Вижте какво е „атом“ в други речници. От какви елементарни частици се състои атомът?

Химия - науказа веществата и техните превръщания едно в друго.

Веществата са химически чисти вещества

Химически чистото вещество е съвкупност от молекули, които имат еднакъв качествен и количествен състав и еднаква структура.

CH 3 -O-CH 3 -

СН3-СН2-ОН

Молекула - най-малките частици от веществото, които притежават всички негови химични свойства; една молекула е изградена от атоми.

Атомът е химически неделима частица, от която се образуват молекули. (за благородните газове молекулата и атомът са едни и същи, He, Ar)

Атомът е електрически неутрална частица, състояща се от положително заредено ядро, около което отрицателно заредените електрони са разпределени според техните строго определени закони. Освен това общият заряд на електроните е равен на заряда на ядрото.

Ядрото на атома се състои от положително заредени протони (p) и неутрони (n), които не носят никакъв заряд. Общото име за неутрони и протони е нуклони. Масата на протоните и неутроните е почти еднаква.

Електроните (e -) носят отрицателен заряд, равен на заряда на протона. Масата на e е приблизително 0,05% от масата на протона и неутрона. Така цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро.

Числото p в атома, равно на заряда на ядрото, се нарича пореден номер (Z), тъй като атомът е електрически неутрален; числото e е равно на числото p.

Масовото число (А) на атома е сумата от протони и неутрони в ядрото. Съответно, броят на неутроните в един атом е равен на разликата между A и Z (масово число на атома и атомно число) (N=A-Z).

17 35 Cl р=17, N=18, Z=17. 17р + , 18n 0 , 17е - .

Нуклони

Химичните свойства на атомите се определят от тяхната електронна структура (брой електрони), която е равна на атомния номер (ядрен заряд). Следователно всички атоми с еднакъв ядрен заряд се държат химически еднакво и се изчисляват като атоми на едно и също химичен елемент.

Химическият елемент е съвкупност от атоми с еднакъв ядрен заряд. (110 химични елемента).

Атомите с еднакъв ядрен заряд могат да се различават по масово число, което се свързва с различен брой неутрони в техните ядра.

Атомите, които имат еднакъв Z, но различни масови числа, се наричат ​​изотопи.

17 35 Cl 17 37 Cl

Изотопи на водород Н:

Обозначение: 1 1 N 1 2 D 1 3 T

Име: протий деутерий тритий

Състав на ядрото: 1р 1р+1n 1р+2n

Протият и деутерият са стабилни

Тритият се разпада (радиоактивен) Използва се във водородни бомби.

Атомна единица за маса. Числото на Авогадро. Mol.

Масите на атомите и молекулите са много малки (приблизително 10 -28 до 10 -24 g); за да се покажат на практика тези маси, препоръчително е да въведете своя собствена мерна единица, което би довело до удобна и позната скала.

Тъй като масата на атома е съсредоточена в неговото ядро, състоящо се от протони и неутрони с почти еднаква маса, логично е масата на един нуклон да се приеме за единица атомна маса.

Съгласихме се да приемем една дванадесета от въглеродния изотоп, който има симетрична структура на ядрото (6p+6n), като единица за маса на атоми и молекули. Тази единица се нарича единица за атомна маса (amu), числено е равна на масата на един нуклон. В тази скала масите на атомите са близки до целочислени стойности: He-4; Al-27; Ra-226 a.u.m……

Нека изчислим масата на 1 amu в грамове.

1/12 (12 С) = =1,66*10 -24 g/a.u.m

Нека изчислим колко аму се съдържат в 1g.

н А = 6,02 *-число на Авогадро

Полученото съотношение се нарича число на Авогадро и показва колко аму се съдържат в 1 g.

Атомните маси, дадени в периодичната таблица, са изразени в amu

Молекулната маса е масата на една молекула, изразена в amu и се намира като сбор от масите на всички атоми, които образуват дадена молекула.

m(1 молекула H 2 SO 4)= 1*2+32*1+16*4= 98 a.u.

За да се премине от a.u.m към 1 g, практически използван в химията, беше въведено порционно изчисляване на количеството на веществото, като всяка порция съдържа числото N A структурни звена(атоми, молекули, йони, електрони). В този случай масата на такава част, наречена 1 мол, изразена в грамове, е числено равна на атомната или молекулната маса, изразена в amu.

Нека намерим масата на 1 mol H 2 SO 4:

M(1 mol H2SO4)=

98a.u.m*1,66**6,02*=

Както можете да видите, молекулната и моларната маса са числено равни.

1 мол– количеството вещество, съдържащо числото на Авогадро структурни единици (атоми, молекули, йони).

Молекулно тегло (M)- маса на 1 мол вещество, изразена в грамове.

Количество вещество - V (mol); маса на веществото m(g); моларна маса M(g/mol) - свързана със зависимостта: V=;

2H 2 O+ O 2 2H 2 O

2 мола 1 мол

2.Основни закони на химията

Законът за постоянството на състава на веществото - химически чистото вещество, независимо от начина на получаване, винаги има постоянен качествен и количествен състав.

CH3+2O2=CO2+2H2O

NaOH+HCl=NaCl+H2O

Веществата с постоянен състав се наричат ​​далтонити. По изключение са известни вещества с непроменен състав - бертолити (оксиди, карбиди, нитриди)

Закон за запазване на масата (Ломоносов) - масата на веществата, които влизат в реакция, винаги е равна на масата на продуктите на реакцията. От това следва, че атомите не изчезват по време на реакцията и не се образуват, те преминават от едно вещество в друго. Това е основата за избора на коефициенти в уравнението на химическа реакция; броят на атомите на всеки елемент в лявата и дясната страна на уравнението трябва да бъде равен.

Закон за еквивалентите - при химичните реакции веществата реагират и се образуват в количества, равни на еквивалента (Колкото еквивалента от едно вещество се изразходват, точно толкова еквивалента се изразходват или образуват от друго вещество).

Еквивалентът е количеството вещество, което по време на реакция добавя, замества или освобождава един мол атоми (йони) H. Еквивалентната маса, изразена в грамове, се нарича еквивалентна маса (E).

Газови закони

Закон на Далтон - общото налягане на газовата смес е равно на сумата от парциалните налягания на всички компоненти на газовата смес.

Закон на Авогадро: Еднакви обеми различни газове при еднакви условия съдържат еднакъв брой молекули.

Следствие: един мол от всеки газ при нормални условия (t=0 градуса или 273K и P=1 атмосфера или 101255 Pascal или 760 mm Hg. Col.) заема V=22,4 литра.

V, който заема един мол газ, се нарича моларен обем Vm.

Познавайки обема газ (газова смес) и Vm при дадени условия, лесно е да се изчисли количеството газ (газова смес) = V/Vm.

Уравнението на Менделеев-Клапейрон свързва количеството газ с условията, при които се намира. pV=(m/M)*RT= *RT

Когато се използва това уравнение, всички физически величини трябва да бъдат изразени в SI: p-налягане на газ (паскал), V-обем на газ (литри), m-маса на газ (kg), M-моларна маса (kg/mol), T- температура по абсолютна скала (K), Nu-количество газ (mol), R-газова константа = 8,31 J/(mol*K).

D - относителната плътност на един газ в сравнение с друг - съотношението на М газ към М газ, избрано като стандарт, показва колко пъти един газ е по-тежък от друг D = M1 / ​​​​M2.

Методи за изразяване на състава на смес от вещества.

Масова фракция W - съотношението на масата на веществото към масата на цялата смес W=((m смес)/(m разтвор))*100%

Молна фракция æ е отношението на броя на веществата към общия брой на всички вещества. в сместа.

Повечето химични елементи в природата присъстват като смес от различни изотопи; Познавайки изотопния състав на химичния елемент, изразен в молни фракции, се изчислява среднопретеглената стойност на атомната маса на този елемент, която се превръща в ISHE. А= Σ (æi*Аi)= æ1*А1+ æ2*А2+…+ æn*Аn, където æi е молната част на i-тия изотоп, Аi е атомната маса на i-тия изотоп.

Обемна фракция (φ) е отношението на Vi към обема на цялата смес. φi=Vi/VΣ

Като се знае обемният състав на газовата смес, се изчислява Mav на газовата смес. Мср= Σ (φi*Mi)= φ1*М1+ φ2*М2+…+ φn*Мn

АТОМ

(от гръцки атомос - неделим), най-малката частица от хим. елемент, носител на неговата св. Всяка хим. елемент съответства на набор от определени А. Свързвайки се помежду си, А. от един или различни елементи образуват по-сложни частици, напр. молекули. Цялото разнообразие от химикали. в-в (твърдо, течно и газообразно) поради разлагане. комбинации от А. помежду си. А. може да съществува в свободни условия. състояние (в газ, плазма). Светци на А., включително способността на А., която е най-важна за химията, да образува химикали. съедин., се определят от характеристиките на неговата структура.

