уравнения не изменяются. Эта симметрия уравнений относительно массы позволила Дираку предсказать возможность существования положительных электронов.

В то время никто положительных электронов не наблюдал, и существовала твердая уверенность, что положительных электронов нет (можно судить об этом по той осторожности, с которой подошли к данному вопросу и Скобельцын и Андерсен), поэтому теория Дирака была отвергнута. Спустя два года положительные электроны были на самом деле найдены, и, естественно, вспомнили о теории Дирака, предсказавшей их появление.

«МАТЕРИАЛИЗАЦИЯ» И «АННИГИЛЯЦИЯ»

Эта теория связана с целым рядом неосновательных толкований, которые обрастают ее со всех сторон. Мне хотелось бы здесь разобрать названный так по инициативе мадам Кюри процесс материализации — появление при прохождении гамма-лучей сквозь материю одновременно пары из положительного и отрицательного электрона 9 . Этот опытный факт толкуют как превращение электромагнитной энергии в две частицы материи, которых раньше не существовало. Этот факт, следовательно, истолковывается как создание и исчезновение материи под влиянием тех иных лучей.

Но если ближе присмотреться к тому, что мы в действительности наблюдаем, то легко видеть, что такое толкование появления пар не имеет никаких оснований. В частности, в работе Скобельцына прекрасно видно, что появление пары зарядов под воздействием гамма-лучей происходит вовсе не в пустом пространстве, появление пар наблюдается всегда только в атомах. Следовательно, здесь мы имеем дело не с материализацией энергии, не с появлением какой-то новой материи, а только с разделением зарядов внутри той материи, которая уже существует в атоме. Где она находилась? Надо думать, что процесс расщепления положительного и отрицательного заряда происходит недалеко от ядра, внутри атома, но не внутри ядра (на сравнительно не очень большом расстоянии 10 -10 -10 -11 см, тогда как радиус ядра 10 -12 -10 -13 см).

Совершенно то же можно сказать и об обратном процессе «аннигиляции материи» — соединения отрицательного и положительного электрона с выделением одного миллиона электронвольт энергии в виде двух квантов электромагнитных гамма-лучей. И этот процесс происходит всегда в атоме, по-видимому вблизи его ядра.

Здесь мы подходим к возможности разрешения отмеченного уже нами противоречия, к которому приводит испускание бета-лучей отрицательных электронов ядром, которое, как мы думаем, электронов не содержит.

Очевидно, бета-частицы вылетают не из ядра, а благодаря ядру; благодаря выделению энергии внутри ядра около него происходит процесс расщепления на положительный и отрицательный заряды, причем отрицательный заряд выбрасывается, а положительный втягивается в ядро и связывается с нейтроном, образуя положительный протон. Таково предположение, которое высказывалось в последнее время.

Вот что мы знаем о составе атомного ядра.

В заключение скажем несколько слов о дальнейших перспективах.

Если при изучении атомов мы дошли до некоторых границ, за которыми количественные изменения перешли в новые качественные свойства, то на границах атомного ядра перестают действовать и те законы волновой механики, которые мы обнаружили в атомной оболочке; в ядре начинают нащупываться очень еще неясные контуры новой, еще более обобщающей теории, по отношению к которой волновая механика представляет собой только одну сторону явления, другая сторона которого начинает сейчас открываться — и начинает, как всегда, с противоречий.

Работы над атомным ядром имеют и другую очень любопытную сторону, тесно переплетающу юся с развитием техники. Ядро очень хорошо защищено барьером Гамова от внешних воздействий. Если, не ограничиваясь только наблюдением распада ядер в радиоактивных процессах, мы захотели бы извне прорваться в ядро, перестроить его, то для этого потребовалось бы чрезвычай но мощное воздействие.

Задача о ядре самым настойчивым образом требует дальнейшего развития техники, перехода от тех напряжений, которые уже освоены высоковольтной техникой, от напряжений в несколько сотен тысяч вольт, к миллионам вольт. Создается новый этап и в технике. Это работа над созданием новых источников напряжения, в миллионы вольт, ведется сейчас во всех странах — и за границей и у нас, в частности в Харьковской лаборатории, которая первая начала эту работу, и в Ленинградском физико-техническом институте, и в других местах.

Проблема ядра — одна из самых актуальных проблем нашего времени в физике; над ней нужно с чрезвычайной интенсивностью и настойчивостью работать, и в этой работе необходимо обладать большой смелостью мысли. В своем изложении я указал несколько случаев, когда, переходя к новым масштабам, мы убеждались, что наши логические привычки, все наши представления, построенные на ограниченном опыте, не годятся для новых явлений и новых масштабов. Нужно преодолеть этот свойственный каждому из нас консерватизм здравого смысла. Здравый смысл — это концентрированный опыт прошлого; нельзя ожидать, что этот опыт полностью охватит и будущее. В области ядра больше, чем в какой-нибудь другой, приходится все время иметь в виду возможность новых качественных свойств и не бояться их. Мне кажется, что именно здесь должна сказаться мощь диалектического метода, лишенного этого консерватизма метода, предсказавшего и весь ход развития современной физики. Я, конечно, понимаю здесь под диалектическим методом не совокупность фраз, взятых из Энгельса. Не его слова, а их смысл нужно перенести в нашу работу; только один диалектический метод может нас продвинуть вперед в такой совершенно новой и передовой области, как проблема ядра.

КОММЕНТАРИИ К СТАТЬЕ

С момента написания статьи академиком А. Ф. Иоффе, основателем и первым директором ленинградского физико-технического института АН СССР, прошло семьдесят лет. За это время в физике произошли огромные изменения. Частицы, считавшиеся элементарными, оказались состоящими из других, более мелких частиц — кварков (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.). Изменилась научная терминология, появились новые факты и теории, иной стала общепринятая система физических единиц, по-другому пишутся имена и фамилии исследовате лей… Все это вызвало необходимость дать к публикуемой статье пояснения, без которых некоторые ее утверждения остались бы непонятыми.

▲ 1 Под пульсацией здесь имеется в виду волна де Бройля, сопоставленная с электроном. Круговое движение электрона в энергетическом уровне будет устойчивым, если на длине окружности укладывается целое число дебройлевских волн (см. рисунок).

▲ 2 В настоящее время повсеместно принята Интернациональная система единиц (СИ), единицей энергии в которой служит джоуль (Дж).

1 калория = 4,19 Дж;

1 электронвольт = 1,60.10 -19 Дж;

1 киловатт-час = 3,6.10 6 Дж.

▲ 3 Теорию бета-распада ядер (так по традиции называют один из основных типов радиоактивности) создал в том же 1934 году, но уже после выхода в свет журнала, Э. Ферми. При электронном (β — ) распаде один из нейтронов n ядра превращается в протон p, испуская электрон e — и электронное антинейтрино ύe:

A ( Z , N ) → A ( Z + 1, N — 1) + e — + ύe,

где A — массовое число, Z — заряд ядра, N — число нейтронов.

При позитронном (β + ) распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона e + и электронного нейтрино ν е :

A ( Z , N ) → A ( Z — 1, N + 1) + e + + ν е .

По современным представлениям, бета-распад происходит под действием так называемо го слабого взаимодействия элементарных частиц и обусловлен превращением кварков. При β — -распаде d -кварк нуклона превращается в u -кварк, при β + -распаде — наоборот.

▲ 4 Сегодня вместо выражения «атомные веса» употребляется термин «атомные массы». Их значения для упомянутых элементов были уточнены и оказались тоже не целочисленными: углерод — 12,011, азот — примерно 14,007, кислород — 15,994, фтор — 18,998.

▲ 5 Сейчас известны 9 изотопов кислорода. Упомянутые в статье стабильны, остальные — короткоживущие изотопы, распадаются за время от 0,0089 ( 13 О) до 122,24 ( 15 О) секунды.