Обща характеристика на структурата на атома. А. се състои от положително заредено ядро, заобиколено от облак от отрицателно заредени електрони. Размерите на атома обикновено се определят от размерите на неговия електронен облак и са големи в сравнение с размерите на ядрото на атома (линейните размери на атома са ~ 10~8 cm, ядрото му ~ 10" -10" 13 см). Електронният облак на А. няма строго определени граници, така че размерът на А. означава. степени са условни и зависят от методите за тяхното определяне (вж. Атомни радиуси).Ядрото на атома се състои от Z протони и N неутрони, държани заедно от ядрени сили (виж. Ядрото е атомно).Положителен протонен заряд и отрицателен. зарядът на електрона е еднакъв в абсолютно изражение. магнитуд и са равни на e = 1,60*10 -19 C; няма електричество. зареждане. Ядрен заряд +Ze - основен. характеристика на А., определяща принадлежността му към определен хим. елемент. Поредният номер на елемента в периодичния период. периодична система (атомен номер) е равен на броя на протоните в ядрото.

В електрически неутрална атмосфера броят на електроните в облака е равен на броя на протоните в ядрото. Въпреки това, при определени условия, той може да загуби или да спечели електрони, съответно да се обърне. в положителен или отричам. йон, напр. Li +, Li 2+ или O -, O 2-. Когато говорим за А. на определен елемент, имаме предвид както неутралния А., така и този елемент.

Масата на атома се определя от масата на неговото ядро; масата на електрона (9,109 * 10 -28 g) е приблизително 1840 пъти по-малка от масата на протона или неутрона (1,67 * 10 -24 g), следователно приносът на електроните към масата на електроните е незначителен. Общ брой протони и неутрони A = Z + NНаречен масово число. Посочени са съответно масовото число и зарядът на ядрото. горен и долен индекс отляво на символа на елемента, напр. 23 11 Na. Тип атоми на един елемент с определена стойност Nname. нуклид. А. един и същ елемент с еднакви Z и различни N. изотопи на този елемент. Разликата в масите на изотопите има малък ефект върху тяхната химия. и физически Свети Въх. Най-важното е, че разликите ( изотопни ефекти) се наблюдават във водородните изотопи поради голямото относително съотношение. разлики в масите на обикновен атом (протий), деутерий D и тритий Т. Точните масови стойности на A. се определят чрез масспектрометрични методи.

Квантови състояния на атома. Поради малкия си размер и голяма маса, ядрото на атома може да се разглежда приблизително като точково и в покой в ​​центъра на масата на атома, а атомът може да се разглежда като система от електрони, движещи се около неподвижен център - ядрото . Общата енергия на такава система е равна на сумата от кинетичната. енергии T на всички електрони и потенциална енергия U, която се състои от енергията на привличане на електрони от ядрото и енергията на взаимно отблъскване на електрони един от друг. А. се подчинява на законите на квантовата механика; основната му характеристика като квантова система – пълна енергия Е -може да приеме само една от стойностите на дискретна серия Е 1< Е 2 < Е 3 <> ...; прекъсващ А. не може да има енергийни стойности. Всяка от „разрешените“ стойности на E съответства на една или повече. стационарни (с енергия, която не се променя във времето) състояния на А. Енергията Е може да се изменя само рязко – чрез квантов преход на А. от едно стационарно състояние в друго. Използвайки методите на квантовата механика, е възможно точно да се изчисли E за едноелектронни атоми - водородни и водородоподобни: E = ХhcRZ 2 /n 2 ,>Където ч-Константа на Планк с-скорост на светлината, цяло число n = 1, 2, 3, ... определя дискретни стойности на енергията и т.нар. главно квантово число; Ридбергова константа ( hcR = 13,6 eV). Когато се използва f-la за изразяване на дискретни енергийни нива на едноелектронен А. се записва във формата:

Където t e ->електронна маса, -електричен. постоянен , Възможните „разрешени“ стойности на електронната енергия в електроните са изобразени под формата на диаграма на енергийните нива - хоризонтални прави линии, разстоянията между които съответстват на разликите в тези енергийни стойности (фиг. 1). макс. ниско ниво E 1, съответстваща на минималната възможна енергия, се нарича. основни, всички останали - развълнувани. Подобно на името състояния (основни и възбудени) съответстват на посочените енергийни нива.С нарастването нивата се доближават и когато енергията на електрона се доближи до стойността, съответстваща на свободен (почиващ) електрон, отстранен от A. Квантовото състояние на A с енергия E се описва напълно от вълновата функция, където r е радиус векторът на електрона спрямо ядрото.Произведението е равно на вероятността за намиране на електрона в обема dV,тоест плътността на вероятността ( електронна плътност).Вълновата функция се определя от уравнението на Шрьодингер =, където R е операторът на пълна енергия (хамилтониан).

Заедно с енергията, движението на електрона около ядрото (орбитално движение) се характеризира с орбитален ъглов момент (орбитален механичен ъглов момент) M 1 ; квадратът на неговата величина може да приема стойности, определени от орбиталното квантово число l = 0, 1, 2, ...; , Където . За дадено и квантово число l може да приема стойности от 0 до (и H 1). Проекцията на орбиталния импулс върху определена ос z също приема дискретна поредица от стойности M lz =, където m l е магнитно квантово число с дискретни стойности от H l до +l(-l,... - 1, O, 1, .. . + l), общо 2л+ 1 стойности. Z ос за А. при липса на външни сила се избира произволно, а в маг. полето съвпада с посоката на вектора на напрегнатост на полето. Електронът също има свой собствен ъглов момент -завъртанеи свързания спинов магнит. момент. Квадратна въртяща се козина. момент М S 2 =S(S>+ + 1) се определя от спиновото квантово число S= 1/2 и проекцията на този момент върху оста z sz = =- квантово число s ,>вземане на полуцели стойности s = 1/2 >И с=

Ориз. 1. Диаграма на енергийните нива на водороден атом (хоризонтални линии) и оптични. преходи (вертикални линии). По-долу е част от атомния спектър на водородната емисия - две серии от спектрални линии; Пунктираната линия показва съответствието на линиите и преходите на електрона.

Стационарното състояние на едноелектронен електрон се характеризира еднозначно с четири квантови числа: n, l, m l и m s. Енергията на А. водород зависи само от П,и ниво с дадено p съответства на редица състояния, различаващи се в стойностите l, m l, с. >Състоянията с дадено pi l обикновено се означават като 1s, 2s, 2p, 3sи т.н., където числата показват стойностите на l, а буквите s, p, d, f ипо-нататък в латинската азбука те съответстват на стойностите d = 0, 1, 2, 3, ... Брой водолази. състояния с даден pi d е равен на 2(2l+ 1) броя на комбинациите от стойности m l и m s. Общ брой водолази. държави със зададено право , т.е. нивата със стойности n = 1, 2, 3, ... съответстват на 2, 8, 18, ..., 2n 2 decomp. квантови състояния. Извиква се ниво, на което отговаря само едно (една вълнова функция). неизродени. Ако едно ниво съответства на две или повече квантови състояния, то се нарича. дегенерира (вж Дегенерация на енергийните нива).Във водородните атоми енергийните нива са изродени в стойностите на l и m l; израждането в m s възниква само приблизително, ако взаимодействието не се вземе предвид. въртящ се магнит момент на електрон с магнит. поле, причинено от орбиталното движение на електрона в електрическото. ядрено поле (вж Спин-орбитално взаимодействие).Това е релативистичен ефект, малък в сравнение с взаимодействието на Кулон, но е фундаментално значим, тъй като води до взаимно допълване. разцепване на енергийните нива, което се проявява в атомните спектри под формата на т.нар. фина структура.

За дадени n, l и m l, квадратът на модула на вълновата функция определя средното разпределение на електронната плътност за електронния облак в A. разл. Квантовите състояния на А. водород се различават значително едно от друго в разпределението на електронната плътност (фиг. 2). Така при l = 0 (s-състояние) електронната плътност е различна от нула в центъра на А и не зависи от посоката (т.е. тя е сферично симетрична); за други състояния тя е равна на нула при центъра на А и зависи от посоката.

Ориз. 2. Форма на електронни облаци за различни условияводороден атом.

При многоелектронните А. поради взаимно електростат. Отблъскването на електроните значително намалява връзката им с ядрото. Например, енергията на отвличане на електрони от He + йон е 54,4 eV, в неутрален He атом е много по-малко - 24,6 eV. За по-тежки А. външна връзка. електроните с ядрото са още по-слаби. Важна роляв многоелектронната А. играе специфична роля. обменно взаимодействие,свързани с неразличимостта на електроните и факта, че електроните се подчиняват принцип на Паули,според Кром във всяко квантово състояние, характеризиращо се с четири квантови числа, не може да има повече от един електрон. За многоелектронен А. има смисъл да се говори само за квантовите състояния на целия А. като цяло. Въпреки това, приблизително, в т.нар. едноелектронно приближение, може да се разгледат квантовите състояния на отделните електрони и да се характеризира всяко едноелектронно състояние (определено орбитален,описано от съответната функция) от набор от четири квантови числа n, l, m l и s .>Набор от 2(2l+ 1) електрона в състояние с даден pi l образува електронна обвивка (наричана още подниво, подобвивка); ако всички тези състояния са заети от електрони, обвивката се нарича. запълнен (затворен). Тоталност състояния с едно и също n, но различно l образува електронен слой (наричан още ниво, обвивка). За n= 1, 2, 3, 4, ... слоевете са обозначени със символи ДА СЕ,Л, М, Н,... Броят на електроните в черупките и слоевете, когато са напълно запълнени, е даден в таблицата:

Силата на връзката на електрон в електрон, т.е. енергията, която трябва да бъде придадена на електрон, за да се отстрани от електрон, намалява с увеличаване на n и за даден p - sувеличаване на l. Редът, в който електроните запълват черупки и слоеве в сложен алуминий, определя неговата електронна конфигурация, тоест разпределението на електроните между черупките в основно (невъзбудено) състояние на този алуминий и неговите йони. С това запълване електроните с нарастващи стойности на u и / се свързват последователно. Например за A. азот (Z = 7) и неговите йони N + , N 2+ , N 3+ , N 4+ , ​​​​N 5+ и N 6+ електронните конфигурации са съответно: Is 2 2s 2 2p 3 ; Е 2 2s 2 2p 2 ; Е 2 2s 2 2p; Е 2 2s 2 ; Е 2 2s; е 2; Е (броят на електроните във всяка обвивка се обозначава с индекса горе вдясно). Неутралните А елементи със същия брой електрони имат същите електронни конфигурации като тези на азотните йони: C, B, Be, Li, He, H (Z = 6, 5, 4, 3, 2, 1). Започвайки от n = 4, редът на запълване на черупките се променя: електрони с по-голям П,но по-малкото l се оказва по-здраво свързано от електроните с по-малко и по-голямо l (правилото на Клечковски), например. 4s електроните са свързани по-здраво от 3d електроните и 4s обвивката се запълва първо, а след това 3г.При пълнене на черупките 3d, 4d, 5dполучават се групи от съответни преходни елементи; при пълнене 4f-и 5f-черупки - съответно. лантаниди и . Редът на запълване обикновено съответства на нарастваща сума от квантови числа (n+ l ); ако тези суми са равни за две или повече черупки, черупките с по-малката и се пълнят първи. Случва се следното. последователност от запълване на електронни обвивки:

За всеки период, електронната конфигурация на благородния газ, макс. брой електрони, а последният ред показва стойностите n + l. Съществуват обаче отклонения от този ред на пълнене (за повече информация относно черупките за пълнене вижте Периодичната система на химичните елементи).

Възможни са между стационарни състояния в А квантови преходи.При движение от повече високо нивоенергия E i до по-нисък E k A. отдава енергия (E i × E k) и по време на обратния преход я получава. По време на радиационни преходи атомът излъчва или абсорбира електромагнитен квант. радиация (фотон). Възможно е и когато А. дава или получава енергия по време на взаимодействие. с други частици, с които се сблъсква (например в газове) или е свързан за дълго време (в молекули, течности и твърди вещества). В атомните газове, в резултат на сблъсък на свободни. А. с друга частица може да се премести на друго енергийно ниво - да преживее нееластичен сблъсък; по време на еластичен сблъсък се променя само кинетичната стойност. енергиен постулат. Движенията на А., както и цялостното му вътрешно. Енергията на E остава непроменена. Нееластичен без сблъсък. А. с бързо движещ се електрон, придавайки на този А. неговата кинетика. енергия, - възбуждане на А. чрез електронен удар - един от методите за определяне на енергийните нива на А.

Атомен строеж и свойства на веществата. Chem. Светците се определят от структурата на екстериора. електронни обвивки на електрони, в които електроните са свързани относително слабо (енергии на свързване от няколко eV до няколко десетки eV). Външна структура черупки А. химически елементи от една група (или подгрупа) периодични. системите са подобни, което определя сходството на химикалите. свещено от тези елементи. Тъй като броят на електроните в запълващата обвивка се увеличава, тяхната енергия на свързване, като правило, се увеличава; макс. електроните в затворена обвивка имат енергия на свързване. Следователно А. с един или няколко. електрони в частично запълнено вътр. обвивката се дава на химикала. р-ции. А., Крим липсва един или повече. електрони за образуване на затворен външен. черупките обикновено ги приемат. А. благородни газове със затворен външен. черупки, с нормални условияне влизайте в хим области.

Вътрешна структура А. обвивки, чиито електрони са свързани много по-здраво (енергия на свързване 10 2 -10 4 eV), се проявява само по време на взаимодействие. А. с бързи частици и високоенергийни фотони. Такива взаимодействия определя естеството на рентгеновите спектри и разсейването на частици (електрони, неутрони) върху спектъра (виж. Дифракционни методи).Масата на А. определя неговите физични свойства. свят, като импулс, кинетичен. енергия. От механични и свързани маг. и електрически моменти на ядрото на А. определени фини физични фактори зависят. ефекти (ЯМР, ЯКР, свръхфина структура на спектрални линии, cm Спектроскопия).

По-слаб в сравнение с химическия електростатична връзка взаимодействие две А. се проявяват във взаимната им поляризуемост – разместване на електроните спрямо ядрата и възникване на поляризации. сили на привличане между А. (вж Междумолекулни взаимодействия).А. е поляризиран отвън. електрически полета; В резултат на това енергийните нива се изместват и, най-важното, изродените нива се разделят (вж. Ярък ефект).А. могат да се поляризират и под въздействието на електричеството. електромагнитни вълнови полета радиация; зависи от честотата на излъчване, което определя зависимостта на индекса на пречупване на веществото, свързано с поляризуемост А, от него. Затворете връзкатаоптичен св. А. със своя ел. Св. ти се проявява особено ясно в опт. спектри.

Вътр. електрони А. определят магн. св-ва. В А. с попълнено вътр. черупки от нейните магнитни момент, подобно на общия ъглов момент (механичен въртящ момент), е равен на нула. А. с частично запълнени външни черупките имат, като правило, постоянни магнитни полета. моменти, различни от нула; Такива вещества са парамагнитни (вж. Парамагнитни).Във вътр. маг. поле всички енергийни нива А., за които магн. моментът не е равен на нула, те се разделят (вж. ефект на Зееман).Всички А. имат диамагнетизъм, което се дължи на появата на индуциран магнетизъм в тях. момент под влияние на външни маг. полета (вж диелектрици).

Свойствата на А., които са в свързано състояние (например включени в състава на молекулите), се различават от свойствата на свободните. А. повечето промени претърпяват свойствата, определени от външни фактори. електрони, участващи в химията. комуникации; Свети свойства, определени от вътрешни електрони. черупки, могат да останат практически непроменени. Някои свойства на атомите могат да претърпят промени в зависимост от симетрията на околната среда на даден атом. Пример за това е разделянето на енергийните нива на А. в кристали и сложни съединения, което се случва под въздействието на електричество. полета, създадени от околните йони или лиганди.

Лит.:Карапетянц М. X., Дракин С. И., Структура, 3 изд., М., 1978; Shloliekiy E.V., Атомна физика, 7 изд., том 1-2, М., 1984 г. М. А. Еляшевич.

Химическа енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия. Изд. И. Л. Кнунянц. 1988 .