▲ 6 По определению, единицей количества материи (вещества) служит единица СИ — моль. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же элементов (атомов, молекул, ионов и др.), сколько атомов содержится в изотопе углерода 12 С массой 0,0012 кг.

▲ 7 Реакция синтеза гелия из водорода впервые была осуществлена только в 50-х годах в форме взрыва водородной (термоядерной) бомбы:

p + p → 3 He + n + 3,3 Мэв,

где p — ядро атома водорода (протон), n — нейтрон.

Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций, среди которых идет и синтез гелия: d + t → 4He + n + +17,6 Мэв, где t — ядро трития, сверхтяжелого изотопа водорода 3 Н. Эта идея привела к созданию термоядерных реакторов — стеллараторов и токамаков, в том числе строящегося ныне по международному проекту реактора ИТЕР (см. «Наука и жизнь» №№ 8, 9, 2001 г.). Кроме того, активно разрабатывается метод инерционного синтеза в лазерной искре (см. «Наука и жизнь» №№ 2, 4, 2003 г.). Все эти методы пока не вышли из стадии эксперимента.

▲ 8 Имеются в виду Ирен Жолио-Кюри, Фредерик Жолио-Кюри и Мария Склодовская -Кюри, известные французские физики, авторы пионерских работ в области ядерной физики и химии.

▲ 9 Здесь описано явление так называемой парной внутренней конверсии, единственное известное в то время, — его впервые наблюдали И. и Ф. Жолио-Кюри в 1933 году. Когда энергия налетающего гамма-кванта превышает удвоенную энергию покоя электрона в атоме (1,022 Мэв), может происходить образование электрон-позитронных пар (е — -е + ). Однако рождение пар может происходить и в отсутствие материи, в вакууме. Если напряженность электрического поля превышает 10 15 В/см, в физическом вакууме возникают реальные парные частицы. Такие плотности энергии сегодня уже получены в коротких импульсах мощного лазерного излучения.

▲ * В абсолютных единицах каждый грамм вещества представляет собой энергию: 1 грамм = 9×10 20 эргов. Утверждая, что 0,999 массы атома заключено в ядре, мы тем самым утверждаем, что из всей энергии, которой обладает атом, 0,999 энергии заключается в ядре.

▲ ** Электронвольт = 1,59 x 10 -12 эрга, или 1 эрг= = 6,28 x 10 11 электронвольта: напр., энергия в 20 млн. электронвольт = 3,2 x 10 -5 эрга.

Подписи к иллюстрациям

Опытные доказательства волновой природы материи

На рис. 1 изображена дифракция (расхождение) рентгеновских лучей. Узкий пучок рентгеновских лучей, проходя через пластинку кристалла, разделяется на ряд пучков, дающих на фотографической пластинке систему пятен. Волновая природа рентгеновских лучей несомненна, и все это явление вполне точно было предсказано немецким физиком Лауе в 1912 г., а его учениками Книппингом и Фридрихом в этом же году впервые были получены подобные снимки, называемые лауеграммами.

На рис. 2 тот же опыт произведен с узким пучком летяших с большой скоростью электронов. На пути пучка поставлена пластинка слюды. Электроны дают такую же дифракцию, как рентгеновские лучи. Пластинка слюды взята очень тонкая, поэтому расхождение пучков электронов определяется только атомами, расположенными на поверхности.

На рис. 3 пластинка слюды взята более толстая. Неправильное расположение кристаллов в отдельных слоях слюды кроме пятен дает еще образование сплошных кругов, ясно видных на фотографии.

На рис. 4 электроны проходят через порошок мелких кристаллов кубической решетки (кристаллы фтористого натрия). На фотографии получается ряд колец, свидетельствующих о волновом процессе, сопровождающем летяшие электроны. Этот опыт впервые был проделан Д. П. Томсоном в 1928 г. Из опытов с дифракцией рентгеновских лучей хорошо известны расстояния между атомами решетки различных кристаллов. Зная эти расстояния, можно по фотографиям, подобным изображенным на рис. 2 и 4, определить «длину волны» волнового процесса, сопровождающего летящий электрон. Вычисленная таким образом длина волны с большой точностью совпадает с длиной волны, вычисленной по формуле, данной де-Бройлем.

На рисунках 8 и 9 изображены пути электрона и позитрона по снимку И. Кюри и Жолио в камере Вильсона. Летящая заряженная частица в камере Вильсона производит на своем пути ионизацию воздуха. На ионизированных молекулах сгущаются капельки воды, образующие облачка тумана, благодаря которым путь частицы виден белой полоской. Если заряженная частица летит в магнитном поле, то путь ее изгибается. Направление изгиба зависит от заряда частицы. На верхнем рисунке видно, что в газе сразу образуются две частицы — электрон и позитрон, пути которых изгибаются в разные стороны. На нижнем рисунке видны пути позитрона и протона. Путь протона — в виде толстой полоски, а позитрона — в виде тонкой.

Что у атома внутри

Рисунок Марии Усеиновой («Квантик» №11, 2018)

Слово «атом» по-гречески значит ‘неделимый’. Ещё древние греки придумали идею, что всё на свете, как из кирпичиков, сложено из крошечных «кусочков» — атомов. Но это было лишь одно из возможных предположений. Что это за кусочки и существуют ли они, никто не знал до XIX века, когда химики разобрались, что такое молекула, и составили список видов атомов — таблицу химических элементов 1 .

А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).

Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.

Договорились считать 2 , что у протонов положительный электрический заряд, у электронов — отрицательный. А у нейтронов электрический заряд — ноль. Получается правило: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, заряды разного знака — притягиваются.

Рисунок Марии Усеиновой («Квантик» №11, 2018)

Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.

Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!

Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу. Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?

И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же.

Задача 1

Взяли две пары маленьких незаряженных шариков. В первой паре от атомов одного шарика «оторвали» 100 электронов и «посадили» их на второй шарик. Во второй паре то же самое сделали с тысячей электронов. Потом шарики в каждой паре разнесли на одно и то же довольно большое расстояние. (Пары далеко друг от друга, гораздо дальше, чем шарики в каждой паре.) Будут ли шарики каждой пары притягиваться или отталкиваться? В какой паре сила их взаимодействия больше и во сколько раз?

Шарики каждой пары притягиваются, во второй паре притяжение сильнее в 100 раз. Действительно, во втором случае «без электрона» осталось 1000 протонов, в 10 раз больше, чем в первом. Они притягивают каждый «убежавший» электрон в 10 раз сильнее. Но и «убежавших» электронов во втором случае в 10 раз больше! Значит, суммарная действующая на них сила отличается в 100 раз.

Заметим, что остальные, «неразлучённые» протоны и электроны тоже притягивают или отталкивают каждую заряженную частицу, но их действие скомпенсировано: с какой силой протон притягивает, с такой же электрон рядом с ним отталкивает, или наоборот.

Электрическое притяжение к протонам и держит электроны в атоме, не даёт им улететь. Как мы вскоре убедимся, оно же скрепляет атомы в молекулы. Но не только! Оно же заставляет молекулы одних тел действовать на молекулы других. Если не считать силы гравитационного притяжения, с которой все мы знакомимся с детства (глядя, как падают на пол выпущенные из руки игрушки), все остальные наблюдаемые нами физические явления вызваны как раз электрической силой. Упругость пружины, трение, прилипание разных вещей друг к другу или, наоборот, их взаимное отталкивание — за всё это отвечает взаимодействие электронов одних атомов с ядрами и электронами других.