Вижте какво е "ATOM" в други речници:

атом- атом и... Руски правописен речник

- (гръцки atomos, от отрицателна част., и том, отдел томос, сегмент). Безкрайно малка неделима частица, чиято съвкупност съставлява всяко физическо тяло. Речник на чуждите думи, включени в руския език. Chudinov A.N., 1910. ATOM гръцки ... Речник на чуждите думи на руския език

атом- a м. atome m. 1. Най-малката неделима частица материя. Атомите не могат да бъдат вечни. Кантемир За природата. Ампер вярва, че всяка неделима частица материя (атом) съдържа цялостно количество електричество. OZ 1848 56 8 240. Нека бъде... ... Исторически речник на галицизмите на руския език

АТОМ, най-малката частица материя, която може да влезе в химична реакция. Всяко вещество има уникален набор от атоми. Едно време се смяташе, че атомът е неделим, но се състои от положително заредено ЯДРО,... ... Научно-технически енциклопедичен речник

- (от гръцки atomos - неделим) най-малките съставни частици на материята, от които е съставено всичко, което съществува, включително душата, образувана от най-фините атоми (Левкип, Демокрит, Епикур). Атомите са вечни, те нито възникват, нито изчезват, намирайки се в постоянно... ... Философска енциклопедия

атом- Атом ♦ Атом Етимологично, атомът е неделима частица или частица, подлежаща само на спекулативно разделяне; неделим елемент (atomos) на материята. Демокрит и Епикур разбират атома в този смисъл. Съвременните учени са наясно, че това... ... Философски речник на Спонвил

- (от гръцки atomos неделим) най-малката частица от химичен елемент, която запазва свойствата си. В центъра на атома има положително заредено ядро, в което е съсредоточена почти цялата маса на атома; електроните се движат наоколо, образувайки електрон... Голям енциклопедичен речник

АТОМ [фр. atome, от лат. atomus, от гръцки?τομος (ουσ?α) - неделим (същност)], частица от веществото, най-малката част от химичен елемент, която е носител на неговите свойства. Атомите на всеки елемент са индивидуални по структура и свойства и се обозначават с химичните символи на елементите (например водороден атом - H, желязо - Fe, живак - Hg, уран - U и др.). Атомите могат да съществуват както в свободно състояние, така и в свързано състояние (виж Химическа връзка). Цялото разнообразие от вещества се дължи на различни комбинации от атоми един с друг. Свойствата на газообразните, течните и твърдите вещества зависят от свойствата на съставните им атоми. Всички физични и химични свойства на атома се определят от неговата структура и се подчиняват на квантовите закони. (За историята на развитието на учението за атома вижте статията Атомна физика.)

Обща характеристика на структурата на атомите. Атомът се състои от тежко ядро ​​с положителен електрически заряд и леки електрони с отрицателни електрически заряди, които го заобикалят, образувайки електронните обвивки на атома. Размерите на атома се определят от размерите на неговата външна електронна обвивка и са големи в сравнение с размерите на атомното ядро. Характерните порядъци на диаметрите, площите на напречните сечения и обемите на атома и ядрото са:

Атом 10 -8 cm 10 -16 cm 2 10 -24 cm 3

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

Електронните обвивки на атома нямат строго определени граници и размерите на атома зависят в по-голяма или по-малка степен от методите за тяхното определяне.

Ядреният заряд е основната характеристика на атома, която определя принадлежността му към определен елемент. Зарядът на ядрото винаги е цяло число, кратно на положителния елементарен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на заряда на електрона -e. Зарядът на ядрото е +Ze, където Z е атомното число (атомен номер). Z= 1, 2, 3,... за атоми на последователни елементи в периодичната таблица на химичните елементи, тоест за атоми на H, He, Li, .... В неутрален атом ядро ​​със заряд + Ze държи Z електрони с общ заряд - Ze. Един атом може да загуби или да спечели електрони и да стане положителен или отрицателен йон (k = 1, 2, 3, ... - множествеността на неговата йонизация). Атомът на даден елемент често включва неговите йони. При писане йоните се отличават от неутрален атом чрез индекса k + и k -; например O е неутрален кислороден атом, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- са неговите положителни и отрицателни йони. Комбинацията от неутрален атом и йони на други елементи със същия брой електрони образува изоелектронна серия, например серия от водородоподобни атоми H, He +, Li 2+, Be 3+,....

Кратността на заряда на ядрото на атома към елементарния заряд e беше обяснена въз основа на идеи за структурата на ядрото: Z е равно на броя на протоните в ядрото, зарядът на протона е +e . Масата на атома нараства с увеличаване на Z. Масата на ядрото на атома е приблизително пропорционална на масовото число А - общия брой на протоните и неутроните в ядрото. Масата на електрона (0,91 x 10 -27 g) е значително по-малка (около 1840 пъти) от масата на протона или неутрона (1,67 x 10 -24 g), така че масата на атома се определя главно от масата на ядрото си.

Атомите на даден елемент могат да се различават по ядрена маса (броят на протоните Z е постоянен, броят на неутроните A-Z може да варира); Такива разновидности на атоми на един и същи елемент се наричат ​​изотопи. Разликата в масата на ядрото почти не влияе върху структурата на електронните обвивки на даден атом, която зависи от Z, и свойствата на атома. Най-големи разлики в свойствата (изотопни ефекти) се получават при изотопите на водорода (Z = 1) поради голямата разлика в масите на обикновения лек атом на водород (A = 1), деутерий (A = 2) и тритий (A = 3).

Масата на атома варира от 1,67 × 10 -24 g (за основния изотоп, водороден атом, Z = 1, A = 1) до приблизително 4 × 10 -22 g (за атоми на трансуранови елементи). Най-точните стойности на атомните маси могат да бъдат определени чрез методите на масовата спектроскопия. Масата на атома не е точно равна на сумата от масата на ядрото и масите на електроните, но малко по-малко от дефекта на масата ΔM = W/c 2, където W е енергията на образуване на атом от ядрото и електроните (енергия на свързване), c е скоростта на светлината. Тази корекция е от порядъка на масата на електрона m e за тежките атоми, а за леките атоми е незначителна (около 10 -4 m e).

Атомна енергия и нейното квантуване. Поради малкия си размер и голяма маса, атомното ядро ​​може приблизително да се счита за точково и в покой в ​​центъра на масата на атома ( общ центърмасата на ядрото и електроните се намира близо до ядрото, а скоростта на движение на ядрото спрямо центъра на масата на атома е малка в сравнение със скоростта на движение на електроните). Съответно атомът може да се разглежда като система, в която N електрони със заряди e се движат около стационарен привличащ център. Движението на електрони в атома се извършва в ограничен обем, тоест е свързано. Общата вътрешна енергия на атома E е равна на сумата от кинетичните енергии T на всички електрони и потенциалната енергия U - енергията на тяхното привличане от ядрото и отблъскване един от друг.

Според теорията на атома, предложена през 1913 г. от Нилс Бор, във водороден атом един електрон със заряд -e се движи около неподвижен център със заряд +e. В съответствие с класическата механика кинетичната енергия на такъв електрон е равна на

където v е скоростта, p = m e v е импулсът (импулсът) на електрона. Потенциалната енергия (редуцирана до енергията на кулоновото привличане на електрон от ядрото) е равна на

и зависи само от разстоянието r на електрона от ядрото. Графично функцията U(r) е представена чрез крива, която намалява неограничено с намаляването на r, т.е., когато електронът се приближава до ядрото. Стойността на U(r) при r→∞ се приема за нула. При отрицателни стойности на общата енергия E = T + U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U >0 движението на електрона е свободно - той може да отиде до безкрайност с енергия E = T = (1/2)m e v 2, което съответства на йонизирания водороден атом H +. По този начин неутрален водороден атом е система от електростатично свързано ядро ​​и електрон с енергия E< 0.

Общата вътрешна енергия на атом Е е неговата основна характеристика като квантова система (вижте Квантова механика). Атомът може да остане дълго време само в състояния с определена енергия - стационарни (непроменливи във времето) състояния. Вътрешната енергия на квантова система, състояща се от свързани микрочастици (включително атом), може да приеме една от дискретни (прекъснати) серии от стойности

Всяка от тези „разрешени“ енергийни стойности съответства на едно или повече стационарни квантови състояния. Системата не може да има междинни енергийни стойности (например тези, които се намират между E 1 и E 2, E 2 и E 3 и т.н.); за такава система се казва, че има квантована енергия. Всяка промяна в E е свързана с квантов (скок) преход на системата от едно стационарно квантово състояние в друго (виж по-долу).

Възможните дискретни стойности (3) на енергията на атома могат да бъдат графично изобразени по аналогия с потенциалната енергия на тяло, повдигнато на различни височини (на различни нива), под формата на диаграма на енергийните нива, където всяка енергия стойност съответства на права линия, начертана на височина E i, i= 1, 2, 3, ... (фиг. 1). Най-ниското ниво E 1, съответстващо на възможно най-ниската енергия на атома, се нарича основно ниво, а всички останали (E i > E 1), i = 2, 3, 4, ...) се наричат ​​възбудени, защото за прехода към тях (преход към съответните стационарни възбудени състояния от земята) е необходимо системата да се възбуди - да й се придаде енергия E i -E 1 отвън.

Квантуването на атомната енергия е следствие от вълновите свойства на електроните. Съгласно принципа на двойствеността вълна-частица, движението на микрочастица с маса m със скорост v съответства на дължина на вълната λ = h/mv, където h е константата на Планк. За електрон в атом λ е от порядъка на 10 -8 cm, т.е. от порядъка на линейните размери на атома и е необходимо да се вземат предвид вълновите свойства на електрона в атома. Свързаното движение на електрон в атом е подобно на стояща вълна и трябва да се разглежда не като движение на материална точка по траектория, а като сложен вълнов процес. За стояща вълна в ограничен обем са възможни само определени стойности на дължината на вълната λ (и, следователно, честотата на трептене v). Според квантовата механика енергията на един атом E е свързана с v чрез връзката E = hν и следователно може да приема само определени стойности. Свободното транслационно движение на микрочастица, неограничено в пространството, например движението на електрон, отделен от атом (с енергия E> 0), е подобно на разпространението на пътуваща вълна в неограничен обем, за който всеки възможни са стойности на λ (и v). Енергията на такава свободна микрочастица може да приеме всякаква стойност (тя не е квантована, има непрекъснат енергиен спектър). Тази непрекъсната последователност съответства на йонизиран атом. Стойността E ∞ = 0 съответства на йонизационната граница; разликата E ∞ -E 1 = E йон се нарича йонизационна енергия (виж статията Йонизационен потенциал); за водороден атом е 13,6 eV.

Разпределение на електронната плътност. Точната позиция на електрон в атом в даден момент не може да бъде определена поради несигурност във връзката. Състоянието на електрона в атома се определя от неговата вълнова функция, която по определен начин зависи от неговите координати; Квадратът на модула на вълновата функция характеризира плътността на вероятността за намиране на електрон в дадена точка в пространството. Вълновата функция е изрично решението на уравнението на Шрьодингер.

По този начин състоянието на електрона в атома може да се характеризира с разпределението на неговия електрически заряд в пространството с определена плътност - разпределението на електронната плътност. Електроните са, така да се каже, „размазани“ в пространството и образуват „електронен облак“. Този модел характеризира електроните в атома по-правилно от модела на точков електрон, движещ се по строго определени орбити (в атомната теория на Бор). В същото време всяка такава орбита на Бор може да бъде свързана със специфично разпределение на електронната плътност. За основно енергийно ниво E 1, електронната плътност е концентрирана близо до ядрото; за възбудени енергийни нива E 2, E 3, E 4 ... тя се разпределя на все по-големи средни разстояния от ядрото. В многоелектронен атом електроните са групирани в обвивки, които обграждат ядрото на различни разстояния и се характеризират с определени разпределения на електронната плътност. Силата на връзката между електроните и ядрото във външните обвивки е по-малка, отколкото във вътрешните обвивки, а най-слабите електрони са свързани в най-външната обвивка, която има най-големи размери.

Отчитане на спина на електрона и спина на ядрото. В теорията на атома е много важно да се вземе предвид спинът на електрона - неговият собствен (спин) ъглов момент, който от визуална гледна точка съответства на въртенето на електрона около собствената му ос ( ако електронът се разглежда като частица с малък размер). Спинът на електрона е свързан със сто присъщ (спин) магнитен момент. Следователно в атома е необходимо да се вземат предвид, наред с електростатичните взаимодействия, магнитните взаимодействия, определени от спиновия магнитен момент и орбиталния магнитен момент, свързан с движението на електрона около ядрото; магнитните взаимодействия са малки в сравнение с електростатичните. Най-значимото влияние на спина е в многоелектронните атоми: запълването на електронните обвивки на атома с определен брой електрони зависи от спина на електроните.

Ядрото в атома може да има и свой механичен момент - ядрен спин, който е свързан с ядрен магнитен момент, който е стотици и хиляди пъти по-малък от електронния. Съществуването на спинове води до допълнителни, много малки взаимодействия между ядрото и електроните (виж по-долу).

Квантови състояния на водородния атом. Най-важната роля в квантова теорияатом се играе от теорията на най-простия едноелектронен атом, състоящ се от ядро ​​със заряд + Ze и електрон със заряд -e, тоест теорията на водородния атом H и водородоподобни йони He +, Li 2 +, Be 3+,..., обикновено наричана теория на водородния атом. Използвайки методите на квантовата механика, е възможно да се получат точни и пълно описаниесъстояния на електрон в едноелектронен атом. Проблемът с многоелектронния атом може да бъде решен само приблизително; в този случай те изхождат от резултатите от решаването на проблема с едноелектронен атом.

Енергията на едноелектронен атом в нерелативистично приближение (без да се взема предвид спинът на електрона) е равна на

цялото число n = 1, 2, 3, ... определя възможните дискретни енергийни стойности - енергийни нива - и се нарича основно квантово число, R е константата на Ридберг, равна на 13,6 eV. Енергийните нива на атома се сближават (кондензират) към йонизационната граница E ∞ = 0, съответстваща на n = ∞. За водородоподобни йони се променя само скалата на енергийните стойности (Z 2 пъти). Енергията на йонизация на подобен на водород атом (енергия на свързване на електрони) е (в eV)

което дава за H, He +, Li 2+, ... стойности 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ....

Основната формула (4) съответства на израза U(r) = -Ze 2 /r за потенциалната енергия на електрон в електричното поле на ядро ​​със заряд +Ze. Тази формула е получена за първи път от Н. Бор чрез разглеждане на движението на електрон около ядро ​​в кръгова орбита с радиус r и е точно решение на уравнението на Шрьодингер за такава система. Енергийните нива (4) съответстват на орбитите с радиус

където константата a 0 = 0,529·10 -8 cm = = 0,529 A е радиусът на първата кръгова орбита на водородния атом, съответстваща на неговото основно ниво (този радиус на Бор често се използва като удобна единица за измерване на дължини в атомната физика ). Радиусът на орбитите е пропорционален на квадрата на главното квантово число n 2 и обратно пропорционален на Z; за водородоподобни йони линейната скала на размера намалява с фактор Z в сравнение с водородния атом. Релативистично описание на водородния атом, като се вземе предвид спинът на електрона, се дава от уравнението на Дирак.

Според квантовата механика състоянието на водородния атом се определя напълно от дискретните стойности на четири физически величини: енергия E; орбитален импулс M l (импулс на електрона спрямо ядрото); проекции M lz на орбиталния импулс върху произволно избрана посока z; проекции M sz на спиновия момент (собствен ъглов момент на електрона M s). Възможните стойности на тези физически величини от своя страна се определят съответно от квантовите числа n, l, m l, m s. В приближението, когато енергията на водороден атом е описана с формула (4), тя се определя само от главното квантово число n, което приема целите стойности 1, 2, 3, .... Едно енергийно ниво с дадено n съответства на няколко състояния, които се различават по стойностите на орбиталното (азимутално) квантово число l = 0, 1, ..., n-1. Състоянията с дадени стойности на n и l обикновено се означават като 1s, 2s, 2р, 3s, ..., където цифрите показват стойността на n, а буквите s, р, d, f (по-нататък на латиница азбука) - съответно стойностите l = 0, 1, 2, 3. За дадени n и l броят на различните състояния е равен на 2(2l + 1) - броят на комбинациите от стойности на магнитно орбитално квантово число m l магнитно спиново число m s (първото приема 2l + 1 стойности, второто - 2 стойности). Общият брой различни състояния с дадени n и l е равен на 2n 2. Така всяко енергийно ниво на водородния атом съответства на 2,8, 18,...2n 2 (с n = 1, 2, 3, ...) различни стационарни квантови състояния. Ако само едно квантово състояние съответства на енергийно ниво, то се нарича неизродено, ако две или повече - изродено (виж Израждане в квантовата теория), а броят на такива състояния g се нарича степен или кратност на израждането (за неизродени енергийни нива g = 1). Енергийните нива на водородния атом са изродени, а тяхната степен на изроденост g n = 2n 2 .

За различните състояния на водородния атом се получават различни разпределения на електронната плътност. Зависи от квантовите числа n, l и В този случай електронната плътност за s-състояния (l=0) е различна от нула в центъра, т.е. на мястото на ядрото, и не зависи от посоката ( сферично симетричен), а за останалите състояния (l>0) е равен на нула в центъра и зависи от посоката. Разпределението на електронната плътност за състояния на водородния атом с n = 1, 2, 3 е показано на фигура 2; размерите на „електронния облак“ нарастват в съответствие с формула (6) пропорционално на n2 (мащабът на фигура 2 намалява при преминаване от n = 1 към n = 2 и от n = 2 към n = 3). Квантовите състояния на електрона във водородоподобните йони се характеризират със същите четири квантови числа n, l, m l и m s, както във водородния атом. Разпределението на електронната плътност също се запазва, само че се увеличава с Z пъти.