Но вернёмся к нашим атомам. В нормальной ситуации атом электронейтрален, то есть не имеет заряда: у него электронов столько, сколько протонов в ядре. Если это не так (например, кто-то похитил у атома электрон или атом где-то захватил себе чужой), такой «калечный» атом называется ионом. Тогда он заряжен — положительно, если электронов не хватает, и отрицательно, если есть лишние.

Рисунок Марии Усеиновой («Квантик» №11, 2018)

Протоны притягивают к себе электроны и заставляют их вертеться вокруг ядра, не улетая далеко. А нейтроны в электрическом взаимодействии не участвуют. Зачем же они тогда нужны? Затем, чтобы «склеивать» протоны в ядре — ведь протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, и без нейтронов они бы разлетелись в разные стороны! Силы, которыми нейтроны удерживают протоны вместе, — уже не электрические. Они действуют только на очень маленьких расстояниях — внутри ядра 3 .

Теперь можно догадаться, чем отличаются друг от друга разные сорта атомов: у них разное количество электронов. И, соответственно, протонов в ядре. Номер элемента в таблице Менделеева (число, написанное крупно в правом верхнем углу каждой клетки) — это число протонов в атомах этого элемента. А как узнать количество нейтронов? По массе атома, ведь массы протонов и нейтронов равны! Например, в атоме водорода — самом маленьком и самом лёгком — всего один протон. А в ядре атома гелия два протона, и при этом атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны не в счёт — значит, в ядре гелия 2 нейтрона!

Рисунок Марии Усеиновой («Квантик» №11, 2018)

Масса атома — в единицах массы водорода — написана в каждой клетке внизу 4 . Легко убедиться, что у нетяжёлых атомов нейтронов примерно столько же, сколько протонов. А у тяжёлых — нейтронов больше: всё труднее становится удерживать всю эту громоздкую конструкцию.

Таблица Менделеева («Квантик» №10, 2018)

Но почему эта масса нецелая? Не может же, например, у хлора быть 18 с половиной нейтронов? Конечно, нет. Просто это значит, что в природе бывают атомы с 17 электронами, 17 протонами и 18 нейтронами, а бывают такие, у которых электронов и протонов столько же, а число нейтронов отличается. И те и другие — атомы хлора, ведь электронов и протонов столько же. Такие «подвиды» атомов одного вида называют изотопами. В таблице Менделеева написана средняя масса атомов каждого вида (с учётом распространённости их изотопов).

В большинстве клеток средняя масса близка к целому числу. Это значит, что, как правило, в природе больше всего какого-то одного изотопа атомов каждого вида, а атомы с другим количеством нейтронов встречаются не так уж часто. Почти всегда можно не обращать на них внимания и округлять массу до ближайшего целого числа.

Когда хотят уточнить, какой именно изотоп имеется в виду, заряд ядра и его массу пишут прямо рядом с названием элемента: например, \(<>^_\mathrm\) — обычный водород; \(<>^_\mathrm\) — тяжёлый водород, он же дейтерий; \(<>^_\mathrm\) — сверхтяжёлый водород, тритий.

Ну-ка, проверим — всё ли понятно?

Задача 2

Сколько у атома \(<>^_\mathrm\) электронов, протонов и нейтронов? А у атома \(<>^_\mathrm\)? А у атома \(<>^_\mathrm\)? У каких атомов 30 нейтронов? (Считаем только основные, самые распространённые изотопы каждого элемента.)

\(<>^_\mathrm\) — 6 электронов, 6 протонов, 6 нейтронов; \(<>^_\mathrm\) — 11 электронов, 11 протонов, 23−11 = 12 нейтронов; \(<>^_\mathrm\) — 79 электронов, 79 протонов, 197−79 = 118 нейтронов; у марганца \(<>^_\mathrm\) и железа \(<>^_\mathrm\).

Задача 3

Если 1 кг воды «расщепить» на кислород и водород, сколько получится граммов газа кислорода?

В молекуле воды на каждый атом кислорода приходится 2 атома водорода. Но в атоме кислорода 8 протонов + 8 нейтронов, он весит в 16:2 = 8 раз больше, чем оба эти атома водорода, вместе взятые (в них ведь всего по одному протону). Значит, на атомы кислорода приходится 8/9 всей массы воды. Когда атомы кислорода «отцепятся» от атомов водорода и «слепятся» по два в молекулы кислорода О2, их суммарная масса останется прежней: 8/9 кг.

Задача 4

Во что превратится атом кислорода \(<>^_\mathrm\), если добавить в его ядро один нейтрон? А если убрать один протон?

Если добавить нейтрон, получится тяжёлый изотоп кислорода, \(<>^_\mathrm\). А вот если убрать один протон, получится 7 протонов в ядре — это уже не кислород, а азот, хотя и тяжёлый его изотоп \(<>^_\mathrm\). Если при этом ни один электрон не улетит, это будет к тому же отрицательно заряженный ион: электронов больше, чем протонов. Впрочем, появление нового или потеря одного из имеющихся электронов случается с атомами гораздо чаще, чем изменение состава ядра.

Задача 5

У хлора два распространённых изотопа. Более редкий из них имеет 20 нейтронов. Во сколько раз изотопов хлора-37 в природе меньше, чем изотопов хлора-35?

Если бы был только изотоп \(<>^_\mathrm\), масса всех атомов составляла бы 35 масс протона (или нейтрона). В среднем, как мы видели из таблицы Менделеева, на каждый атом хлора приходится примерно 35,5, то есть 0,5 «лишних» нейтрона. А в каждом атоме тяжёлого изотопа \(<>^_\mathrm\) два лишних нейтрона. Значит, чтобы в среднем была половина, тяжёлым должен быть каждый четвёртый атом.

(Более аккуратный подсчёт по указанному в таблице значению средней массы, (35,45−35):2 = 0,225, не даёт более точной оценки — ведь есть ещё другие изотопы хлора. Хоть их и совсем мало, но точнее сосчитать они помешают.)

Итак, изотоп \(<>^_\mathrm\) составляет около 1/4 всего имеющегося в природе хлора, а \(<>^_\mathrm\) — остальные 3/4. Поэтому изотопа \(<>^_\mathrm\) в 3 раза меньше.

Контрольная задача

Есть 3 списка: 1) азот, никель, алюминий, железо, медь, гелий; 2) вода, метан, поваренная соль, спирт, сахар, аспирин; 3) дерево, воздух, бумага, нефть, водка, гранит. Что общего в материалах внутри каждого списка и в чём отличие списков друг от друга? По какому принципу собраны эти списки?

В первом списке молекулы состоят из одинаковых атомов (атомов только одного вида); во втором — каждая молекула состоит из разных атомов, но все молекулы одинаковы. В третьем — вещества состоят из смеси молекул разных видов.

Рисунок Марии Усеиновой («Квантик» №11, 2018)

Художник Мария Усеинова

1 А разобрались ли вы? Для проверки и чтобы понять, как непросто было до всего этого догадаться, предлагаем вам решить «контрольную задачу» в конце статьи.

2 Вообще-то, когда договаривались, про электроны и протоны ещё ничего не знали — это было лет за 150 до их открытия. Тогда положительным назвали заряд, который получается на стекле, если его потереть шёлковой тряпочкой. Теперь мы знаем, что электроны со стекла «убегают» на шёлк.

3 Зато на этих маленьких расстояниях они очень большие — надо ведь «победить» электрическое отталкивание! Поэтому они так и называются — «сильные силы» (strong force), сильное взаимодействие.

4 Тут мы чуть-чуть обманываем читателя, но это не беда: дальше придётся обманывать ещё сильнее.