Действие на външни полета върху атом. Атомът като електрическа система във външни електрически и магнитни полета придобива допълнителна енергия. Електрическото поле поляризира атома - измества електронните облаци спрямо ядрото (виж Поляризуемост на атоми, йони и молекули), а магнитното поле ориентира по определен начин магнитния момент на атома, свързан с движението на електрона около ядрото (с орбитален импулс M l) и неговият спин. Съответстват различни състояния на водороден атом с еднаква енергия E n във външно поле различни значениядопълнителна енергия ΔE и дегенерираното енергийно ниво E n се разделя на няколко поднива. Както разделянето на енергийните нива в електрическо поле – ефектът на Старк – така и тяхното разделяне в магнитно поле – ефектът на Зееман – са пропорционални на силите на съответните полета.

Малките магнитни взаимодействия вътре в атома също водят до разделяне на енергийните нива. За водородния атом и водородоподобните йони има спин-орбитално взаимодействие - взаимодействие на спиновите и орбиталните моменти на електрона; той определя т. нар. фина структура на енергийните нива - разцепването на възбудените нива E n (при n>1) на поднива. За всички енергийни нива на водородния атом се наблюдава и свръхфина структура, дължаща се на много малки магнитни взаимодействия на ядрения спин с електронните моменти.

Електронни обвивки на многоелектронни атоми. Теорията за атом, съдържащ 2 или повече електрона, е фундаментално различна от теорията за водороден атом, тъй като в такъв атом има идентични частици, взаимодействащи помежду си - електрони. Взаимното отблъскване на електрони в многоелектронен атом значително намалява силата на връзката им с ядрото. Например, енергията на отстраняване на един електрон в хелиев йон (He +) е 54,4 eV, докато в неутрален атом на хелий, в резултат на отблъскването на електрони, енергията на отстраняване на един от тях намалява до 24,6 eV. eV. За външните електрони на по-тежките атоми намаляването на силата на връзката им поради отблъскване от вътрешните електрони е още по-значимо. Важна роля в многоелектронните атоми играят свойствата на електроните като идентични микрочастици (виж Принцип на идентичността) със спин s = 1/2, за които е валиден принципът на Паули. Съгласно този принцип в система от електрони не може да има повече от един електрон във всяко квантово състояние, което води до образуването на електронни обвивки на атома, изпълнени със строго определен брой електрони.

Като се има предвид неразличимостта на електроните, взаимодействащи един с друг, има смисъл да се говори само за квантовите състояния на атома като цяло. Въпреки това е възможно приблизително да се разгледат квантовите състояния на отделните електрони и да се характеризира всеки от тях чрез набор от квантови числа n, l, m l и m s, подобно на електрон във водороден атом. В този случай енергията на електрона се оказва зависима не само от n, както при водородния атом, но и от l; все още не зависи от m l и m s. Електроните с дадени n и l в многоелектронен атом имат еднаква енергия и образуват специфична електронна обвивка. Такива еквивалентни електрони и обвивките, образувани от тях, се означават, подобно на квантовите състояния и енергийните нива с дадени n и l, със символите ns, nр, nd, nf, ... (за 1 = 0, 1, 2,3, ...) и те говорят за 2p електрони, 3s-o6 обвивки и т.н.

Съгласно принципа на Паули всеки 2 електрона в атом трябва да бъдат в различни квантови състояния и следователно да се различават в поне едно от четирите квантови числа n, l, m l и m s, а за еквивалентни електрони (n ​​и l са еднакви) - в стойностите на m l и m s . Броят на двойките m l, m s, т.е. броят на различните квантови състояния на електрона с дадени n и l, е степента на израждане на неговото енергийно ниво g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, .... Той определя броя на електроните в напълно запълнени електронни обвивки. По този начин s-, p-, d-, f-, ... черупките са запълнени с 2, 6, 10, 14, ... електрони, независимо от стойността на n. Електроните с дадено n образуват слой, състоящ се от обвивки с l = 0, 1, 2, ..., n - 1 и запълнени с 2n 2 електрона, така наречения K-, L-, M, N-слой. При пълно зареждане имаме:

Във всеки слой обвивките с по-малко l се характеризират с по-висока електронна плътност. Силата на връзката между електрона и ядрото намалява с увеличаване на n, а за дадено n, с увеличаване на l. Колкото по-слабо е свързан електронът в съответната обвивка, толкова по-високо е енергийното му ниво. Ядро с даден Z прикрепя електрони в реда на намаляване на силата на тяхната връзка: първо два 1s електрона, след това два 2s електрона, шест 2p електрона и т.н. Атомът на всеки химичен елемент има определено разпределение на електрони в обвивките - неговата електронна конфигурация, например:

(броят на електроните в дадена обвивка се обозначава с индекса горе вдясно). Периодичността в свойствата на елементите се определя от сходството на външните електронни обвивки на атома. Например неутралните атоми P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) имат три p-електрона във външната електронна обвивка, като N атома, и са подобни на него по химични и много физични свойства .

Всеки атом се характеризира с нормална електронна конфигурация, която възниква, когато всички електрони в атома са най-здраво свързани, и възбудени електронни конфигурации, когато един или повече електрони са по-свободно свързани - намиращи се на по-високи енергийни нива. Например за атом на хелий, наред с нормалния 1s2, са възможни възбудени електронни конфигурации: 1s2s, 1s2p, ... (един електрон е възбуден), 2s 2, 2s2p, ... (и двата електрона са възбудени). Определена електронна конфигурация съответства на едно енергийно ниво на атома като цяло, ако електронните обвивки са напълно запълнени (например нормалната конфигурация на атом Ne 1s 2 2s 2 2р 6), и редица енергийни нива, ако има са частично запълнени обвивки (например нормалната конфигурация на азотния атом 1s 2 2s 2 2р 3, за който обвивката 2р е наполовина запълнена). При наличието на частично запълнени d- и f-обвивки броят на енергийните нива, съответстващи на всяка конфигурация, може да достигне много стотици, така че схемата на енергийните нива на атом с частично запълнени обвивки се оказва много сложна. Нивото на основната енергия на атома е най-ниското ниво на нормална електронна конфигурация.

Квантови преходи в атома. По време на квантовите преходи атомът преминава от едно стационарно състояние в друго – от едно енергийно ниво на друго. При преход от по-високо енергийно ниво E i към по-ниско енергийно ниво E k атомът отдава енергия E i - E k, а при обратния преход я получава. Както за всяка квантова система, за атома квантовите преходи могат да бъдат два вида: с излъчване (оптични преходи) и без излъчване (нерадиационни или неоптични преходи). Най-важната характеристика на квантовия преход е неговата вероятност, която определя колко често може да се случи този преход.

При квантови преходи с радиация атомът абсорбира (преход E k → E i) или излъчва (преход E i → E k) електромагнитно излъчване. Електромагнитната енергия се абсорбира и излъчва от атом под формата на светлинен квант - фотон - характеризиращ се с определена честота на трептене v, съгласно връзката:

където hv е енергията на фотона. Връзката (7) представлява закона за запазване на енергията за микроскопични процеси, свързани с радиация.

Атом в основно състояние може да абсорбира само фотони, но във възбудени състояния може както да ги абсорбира, така и да ги излъчва. Свободен атом в основно състояние може да съществува неограничено време. Продължителността на престоя на атома във възбудено състояние (животът на това състояние) е ограничена; атомът спонтанно (спонтанно), частично или напълно губи енергията си на възбуждане, излъчвайки фотон и преминавайки към по-ниско енергийно ниво; Наред с такова спонтанно излъчване е възможно и стимулирано излъчване, което се случва, подобно на абсорбцията, под въздействието на фотони със същата честота. Животът на възбуден атом е по-кратък, тъй като по-вероятноспонтанен преход, за водороден атом е около 10 -8 s.

Наборът от честоти v на възможните преходи с лъчение определя атомния спектър на съответния атом: наборът от честоти на преходите от долните към горните нива е неговият спектър на поглъщане, наборът от честоти на преходите от горните към долните нива е спектърът на излъчване . Всеки такъв преход в атомния спектър съответства на определена спектрална линия с честота v.

При нерадиационни квантови преходи атомът получава или губи енергия, когато взаимодейства с други частици, с които се сблъсква в газ или е свързан за дълго време в молекула, течност или твърдо вещество. В газ атомът може да се счита за свободен през интервалите от време между сблъсъци; По време на сблъсък (удар) атомът може да се премести на по-ниско или по-високо енергийно ниво. Такъв сблъсък се нарича нееластичен (за разлика от еластичния сблъсък, при който се променя само кинетичната енергия на постъпателното движение на атома, а вътрешната му енергия остава непроменена). Важен специален случай е сблъсъкът на свободен атом с електрон; Обикновено електронът се движи по-бързо от атома, времето за сблъсък е много кратко и можем да говорим за електронен удар. Възбуждането на атом чрез електронен удар е един от методите за определяне на неговите енергийни нива.