Атом

Природные объекты, эпохи, процессы, события

А́том [франц. atome, от лат. atomus, от греч. ἄτομος (οὐσία) – неделимая (сущность)], частица вещества, наименьшая часть химического элемента , являющаяся носителем его свойств. Атомы каждого элемента индивидуальны по строению и свойствам и обозначаются химическими символами элементов (например, атом водорода – Н, железа – Fe, ртути – Hg, урана – U и т. д.). Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном . Всё многообразие веществ обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Свойства газообразных, жидких и твёрдых веществ зависят от свойств составляющих их атомов. Все физические и химические свойства атома определяются его строением и подчиняются квантовым законам. Об истории развития учения об атоме см. в статье Атомная физика .

Общая характеристика строения атомов

Атом состоит из тяжёлого ядра , обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определяются размерами его внешней электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра атома. Характерные порядки диаметров, площадей поперечного сечения и объёмов атома и ядра составляют:

Атом 1 0 – 8 см 1 0 – 16 см 2 1 0 – 24 см 3 Ядро 1 0 – 12 см 1 0 – 24 см 2 1 0 – 36 см 3 \begin \text& 10^\ \text & 10^ \ \text ^2 & 10^\ \text^3 \\ \text& 10^\ \text & 10^\ \text^2 & 10^\ \text ^3 \end Атом Ядро ​ 1 0 –8 см 1 0 –12 см ​ 1 0 –16 см 2 1 0 –24 см 2 ​ 1 0 –24 см 3 1 0 –36 см 3 ​ Электронные оболочки атома не имеют строго определённых границ, и значения размеров атома в большей или меньшей степени зависят от способов их определения.

Заряд ядра – основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым, кратным положительному элементарному электрическому заряду , равному по абсолютному значению заряду электрона – e –e – e . Заряд ядра равен + Z e +Z_e + Z e ​ , где Z Z Z – порядковый номер ( атомный номер ). Z = 1 , 2 , 3 , . . . Z=1, 2, 3. Z = 1 , 2 , 3 , . для атома последовательных элементов в периодической системе химических элементов , т. е. для атомов H , H e , L i , . . . . H , He , L i , . . В нейтральном атоме ядро с зарядом + Z e +Z_e + Z e ​ удерживает Z Z Z электронов с общим зарядом – Z e –Z_e – Z e ​ . Атом может потерять или присоединить �� �� k электронов и стать положительным или отрицательным ионом ( �� = 1 , 2 , 3 , . . . ��=1, 2, 3, . k = 1 , 2 , 3 , . – кратность его ионизации ). К атому определённого элемента часто относят и его ионы. При написании ионы отличают от нейтрального атома индексом �� + �� k + и �� – ��– k – ; например, O O – нейтральный атом кислорода, O + , O 2 + , O 3 + , . . . , O 8 + , O – , O 2 – , O^, . O^, O^, O^> O + , O 2 + , O 3 + , . , O 8 + , O – , O 2– – его положительные и отрицательные ионы. Совокупность нейтрального атома и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд, например ряд водородоподобных атомов H , H e + , L i 2 + , B e 3 + , . . . , Be^,> . H , H e + , L i 2 + , B e 3 + , . .

Кратность заряда ядра атома элементарному заряду e e e получила объяснение на основании представлений о строении ядра: Z Z Z равно числу протонов в ядре, заряд протона равен + e +e + e . Масса атома возрастает с увеличением Z Z Z . Масса ядра атома приближённо пропорциональна массовому числу A A A – общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0,91·10 −27 г) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы протона или нейтрона (1,67·10 −24 г), поэтому масса атома в основном определяется массой его ядра.

Атомы данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z Z Z постоянно, число нейтронов A – Z A–Z A – Z может меняться); такие разновидности атомов одного и того же элемента называются изотопами . Различие массы ядра почти не сказывается на строении электронных оболочек данного атома, зависящем от Z Z Z , и свойствах атома. Наибольшие отличия в свойствах ( изотопные эффекты ) получаются для изотопов водорода ( Z = 1 Z=1 Z = 1 ) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого атома водорода ( A = 1 A=1 A = 1 ), дейтерия ( A = 2 A=2 A = 2 ) и трития ( A = 3 A=3 A = 3 ).

Масса атома изменяется от 1,67·10 −24 г (для основного изотопа атома водорода, Z = 1 , A = 1 Z=1, A=1 Z = 1 , A = 1 ) до примерно 4·10 −22 г (для атомов трансурановых элементов ). Наиболее точные значения масс атомов могут быть определены методами масс-спектроскопии . Масса атома не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше – на дефект массы Δ M = W / c 2 ΔM=W/c^2 Δ M = W / c 2 , где W W W – энергия образования атома из ядра и электронов ( энергия связи ), c c c – скорость света. Эта поправка порядка массы электрона m e m_e m e ​ для тяжёлых атомов, а для лёгких пренебрежимо мала (порядка 10 −4 m e m_e m e ​ ).

Энергия атома и её квантование

Благодаря малым размерам и большой массе атомное ядро можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс атома (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс атома мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно атом можно рассматривать как систему, в которой N N N электронов с зарядами – e –e – e движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в атоме происходит в ограниченном объёме, т. е. является связанным. Полная внутренняя энергия атома E E E равна сумме кинетических энергий T T T всех электронов и потенциальной энергии U U U – энергии притяжения их ядром и отталкивания друг от друга.

Согласно теории атома, предложенной в 1913 г. Нильсом Бором , в атоме водорода один электрон с зарядом – e –e – e движется вокруг неподвижного центра с зарядом + e +e + e . В соответствии с классической механикой кинетическая энергия такого электрона равна

T = ( 1 / 2 ) m e v 2 = p 2 / 2 m e (1) T=(1/2)m_ev^2=p^2/2m_e \tag 1 T = ( 1/2 ) m e ​ v 2 = p 2 /2 m e ​ ( 1 ) где v v v – скорость, p = m e v p=m_ev p = m e ​ v – количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии кулоновского притяжения электрона ядром) равна

U = U ( r ) = – e 2 / r 2 (2) U=U(r)=–e^2/r2 \tag 2 U = U ( r ) = – e 2 / r 2 ( 2 ) и зависит только от расстояния r r r электрона от ядра. Графически функция U ( r ) U(r) U ( r ) изображается кривой, неограниченно убывающей при уменьшении r r r , т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U ( r ) U(r) U ( r ) при r → ∞ r→∞ r → ∞ принято за нуль. При отрицательных значениях полной энергии E = T + U < 0 E = T+U < 0 E = T + U < 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r = r макс r=r_> r = r макс ​ . При положительных значениях полной энергии E = T + U > 0 E=T+U > 0 E = T + U > 0 движение электрона является свободным – он может уйти на бесконечность с энергией E = T = ( 1 / 2 ) m e v 2 E=T= (1/2)m_ev^2 E = T = ( 1/2 ) m e ​ v 2 , что соответствует ионизованному атому водорода H + H + . Таким образом, нейтральный атом водорода – система электростатически связанных ядра и электрона с энергией E < 0 E < 0 E < 0 .

Схема уровней энергии атома

Полная внутренняя энергия атома E E E – его основная характеристика как квантовой системы (см. Квантовая механика ). Атом может длительно находиться лишь в состояниях с определённой энергией – стационарных (неизменных во времени) состояниях. Внутренняя энергия квантовой системы, состоящей из связанных микрочастиц (в том числе атомов), может принимать одно из дискретного (прерывного) ряда значений E 1 , E 2 , E 3 , . . . ( E 1 < E 2 < E 3 < . . . ) (3) E_1, E_2, E_3, \ . \ (E_1 < E_2 < E_3 < . ) \tag 3 E 1 ​ , E 2 ​ , E 3 ​ , . ( E 1 ​ < E 2 ​ < E 3 ​ < . ) ( 3 ) Каждому из этих «дозволенных» значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых состояний. Промежуточными значениями энергии (например, лежащими между E 1 E_1 E 1 ​ и E 2 E_2 E 2 ​ , E 2 E_2 E 2 ​ и E 3 E_3 E 3 ​ и т. д.) система обладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована . Любое изменение E E E связано с квантовым (скачкообразным) переходом системы из одного стационарного квантового состояния в другое (см. ниже). Рис. 1. Схема уровней энергии атома. Рис. 1. Схема уровней энергии атома.

Возможные дискретные значения (3) энергии атома графически можно изобразить по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (на различные уровни), в виде схемы уровней энергии , где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте E i , i = 1 , 2 , 3 , . . . E_i, i=1, 2, 3, . E i ​ , i = 1 , 2 , 3 , . (рис. 1). Самый нижний уровень E 1 E_1 E 1 ​ , соответствующий наименьшей возможной энергии атома, называется основным, а все остальные ( E i > E 1 , i = 2 , 3 , 4 , . . . E_i > E_1, i=2, 3, 4, . E i ​ > E 1 ​ , i = 2 , 3 , 4 , . ) – возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные возбуждённые состояния из основного) необходимо возбудить систему – сообщить ей извне энергию E i – E 1 E_i – E_1 E i ​ – E 1 ​ .

Квантование энергии атома является следствием волновых свойств электронов. Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма , движению микрочастицы массы m m m со скоростью v v v соответствует длина волны λ = h / m v λ=h/mv λ = h / m v , где h h h – постоянная Планка . Для электрона в атоме λ λ λ порядка 10 −8 см, т. е. порядка линейных размеров атома, и учёт волновых свойств электрона в атоме является необходимым. Связанное движение электрона в атоме схоже со стоячей волной , и его следует рассматривать не как движение материальной точки по траектории, а как сложный волновой процесс. Для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определённые значения длины волны λ λ λ (и, следовательно, частоты колебаний ν ν ν ). Согласно квантовой механике, энергия атома E E E связана с ν ν ν соотношением E = h ν E=hν E = h ν и поэтому может принимать лишь определённые значения. Свободное, не ограниченное в пространстве поступательное движение микрочастицы, например движение электрона, оторванного от атома (с энергией E > 0 E > 0 E > 0 ), сходно с распространением бегущей волны в неограниченном объёме, для которой возможны любые значения λ λ λ (и ν ν ν ). Энергия такой свободной микрочастицы может принимать любые значения (не квантуется, имеет непрерывный энергетический спектр). Такая непрерывная последовательность соответствует ионизованному атому. Значение E ∞ = 0 E_∞= 0 E ∞ ​ = 0 соответствует границе ионизации; разность E ∞ – E 1 = E ион E_∞– E_1=E_> E ∞ ​ – E 1 ​ = E ион ​ называется энергией ионизации ; для атома водорода она равна 13,6 эВ.

Распределение электронной плотности

Точное положение электрона в атоме в данный момент времени установить нельзя вследствие соотношения неопределённостей . Состояние электрона в атоме определяется его волновой функцией , определённым образом зависящей от его координат; квадрат модуля волновой функции характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Волновая функция в явном виде является решением уравнения Шрёдингера .

Таким образом, состояние электрона в атоме можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда с некоторой плотностью – распределением электронной плотности. Электроны как бы «размазаны» в пространстве и образуют «электронное облако». Такая модель правильнее характеризует электроны в атоме, чем модель точечного электрона, движущегося по строго определённым орбитам (в теории атома Бора ). Вместе с тем каждой такой боровской орбите можно сопоставить конкретное распределение электронной плотности. Для основного уровня энергии E 1 E_1 E 1 ​ электронная плотность концентрируется вблизи ядра; для возбуждённых уровней энергии E 2 , E 3 , E 4 , . . . E_2, E_3, E_4, . E 2 ​ , E 3 ​ , E 4 ​ , . она распределяется на всё бoльших средних расстояниях от ядра. В многоэлектронном атоме электроны группируются в оболочки, окружающие ядро на различных расстояниях и характеризующиеся определёнными распределениями электронной плотности. Прочность связи электронов с ядром во внешних оболочках меньше, чем во внутренних, и слабее всего электроны связаны в самой внешней оболочке, обладающей наибольшими размерами.

Учёт спина электрона и спина ядра

В теории атома весьма существен учёт спина электрона – его собственного (спинового) момента количества движения , с наглядной точки зрения соответствующего вращению электрона вокруг собственной оси (если электрон рассматривать как частицу малых размеров). Со спином электрона связан его собственный (спиновый) магнитный момент . Поэтому в атоме необходимо учитывать, наряду с электростатическими взаимодействиями, и магнитные взаимодействия, определяемые спиновым магнитным моментом и орбитальным магнитным моментом, связанным с движением электрона вокруг ядра; магнитные взаимодействия малы по сравнению с электростатическими. Наиболее существенно влияние спина в многоэлектронных атомах: от спина электронов зависит заполнение электронных оболочек атома определённым числом электронов.

Ядро в атоме также может обладать собственным механическим моментом – ядерным спином, с которым связан ядерный магнитный момент в сотни и тысячи раз меньший электронного. Существование спинов приводит к дополнительным, очень малым взаимодействиям ядра и электронов (см. ниже).

Квантовые состояния атома водорода

Важнейшую роль в квантовой теории атома играет теория простейшего одноэлектронного атома, состоящего из ядра с зарядом + Z e +Ze + Z e и электрона с зарядом – e –e – e , т. е. теория атома водорода H H и водородоподобных ионов H e + , L i 2 + , B e 3 + , . . . , Be^,> . H e + , L i 2 + , B e 3 + , . , называемая обычно теорией атома водорода. Методами квантовой механики можно получить точную и полную характеристику состояний электрона в одноэлектронном атоме. Задача о многоэлектронных атомах решается лишь приближённо; при этом исходят из результатов решения задачи об одноэлектронном атоме.

Энергия одноэлектронного атома в нерелятивистском приближении (без учёта спина электрона) равна E n = − R Z 2 / n 2 (4) E_n=-RZ^2/n^2 \tag 4 E n ​ = − R Z 2 / n 2 ( 4 ) целое число n = 1 , 2 , 3 , . . . n= 1, 2, 3, . n = 1 , 2 , 3 , . определяет возможные дискретные значения энергии – уровни энергии – и называется главным квантовым числом , R R R – постоянная Ридберга , равная 13,6 эВ. Уровни энергии атома сходятся (сгущаются) к границе ионизации E ∞ = 0 E_∞= 0 E ∞ ​ = 0 , соответствующей n = ∞ n=∞ n = ∞ . Для водородоподобных ионов изменяется (в Z 2 Z^2 Z 2 раз) лишь масштаб значений энергий. Энергия ионизации водородоподобного атома (энергия связи электрона) равна (в электронвольтах)
E ион = E ∞ – E 1 = R Z 2 = 13 , 6 Z 2 (5) E_>=E_∞–E_1=RZ^2=13,6 \ Z^2 \tag 5 E ион ​ = E ∞ ​ – E 1 ​ = R Z 2 = 13 , 6 Z 2 ( 5 ) что даёт для H , H e + , L i 2 + , . . . >, . H , H e + , L i 2 + , . значения 13,6 эВ, 54,4 эВ, 122,4 эВ, ….