Химически и физични свойстваатом. Повечето от свойствата на атома се определят от структурата и характеристиките на външните му електронни обвивки, в които електроните са свързани с ядрото относително слабо (енергии на свързване от няколко eV до няколко десетки eV). Структурата на вътрешните обвивки на атома, чиито електрони са свързани много по-здраво (енергии на свързване от стотици, хиляди и десетки хиляди eV), се появява само когато атомът взаимодейства с бързи частици и високоенергийни фотони (повече от стотици eV). Такива взаимодействия определят рентгеновите спектри на атома и разсейването на бързите частици (виж Дифракция на частици). Масата на атома определя неговите механични свойства по време на движението на атома като цяло - импулс, кинетична енергия. Различни резонансни и други физични свойства на атома зависят от механичните и свързаните с тях магнитни и електрически моменти на атома (виж Електронен парамагнитен резонанс, Ядрен магнитен резонанс, Ядрен квадруполен резонанс).

Електроните във външните обвивки на атома лесно се влияят от външни влияния. Когато атомите се съберат, възникват силни електростатични взаимодействия, които могат да доведат до образуването на химична връзка. По-слабите електростатични взаимодействия на два атома се проявяват във взаимната им поляризация - изместването на електроните спрямо ядрата, което е най-силно за слабо свързаните външни електрони. Между атомите възникват поляризационни сили на привличане, които трябва да се вземат предвид дори при големи разстояния между тях. Поляризацията на атомите също възниква във външни електрически полета; В резултат на това енергийните нива на атома се изместват и, най-важното, изродените енергийни нива се разделят (ефект на Старк). Поляризацията на атом може да възникне под въздействието на електрическото поле на светлинна (електромагнитна) вълна; зависи от честотата на светлината, което определя зависимостта от нея и индекса на пречупване (виж Дисперсия на светлината), свързан с поляризуемостта на атома. Тясната връзка между оптичните характеристики на атома и неговите електрически свойства се проявява особено ясно в неговите оптични спектри.

Магнитните свойства на атомите се определят главно от структурата на техните електронни обвивки. Магнитният момент на атома зависи от неговия механичен момент (виж Магнито-механично съотношение); в атом с напълно запълнени електронни обвивки той е нула, точно както механичния момент. Атомите с частично запълнени външни електронни обвивки обикновено имат ненулеви магнитни моменти и са парамагнитни. Във външно магнитно поле всички нива на атоми, чийто магнитен момент не е равен на нула, се разделят - възниква ефектът на Зееман. Всички атоми имат диамагнетизъм, който се дължи на появата на магнитен момент в тях под въздействието на външно магнитно поле(така нареченият индуциран магнитен момент, подобен на електрическия диполен момент на атома).

С последователната йонизация на атома, тоест с отстраняването на неговите електрони, като се започне от най-външните по реда на увеличаване на силата на връзката им, всички свойства на атома, определени от неговата външна обвивка, се променят съответно. Все повече и по-здраво свързани електрони стават външни; в резултат на това способността на атома да се поляризира в електрическо поле значително намалява, разстоянията между енергийните нива и честотите на оптичните преходи между тези нива се увеличават (което води до изместване на спектрите към все по-къси дължини на вълните). Редица свойства показват периодичност: свойствата на йони с подобни външни електрони са сходни; например N 3+ (два 2s електрона) показва сходство с N 5+ (два 1s електрона). Това се отнася за характеристиките и относителните позиции на енергийните нива и за оптичните спектри, за магнитните моменти на атома и т.н. Най-драматичната промяна в свойствата настъпва, когато последният електрон бъде отстранен от външната обвивка, когато остават само напълно запълнени обвивки, например при преминаване от N 4+ към N 5+ (електронни конфигурации 1s 2 2s и 1s 2). В този случай йонът е най-стабилен и неговите пълни механични и пълни магнитни моменти са равни на нула.

Свойствата на атома в свързано състояние (например част от молекула) се различават от свойствата на свободния атом. Свойствата на един атом претърпяват най-големи промени, определени от най-външните електрони, които участват в прикрепването на даден атом към друг. В същото време свойствата, определени от електроните на вътрешните обвивки, могат да останат практически непроменени, какъвто е случаят с рентгеновите спектри. Някои свойства на атома могат да претърпят относително малки промени, от които може да се получи информация за природата на взаимодействията на свързаните атоми. Важен пример е разделянето на атомните енергийни нива в кристали и сложни съединения, което се случва под въздействието на електрически полета, създадени от околните йони.

Експерименталните методи за изследване на структурата на атома, неговите енергийни нива, взаимодействието му с други атоми, елементарни частици, молекули, външни полета и т.н. са разнообразни, но основната информация се съдържа в неговите спектри. Методите на атомната спектроскопия във всички диапазони на дължини на вълните и по-специално методите на съвременната лазерна спектроскопия правят възможно изследването на все по-фини ефекти, свързани с атома. От началото на 19 век съществуването на атома е очевидно за учените, но експеримент за доказване на реалността на съществуването му е извършен от J. Perrin в началото на 20 век. С развитието на микроскопията стана възможно да се получат изображения на атоми върху повърхността на твърдите тела. Атомът е видян за първи път от Е. Мюлер (САЩ, 1955 г.) с помощта на изобретения от него полев йонен микроскоп. Съвременните атомно-силови и тунелни микроскопи правят възможно получаването на изображения на твърди повърхности с добра разделителна способност на атомно ниво (виж Фигура 3).

Ориз. 3. Изображение на атомната структура на силициевата повърхност, получено от професора от Оксфордския университет М. Капстел с помощта на сканиращ тунелен микроскоп.

Така наречените екзотични атоми съществуват и се използват широко в различни изследвания, например мюонни атоми, т.е. атоми, в които всички или част от електроните са заменени с отрицателни мюони, мюоний, позитроний, както и адронни атоми, състоящи се от заредени пиони, каони , протони, дейтрони и др. Направени са и първите наблюдения на антиводороден атом (2002) - атом, състоящ се от позитрон и антипротон.

Лит.: Роден М. Атомна физика. 3-то изд. М., 1970; Фано У., Фано Л. Физика на атомите и молекулите. М., 1980; Shpolsky E.V. Атомна физика. 7-мо изд. М., 1984. Т. 1-2; Еляшевич М. А. Атомна и молекулярна спектроскопия. 2-ро изд. М., 2000.

Веществата са изградени от атоми. Атомът е частица материя с много малък размер и маса.. Това е най-малката част от химичния елемент, която е носител на неговите свойства.

Думата "атом" идва от гръцката atorod - "неделима" и тази частица се е считала за такава в продължение на много векове. Но още в началото на 20в. става известна структурата на атома.

Опростен модел на атома. Червеното представлява положително заредени протони, сивото представлява неутрални неутрони, а синьото представлява отрицателно заредени електрони.

Атомът се състои от атомно ядроИ електронна обвивка. Преди сто години се смяташе, че електроните се въртят около ядрото, както планетите около слънцето. Ето как атомът често се изобразява за простота. Всъщност е невъзможно да се определи точката, в която се намира електронът в момента. Електронът е зареден отрицателно, а ядрото е заредено положително. Самото ядро ​​също се състои от елементарни частици - протони и неутрони. Протоните имат положителен заряд, докато неутроните са електрически неутрални. Обикновено атомът е неутрален. Това е вярно, когато броят на протоните в ядрото е същият като броя на електроните. Ако един атом има един или повече допълнителни електрони във външната си орбита, той се превръща в отрицателно зареден йон (анион). Ако на атом във външната му орбита липсват един или повече електрони, той се превръща в положително зареден йон (катион). Има много такива йони в различни разтвори.

Повече от 99% от масата на атома е концентрирана в ядрото. Електроните представляват много малка част. Масата на един атом се измерва в единици за атомна маса, равна на 1/12 от масата на един атом на стабилния изотоп на въглерод 12C.

Има атоми с еднакъв брой протони, но различен брой неутрони.

Такива атоми се наричат изотопи(разновидности) на един и същи елемент. Има само един стабилен атом, който изобщо няма неутрони в ядрото си, а само един протон. Един електрон се върти около ядрото (по-точно създава обвивка). Това е лек водород или протий. Има и тежък водород - деутерий. В ядрото си има две частици - протон и неутрон. Има и свръхтежък водород - тритий. В ядрото си има три частици - един протон и два неутрона. И всички тези изотопи имат един електрон. Водата, образувана от деутерий, се нарича тежка вода.

Атомите образуват междуатомни връзки и образуват молекули. Молекулите могат да се състоят от един или няколко вида атоми.