Основная формула (4) соответствует выражению U ( r ) = – Z e 2 / r U(r)=–Ze^2/r U ( r ) = – Z e 2 / r для потенциальной энергии электрона в электрическом поле ядра с зарядом + Z e +Ze + Z e . Эта формула была впервые выведена Н. Бором путём рассмотрения движения электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса r r r и является точным решением уравнения Шрёдингера для такой системы. Уровням энергии (4) соответствуют орбиты радиуса a n Z = a 0 n 2 / Z (6) a_=a_0n^2/Z \tag 6 a n Z ​ = a 0 ​ n 2 / Z ( 6 ) где постоянная a 0 = 0 , 529 ⋅ 1 0 – 8 a_0=0,529·10^ a 0 ​ = 0 , 529 ⋅ 1 0 –8 см – радиус первой круговой орбиты атома водорода, соответствующей его основному уровню (этим боровским радиусом часто пользуются в качестве удобной единицы для измерений длин в атомной физике). Радиус орбит пропорционален квадрату главного квантового числа n 2 n^2 n 2 и обратно пропорционален Z Z Z ; для водородоподобных ионов масштаб линейных размеров уменьшается в Z Z Z раз по сравнению с атомом водорода. Релятивистское описание атома водорода с учётом спина электрона даётся уравнением Дирака .

Согласно квантовой механике, состояние атома водорода полностью определяется дискретными значениями четырёх физических величин: энергии E E E ; орбитального момента M l M_l M l ​ (момента количества движения электрона относительно ядра); проекции M l z M_ M l z ​ орбитального момента на произвольно выбранное направление z z z ; проекции M s z M_ M sz ​ спинового момента (собственного момента количества движения электрона M s M_s M s ​ ). Возможные значения этих физических величин, в свою очередь, определяются квантовыми числами n , l , m l , m s n, l, m_l, m_s n , l , m l ​ , m s ​ соответственно. В приближении, когда энергия атома водорода описывается формулой (4), она определяется только главным квантовым числом n n n , принимающим целочисленные значения 1 , 2 , 3 , … 1, 2, 3, … 1 , 2 , 3 , … . Уровню энергии с заданным n n n соответствует несколько состояний, различающихся значениями орбитального (азимутального) квантового числа l = 0 , 1 , … , n − 1 l=0, 1, …, n-1 l = 0 , 1 , … , n − 1 . Состояния с заданными значениями n n n и l l l принято обозначать как 1 s , 2 s , 2 p , 3 s , . . . 1s, 2s, 2p, 3s. 1 s , 2 s , 2 p , 3 s , . , где цифры указывают значение n n n , а буквы s , р , d , f s, р, d, f s , р , d , f (дальше по латинскому алфавиту) – соответственно значения l = 0 , 1 , 2 , 3 , . . . l= 0, 1, 2, 3, . l = 0 , 1 , 2 , 3 , . . При заданных n n n и l l l число различных состояний равно 2 ( 2 l + 1 ) 2(2l+1) 2 ( 2 l + 1 ) – числу комбинаций значений магнитного орбитального квантового числа m l m_l m l ​ и магнитного спинового числа m s m_s m s ​ (первое принимает 2 l + 1 2l+1 2 l + 1 значений, второе – 2 значения). Общее число различных состояний с заданными n n n и l l l получается равным 2 n 2 2n^2 2 n 2 . Таким образом, каждому уровню энергии атома водорода соответствует 2 , 8 , 18 , . . . , 2, 8, 18, . 2 , 8 , 18 , . , 2 n 2 2n^2 2 n 2 (при n = 1 , 2 , 3 , . . . n= 1, 2, 3, . n = 1 , 2 , 3 , . ) различных стационарных квантовых состояний. Если уровню энергии соответствует лишь одно квантовое состояние, то его называют невырожденным, если два или более – вырожденным , а число таких состояний g g g называется степенью или кратностью вырождения (для невырожденных уровней энергии g = 1 g= 1 g = 1 ). Уровни энергии атома водорода являются вырожденными, а их степень вырождения g n = 2 n 2 g_n=2n^2 g n ​ = 2 n 2 .

Электронное облако одноэлектронного атома в различных состояниях

Рис. 2. Электронное облако одноэлектронного атома в различных состояниях. Рис. 2. Электронное облако одноэлектронного атома в различных состояниях. Для различных состояний атома водорода получается и разное распределение электронной плотности. Оно зависит от квантовых чисел n n n , l l l и ∣ m l ∣ |m_l| ∣ m l ​ ∣ . При этом электронная плотность для s s s -cocтояний ( l = 0 l= 0 l = 0 ) отлична от нуля в центре, т. е. в месте нахождения ядра, и не зависит от направления (сферически симметрична), а для остальных состояний ( l > 0 l > 0 l > 0 ) она равна нулю в центре и зависит от направления. Распределение электронной плотности для состояний атома водорода с n = 1 , 2 , 3 n= 1, 2, 3 n = 1 , 2 , 3 показано на рис. 2; размеры «электронного облака» растут в соответствии с формулой (6) пропорционально n 2 n^2 n 2 (масштаб на рис. 2 уменьшается при переходе от n = 1 n=1 n = 1 к n = 2 n=2 n = 2 и от n = 2 n= 2 n = 2 к n = 3 n= 3 n = 3 ).

Квантовые состояния электрона в водородоподобных ионах характеризуются теми же четырьмя квантовыми числами n n n , l l l , m l m_l m l ​ и m s m_s m s ​ , что и в атоме водорода. Сохраняется и распределение электронной плотности, только она увеличивается в Z Z Z раз.

Действие на атом внешних полей

Атом как электрическая система во внешнем электрическом и магнитном полях приобретает дополнительную энергию. Электрическое поле поляризует атом – смещает электронные облака относительно ядра (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул), а магнитное поле ориентирует определённым образом магнитный момент атома, связанный с движением электрона вокруг ядра (с орбитальным моментом M l M_l M l ​ ) и его спином. Различным состояниям атома водорода с той же энергией E n E_n E n ​ во внешнем поле соответствуют разные значения дополнительной энергии Δ E ΔE Δ E , и вырожденный уровень энергии E n E_n E n ​ расщепляется на ряд подуровней. Как расщепление уровней энергии в электрическом поле – эффект Штарка , так и их расщепление в магнитном поле – эффект Зеемана – пропорциональны напряжённостям соответствующих полей.

К расщеплению уровней энергии приводят и малые магнитные взаимодействия внутри атома. Для атома водорода и водородоподобных ионов имеет место спин-орбитальное взаимодействие – взаимодействие спинового и орбитального моментов электрона; оно обусловливает т. н. тонкую структуру уровней энергии – расщепление возбуждённых уровней E n E_n E n ​ (при n > 1 n > 1 n > 1 ) на подуровни. Для всех уровней энергии атома водорода наблюдается и сверхтонкая структура , обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами.

Электронные оболочки многоэлектронных атомов

Теория атомов, содержащих 2 или более электронов, принципиально отличается от теории атома водорода, т. к. в таком атоме имеются взаимодействующие друг с другом одинаковые частицы – электроны. Взаимное отталкивание электронов в многоэлектронном атоме существенно уменьшает прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва единственного электрона в ионе гелия ( H e + H e + ) равна 54,4 эВ, в нейтральном же атоме гелия в результате отталкивания электронов энергия отрыва одного из них уменьшается до 24,6 эВ. Для внешних электронов более тяжёлых атомов уменьшение прочности их связи из-за отталкивания внутренними электронами ещё более значительно. Важную роль в многоэлектронных атомах играют свойства электронов как одинаковых микрочастиц (см. Принцип тождественности ), обладающих спином s = 1 / 2 s= 1/2 s = 1/2 , для которых справедлив принцип Паули . Согласно этому принципу, в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом квантовом состоянии, что приводит к образованию электронных оболочек атомов, заполняющихся строго определёнными числами электронов.

Учитывая неразличимость взаимодействующих между собой электронов, имеет смысл говорить только о квантовых состояниях атома в целом. Однако приближённо можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждый из них совокупностью квантовых чисел n n n , l l l , m l m_l m l ​ и m s m_s m s ​ , аналогично электрону в атоме водорода. При этом энергия электрона оказывается зависящей не только от n n n , как в атоме водорода, но и от l l l ; от m l m_l m l ​ и m s m_s m s ​ она по-прежнему не зависит. Электроны с данными n n n и l l l в многоэлектронном атоме имеют одинаковую энергию и образуют определённую электронную оболочку. Такие эквивалентные электроны и образованные ими оболочки обозначают, как и квантовые состояния и уровни энергии с заданными n n n и l l l , символами n s , n р , n d , n f , . . . ns, nр, nd, nf, . n s , n р , n d , n f , . (для l = 0 , 1 , 2 , 3 , . . . l= 0, 1, 2, 3, . l = 0 , 1 , 2 , 3 , . ) и говорят о 2 p 2p 2 p -электронах, 3 s 3s 3 s -oболочках и т. п.

Согласно принципу Паули, любые 2 электрона в атоме должны находиться в различных квантовых состояниях и, следовательно, отличаться хотя бы одним из четырёх квантовых чисел n n n , l l l , m l m_l m l ​ и m s m_s m s ​ , а для эквивалентных электронов ( n n n и l l l одинаковы) – значениями m l m_l m l ​ и m s m_s m s ​ . Число пар m l m_l m l ​ , m s m_s m s ​ , т. е. число различных квантовых состояний электрона с заданными n n n и l l l , и есть степень вырождения его уровня энергии g l = 2 ( 2 l + 1 ) = 2 , 6 , 10 , 14 , . . . g_l= 2 (2l+1)=2, 6, 10, 14, . g l ​ = 2 ( 2 l + 1 ) = 2 , 6 , 10 , 14 , . . Оно определяет число электронов в полностью заполненных электронных оболочках. Таким образом, s − , p − , d − , f − , . . . s-, p-, d-, f-, . s − , p − , d − , f − , . оболочки заполняются 2 , 6 , 10 , 14 , . . . 2, 6, 10, 14, . 2 , 6 , 10 , 14 , . электронами, независимо от значения n n n . Электроны с данным n n n образуют слой, состоящий из оболочек с l = 0 , 1 , 2 , . . . , n − 1 l= 0, 1, 2, . n-1 l = 0 , 1 , 2 , . , n − 1 и заполняемый 2 n 2 2n^2 2 n 2 электронами, т. н. K K K -, L L L -, M M M -, N N N -слой. При полном заполнении имеем:

n . . . . . . 1 2 3 4 Слой . . . . K -слой L -слой M -слой N -слой l . . . . . . 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 Оболочка . . 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 3 d 4 s 4 p 4 d 4 f Число электронов в слое 2 2 + 6 ⏟ 8 2 + 6 + 10 ⏟ 18 2 + 6 + 10 + 14 ⏟ 32 \begin n \ . \ .\ . \ . \ . \ . & 1 & 2 & 3 & 4 \\ \text \ . \ .\ . \ . & K\text & L\text & M\text & N\text \\ l \ . \ . \ . \ .\ . \ . & 0 & 0 \quad 1 & 0 \quad 1 \quad 2 & 0 \quad 1 \quad 2 \quad 3 \\ \text. \ . & 1s & 2s \quad 2p & 3s \quad 3 p \quad 3d & 4s \quad 4p \quad 4d \quad 4f \\ \text & 2 & \underbrace_8 & \underbrace _ & \underbrace_\end n . . . . . . Слой . . . . l . . . . . . Оболочка . . Число электронов в слое ​ 1 K — слой 0 1 s 2 ​ 2 L — слой 0 1 2 s 2 p 8

2 + 6 ​ ​ ​ 3 M — слой 0 1 2 3 s 3 p 3 d 18

2 + 6 + 10 ​ ​ ​ 4 N — слой 0 1 2 3 4 s 4 p 4 d 4 f 32

В каждом слое оболочки с меньшими l l l характеризуются бoльшей электронной плотностью. Прочность связи электрона с ядром уменьшается с увеличением n n n , а при заданном n n n – с увеличением l l l . Чем слабее связан электрон в соответствующей оболочке, тем выше лежит его уровень энергии. Ядро с заданным Z Z Z присоединяет электроны в порядке уменьшения прочности их связи: сначала два электрона 1 s 1s 1 s , затем два электрона 2 s 2s 2 s , шесть электронов 2 p 2p 2 p и т. д. Атому каждого химического элемента присуще определённое распределение электронов по оболочкам – его электронная конфигурация, например:

Периодичность в свойствах элементов определяется сходством внешних электронных оболочек атома. Например, нейтральные атомы P , A s , S b , B i P , A s , S b , B i ( Z = 15 , 33 , 51 , 83 ) (Z= 15, 33, 51, 83) ( Z = 15 , 33 , 51 , 83 ) имеют по три p p p -электрона во внешней электронной оболочке, подобно атому N N , и схожи с ним по химическим и многим физическим свойствам.

Каждый атом характеризуется нормальной электронной конфигурацией, получающейся, когда все электроны в атоме связываются наиболее прочно, и возбуждёнными электронными конфигурациями, когда один или несколько электронов связаны более слабо – находятся на более высоких уровнях энергии. Например, для атома гелия наряду с нормальной 1 s 2 1s^2 1 s 2 возможны возбуждённые электронные конфигурации: 1 s 2 s , 1 s 2 p , . . . 1s2s, 1s2p, . 1 s 2 s , 1 s 2 p , . (возбуждён один электрон), 2 s 2 , 2 s 2 p , . . . 2s^2, 2s2p, . 2 s 2 , 2 s 2 p , . (возбуждены оба электрона). Определённой электронной конфигурации соответствует один уровень энергии атома в целом, если электронные оболочки целиком заполнены (например, нормальная конфигурация атома N e N e 1 s 2 2 s 2 2 p 6 1s^22s^22p^6 1 s 2 2 s 2 2 p 6 ), и ряд уровней энергии, если имеются частично заполненные оболочки (например, нормальная конфигурация атома азота 1 s 2 2 s 2 2 p 3 1s^22s^22p^3 1 s 2 2 s 2 2 p 3 , для которой оболочка 2 p 2p 2 p заполнена наполовину). При наличии частично заполненных d d d — и f f f -oболочек число уровней энергии, соответствующих каждой конфигурации, может достигать многих сотен, так что схема уровней энергии атома с частично заполненными оболочками получается очень сложной. Основным уровнем энергии атома является самый нижний уровень нормальной электронной конфигурации.

Квантовые переходы в атоме

При квантовых переходах атом переходит из одного стационарного состояния в другое – с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии E i E_i E i ​ на более низкий E k E_k E k ​ атом отдаёт энергию E i → E k E_i \rightarrow E_k E i ​ → E k ​ , при обратном переходе получает её. Как для любой квантовой системы, для атома квантовые переходы могут быть двух типов: с излучением (оптические переходы) и без излучения (безызлучательные, или неоптические, переходы). Важнейшая характеристика квантового перехода – его вероятность, определяющая, как часто этот переход может происходить.

При квантовых переходах с излучением атом поглощает (переход E k → E i E_k→E_i E k ​ → E i ​ ) или испускает (переход E i → E k E_i→E_k E i ​ → E k ​ ) электромагнитное излучение. Электромагнитная энергия поглощается и испускается атомом в виде кванта света – фотона , – характеризуемого определённой частотой колебаний ν ν ν , согласно соотношению: E i – E k = ℏ ν (7) E_i – E_k=\hbar ν \tag 7 E i ​ – E k ​ = ℏ ν ( 7 ) где ℏ ν \hbarν ℏ ν – энергия фотона. Соотношение (7) представляет собой закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.