Водороден атом Н, състоящ се от един протон и един електрон

Атом на хелий: ядрото му се състои от два протона и два неутрона и е заобиколено от два електрона

Атомите имат ли кукички?

Концепцията за атома като най-малката неделима частица материя е въведена преди повече от 2000 години от философите на Древна Индия и Древна Гърция. Гръцкият философ Демокрит каза: „Няма нищо друго освен атоми, вечно движещи се в безкрайна празнота.“ Той вярваше, че свойствата на дадено вещество се определят от формата, масата и други свойства на атома. Според Демокрит огънят гори, защото атомите на огъня са остри, твърдите тела са такива, защото техните атоми са грапави и тясно свързани помежду си. Философът Епикур пише, че това не може да бъде, защото куките на атомите ще се откъснат. Но откриването на истинската структура на атома беше все още далече.

АТОМ(от гръцки атомос - неделим), най-малката частица от хим. елемент, негов свят. Всяка хим. Един елемент съответства на колекция от специфични атоми. Като се свързват един с друг, атомите на едни и същи или различни елементи образуват по-сложни частици, например. . Цялото разнообразие от химикали. в-в (твърдо, течно и газообразно) поради разлагане. комбинации от атоми един с друг. Атомите също могат да съществуват свободно. състояние (в , ). Свойствата на атома, включително най-важната способност на атома да образува химикали. съедин., се определят от характеристиките на неговата структура.

Обща характеристика на структурата на атома. Атомът се състои от положително заредено ядро, заобиколено от облак от отрицателно заредени. Размерите на атома като цяло се определят от размерите на неговия електронен облак и са големи в сравнение с размерите на атомното ядро ​​(линейните размери на атома са ~ 10~8 cm, ядрото му ~ 10" -10" 13 см). Електронният облак на атома няма строго определени граници, така че размерът на атома означава. степени са условни и зависят от методите за тяхното определяне (виж). Ядрото на атома се състои от Z и N, държани заедно от ядрени сили (виж). Положителен заряд и отрицателен. заряда е същия абс. магнитуд и са равни на e = 1,60*10 -19 C; няма електричество. зареждане. Ядрен заряд +Ze - основен. характеристика на атома, която определя принадлежността му към определен химикал. елемент. елемент в периодичен периодична система () е равно на числото в ядрото.

В електрически неутрален атом числото в облака е равно на числото в ядрото. Въпреки това, при определени условия, той може да загуби или да добави, съответно да се обърне. в положителен или отричам. , напр. Li +, Li 2+ или O -, O 2-. Когато говорим за атоми на определен елемент, имаме предвид както неутралните атоми, така и този елемент.

Масата на атома се определя от масата на неговото ядро; масата (9,109*10 -28 g) е приблизително 1840 пъти по-малка от масата или (1,67*10 -24 g), така че приносът към масата на атома е незначителен. Общ брой и A = Z + N извикани. . и ядрен заряд са посочени съответно. горен и долен индекс отляво на символа на елемента, напр. 23 11 Na. Видът атоми на един елемент с определена стойност N се нарича. . Наричат ​​се атоми на един и същ елемент с еднакво Z и различно N. този елемент. Разликата в масата има малък ефект върху тяхната химия. и физически Свети Въх. Най-важното е, че разликите () се наблюдават поради голямата относителна стойност. разлики в масите на обикновен атом (), D и T. Точните стойности на масите на атомите се определят чрез методи.

Стационарното състояние на едноелектронен атом се характеризира уникално с четири квантови числа: n, l, m l и m s. Енергията на атома зависи само от n, а ниво с дадено n съответства на редица състояния, различаващи се в стойностите на l, m l, m s. Състоянията с дадени n и l обикновено се обозначават като 1s, 2s, 2p, 3s и т.н., където числата показват стойностите на l, а буквите s, p, d, f и по-нататък на латиница съответстват на стойностите ​​d = 0, 1, 2, 3, ... Брой дек. състояния с дадени p и d е равен на 2(2l+ 1) броя на комбинациите от стойности m l и m s. Общ брой водолази. състояния с дадени n равни , т.е. нивата със стойности n = 1, 2, 3, ... съответстват на 2, 8, 18, ..., 2n 2 decomp. . Извиква се ниво, на което отговаря само едно (една вълнова функция). неизродени. Ако едно ниво съответства на две или повече, то се извиква. израждам (виж). В един атом енергийните нива са изродени в стойностите на l и m l; израждането в m s възниква само приблизително, ако взаимодействието не се вземе предвид. въртящ се магнит момент с магнитен поле, причинено от орбитално движение в електрическо. ядрено поле (виж). Това е релативистичен ефект, малък в сравнение с взаимодействието на Кулон, но е фундаментално значим, т.к води до допълнителни разцепване на енергийните нива, което се проявява под формата на т.нар. фина структура.

За дадени n, l и m l, квадратът на модула на вълновата функция определя средното разпределение за електронния облак в атома. разл. атомите се различават значително един от друг по разпределение (фиг. 2). По този начин при l = 0 (s-състояния) той е различен от нула в центъра на атома и не зависи от посоката (т.е. сферично симетричен), за други състояния е равен на нула в центъра на атома и зависи от посоката.

Ориз. 2. Форма на електронните облаци за различните състояния на атома.

В многоелектронни атоми поради взаимно електростатично. отблъскването значително намалява връзката им с ядрото. Например, енергията на отделяне от He + е 54,4 eV, в неутрален He атом е много по-малко - 24,6 eV. За по-тежките атоми връзката е вътр. с още по-слабо ядро. Специфичността играе важна роля в многоелектронните атоми. , свързани с неразличимостта и факта, че се подчиняват, според Кром, всяко едно, характеризирано с четири квантови числа, не може да съдържа повече от едно. За многоелектронен атом има смисъл да се говори само за целия атом като цяло. Въпреки това, приблизително, в т.нар. В едноелектронното приближение всяко едноелектронно състояние (определена орбитала, описана от съответната функция) може да се разглежда индивидуално и да се характеризира с набор от четири квантови числа n, l, m l и m s. Колекцията 2(2l+ 1) в състояние с дадени n и l образува електронна обвивка (наричана още подниво, подобвивка); ако всички тези състояния са заети, черупката се извиква. запълнен (затворен). Набор от 2n 2 състояния с едно и също n, но различно l образува електронен слой (наричан още ниво, обвивка). За n = 1, 2, 3, 4, ... слоевете са обозначени със символите K, L, M, N, ... Броят на черупките и слоевете, когато са напълно запълнени, са дадени в таблицата:

Възможни са между стационарни състояния в атома. При преход от по-високо енергийно ниво E i към по-ниско енергийно ниво E k атомът отдава енергия (E i - E k), а при обратния преход я получава. По време на радиационни преходи атомът излъчва или абсорбира електромагнитен квант. радиация (фотон). Те също са възможни, когато атомът отдава или получава енергия по време на взаимодействие. с други частици, с които се сблъсква (например в) или е свързан за дълго време (в. Химичните свойства се определят от структурата на външните електронни обвивки на атомите, в които те са свързани относително слабо (енергии на свързване от няколко eV до няколко десетки eV).Структурата на външните обвивки на атомите на химичните елементи от една група (или подгрупа) на периодичната система е подобна, което определя сходството на химичните свойства на тези елементи.С увеличаване на броят в запълващата обвивка, тяхната енергия на свързване, като правило, се увеличава; най-високата енергия на свързване е в затворена обвивка. Следователно атомите с един или повече в частично запълнена външна обвивка ги предават при химични реакции. Атомите, които липсват една или повече, за да образуват затворена външна обвивка. обвивки, обикновено ги приемат. Атомите със затворени външни обвивки при обикновени условия не влизат в химични реакции.

Вътрешна структура обвивки на атоми, които са свързани много по-здраво (енергия на свързване 10 2 -10 4 eV), се проявява само по време на взаимодействие. атоми с бързи частици и високоенергийни фотони. Такива взаимодействия определя естеството на рентгеновите спектри и разсейването на частици (,) върху атоми (виж). Масата на атома определя неговите физически свойства. свят, като импулс, кинетичен. енергия. От механични и свързани маг. и електрически моментите на атомното ядро ​​зависят от някои фини физически фактори. ефекти (зависи от честотата на излъчване, което определя зависимостта на индекса на пречупване на свързания с него атом от него. Тясната връзка между оптичните свойства на атома и неговите електрически свойства се проявява особено ясно в оптичните спектри.

===
испански литература към статията "АТОМ": Карапетянц М. X., Дракин С. И., Структура, 3 изд., М., 1978; Shloliekiy E.V., Атомна физика, 7 изд., том 1-2, М., 1984. М. А. Еляшевич.

Страница "АТОМ"изготвени въз основа на материали.