Атом в основном состоянии может только поглощать фотоны, а в возбуждённых состояниях может как поглощать, так и испускать их. Свободный атом в основном состоянии может существовать неограниченно долго. Продолжительность пребывания атома в возбуждённом состоянии ( время жизни этого состояния) ограничена, атом спонтанно (самопроизвольно), частично или полностью теряет энергию возбуждения, испуская фотон и переходя на более низкий уровень энергии; наряду с таким спонтанным испусканием возможно и вынужденное испускание, происходящее, подобно поглощению, под действием фотонов той же частоты. Время жизни возбуждённого атома тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода, для атома водорода оно порядка 10 −8 с.

Совокупность частот n n n возможных переходов с излучением определяет атомный спектр соответствующего атома: совокупность частот переходов с нижних уровней на верхние – его спектр поглощения, совокупность частот переходов с верхних уровней на нижние – спектр испускания. Каждому такому переходу в атомном спектре соответствует определённая спектральная линия частоты ν ν ν .

При безызлучательных квантовых переходах атом получает или отдаёт энергию при взаимодействии с другими частицами, с которыми он сталкивается в газе или длительно связан в молекуле, жидкости или твёрдом теле. В газе атом можно считать свободным в промежутках времени между столкновениями; во время столкновения (удара) атом может перейти на более низкий или высокий уровень энергии. Такое столкновение называется неупругим (в противоположность упругому столкновению, при котором изменяется только кинетическая энергия поступательного движения атома, а его внутренняя энергия остаётся неизменной). Важный частный случай – столкновение свободного атома с электроном; обычно электрон движется быстрее атома, время столкновения очень мало и можно говорить об электронном ударе. Возбуждение атома электронным ударом является одним из методов определения его уровней энергии.

Химические и физические свойства атома

Большинство свойств атома определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны с ядром сравнительно слабо (энергии связи от нескольких электронвольт до нескольких десятков электронвольт). Строение внутренних оболочек атома, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч электронвольт), проявляется лишь при взаимодействиях атомов с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен электронвольт). Такие взаимодействия определяют рентгеновские спектры атома и рассеяние быстрых частиц (см. Дифракция частиц ). От массы атома зависят его механические свойства при движении атома как целого – количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрических моментов атома зависят различные резонансные и другие физические свойства атома (см. Электронный парамагнитный резонанс , Ядерный магнитный резонанс , Ядерный квадрупольный резонанс ).

Электроны внешних оболочек атома легко подвергаются внешним воздействиям. При сближении атомов возникают сильные электростатические взаимодействия, которые могут приводить к образованию химической связи . Более слабые электростатические взаимодействия двух атомов проявляются в их взаимной поляризации – смещении электронов относительно ядер, наиболее сильном для слабо связанных внешних электронов. Возникают поляризационные силы притяжения между атомами, которые надо учитывать уже на больших расстояниях между ними. Поляризация атома происходит и во внешних электрических полях; в результате уровни энергии атома смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни энергии расщепляются (эффект Штарка). Поляризация атома может возникнуть под действием электрического поля световой (электромагнитной) волны; она зависит от частоты света, что обусловливает зависимость от неё и показателя преломления (см. Дисперсия света ), связанного с поляризуемостью атома. Тесная связь оптических характеристик атома с его электрическими свойствами особенно ярко проявляется в его оптических спектрах.

Магнитные свойства атома определяются в основном строением их электронных оболочек. Магнитный момент атома зависит от его механического момента (см. Магнитомеханическое отношение ), в атоме с полностью заполненными электронными оболочками он равен нулю, так же как и механический момент. Атомы с частично заполненными внешними электронными оболочками обладают, как правило, отличными от нуля магнитными моментами и являются парамагнитными. Во внешнем магнитном поле все уровни атома, у которых магнитный момент не равен нулю, расщепляются – имеет место эффект Зеемана. Все атомы обладают диамагнетизмом , который обусловлен возникновением у них магнитного момента под действием внешнего магнитного поля (т. н. индуцированного магнитного момента, аналогичного электрическому дипольному моменту атома).

При последовательной ионизации атома, т. е. при отрыве его электронов, начиная с самых внешних в порядке увеличения прочности их связи, соответственно изменяются все свойства атома, определяемые его внешней оболочкой. Внешними становятся всё более прочно связанные электроны; в результате сильно уменьшается способность атома поляризоваться в электрическом поле, увеличиваются расстояния между уровнями энергии и частоты оптических переходов между этими уровнями (что приводит к смещению спектров в сторону всё более коротких длин волн). Ряд свойств обнаруживает периодичность: сходными оказываются свойства ионов с аналогичными внешними электронами; например, N 3 + > N 3 + (два электрона 2 s 2s 2 s ) обнаруживают сходство с N 5 + > N 5 + (два электрона 1 s 1s 1 s ). Это относится к характеристикам и относительному расположению уровней энергии и к оптическим спектрам, к магнитным моментам атомов и т. д. Наиболее резкое изменение свойств происходит при удалении последнего электрона из внешней оболочки, когда остаются лишь полностью заполненные оболочки, например при переходе от N 4 + > N 4 + к N 5 + > N 5 + (электронные конфигурации 1 s 2 2 s 1s^22s 1 s 2 2 s и 1 s 2 1s^2 1 s 2 ). В этом случае ион наиболее устойчив и его полный механический и полный магнитный моменты равны нулю.

Свойства атома, находящегося в связанном состоянии (например, входящего в состав молекулы), отличаются от свойств свободного атома. Наибольшие изменения претерпевают свойства атома, определяемые самыми внешними электронами, принимающими участие в присоединении данного атома к другому. Вместе с тем свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут практически не измениться, как это имеет место для рентгеновских спектров. Некоторые свойства атомов могут испытывать сравнительно небольшие изменения, по которым можно получить информацию о характере взаимодействий связанных атомов. Важным примером может служить расщепление уровней энергии атомов в кристаллах и комплексных соединениях , которое происходит под действием электрических полей, создаваемых окружающими ионами.

Экспериментальные методы исследования структуры атома, его уровней энергии, его взаимодействий с другими атомами, элементарными частицами , молекулами , внешними полями и т. д. разнообразны, однако основная информация содержится в его спектрах. Методы атомной спектроскопии во всех диапазонах длин волн, и в особенности методы современной лазерной спектроскопии , позволяют изучать всё более тонкие эффекты, связанные с атомами. С начала 19 в. существование атома для учёных было очевидным, однако эксперимент по доказательству реальности его существования был поставлен Ж. Перреном в начале 20 в. С развитием микроскопии появилась возможность получать изображения атома на поверхности твёрдых тел. Впервые атом увидел Э. Мюллер (США, 1955) с помощью изобретённого им автоионного микроскопа . Современные атомно-силовые и туннельные микроскопы позволяют получать изображения поверхностей твёрдых тел с хорошим разрешением на атомном уровне (см. рис. 3).

Атомная структура образца хлорида натрия

Рис. 3. Атомная структура образца хлорида натрия (NaCl), искусственно выращенного на металлической подложке (слева) и его изображение, полученное с помощью бесконтактной атомно-силовой микроскопии. Рис. 3. Атомная структура образца хлорида натрия (NaCl), искусственно выращенного на металлической подложке (слева) и его изображение, полученное с помощью бесконтактной атомно-силовой микроскопии. Существуют и широко используются в различных исследованиях т. н. экзотические атомы , например мюонные атомы , т. е. атомы, в которых все или часть электронов заменены отрицательными мюонами , мюоний , позитроний , а также адронные атомы , состоящие из заряженных пионов , каонов , протонов, дейтронов и др. Осуществлены также первые наблюдения атома антиводорода (2002) – атома, состоящего из позитрона и антипротона. Ельяшевич Михаил Александрович

Опубликовано 19 июня 2023 г. в 18:18 (GMT+3). Последнее обновление 19 июня 2023 г. в 18:18 (GMT+3). Связаться с редакцией

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *