Атом

Відео: Атом проти Непереможного Зевса. П`ятий раунд. Atom Versus Zeus. Жива сталь

Атом (від грец. - неподільний) - найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів і електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно заряджених електронів. Коли число протонів відповідає числу електронів, атом електрично нейтральний, в іншому випадку це іон, з певним зарядом. Атоми класифікуються за кількістю протонів і нейтронів: число протонів визначає хімічний елемент, а число нейтронів визначає нуклід елементу.

Утворюючи між собою зв`язку, атоми об`єднуються в молекули і великі за розміром тверді тіла.

Про існування найдрібніших частинок речовини людство здогадувалися ще з давніх часів, однак підтвердження існування атомів було отримано лише в кінці 19-го століття. Але майже відразу ж стало зрозуміло, що атоми, в свою чергу, мають складну будову, якої визначаються їх властивості.

Концепція атома як найменшої неподільної частинки матерії вперше була запропонована давньогрецькими філософами. У 17-му і 18-му століттях хіміки встановили, що хімічні речовини вступають в реакцію в певних пропорціях, які виражаються за допомогою малих чисел. Крім того вони виділили певні прості речовини, які назвали хімічними елементами. Ці відкриття привели до відродження ідеї про неподільні частки. Розвиток термодинаміки і статистичної фізики показав, що теплові властивості тіл можна пояснити рухом таких частинок. Зрештою були експериментально визначені розміри атомів.

В кінці 19-го і на початку 20-го століть, фізики відкрили першу з субатомних частинок - електрон, а дещо пізніше атомне ядро, таким чином показавши, що атом не є неподільний. Розвиток квантової механіки дозволив пояснити не тільки будову атомів, а також іхні властивості: оптичні спектри, здатність вступати в реакції і утворювати молекули, т.

Загальна характеристика будови атома

Сучасні уявлення про будову атома базуються на квантовій механіці.

На популярному рівні будову атома можна викласти в рамках хвильової моделі, яка спирається на модель Бора, але враховує також додаткові відомості з квантової механіки.

За цією моделлю:

Атоми складаються з елементарних частинок (протонів, електронові нейтронів). Маса атома в основному зосереджена в ядрі, тому більша частина обсягу щодо порожня. Ядро оточене електронами. Кількість електронів дорівнює числу протонів в ядрі, число протонів визначає порядковий номер елемента в періодичній системі. У нейтральному атомі сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду протонів. Атоми одного елемента з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами.
У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів і нейтронів.
Ядро атома приблизно в 10 000 разів менше, ніж сам атом. Таким чином, якщо збільшити атом до розмірів аеропорту Бориспіль, розмір ядра буде менше розміру кульки для настільного тенісу.
Ядро оточене електронною хмарою, яке займає більшу частину його обсягу. В електронній хмарі можна виділити оболонки, для кожних з яких існує кілька можливих орбіталей. Заповнені орбіталі складають електронну конфігурацію, характерну для кожного хімічного елемента.
Кожна орбіталь може містити до двох електронів, характеризуються трьома квантовими числами: основним, орбітальним і магнітним.
Кожен електрон на орбіталі має унікальне значення четвертої квантового числа: спина.
Орбіталі визначаються специфічним розподілом ймовірності того, де саме можна знайти електрон. Приклади орбіталей і їх позначення наведені на малюнку справа. «Межею» орбіталі вважається відстань, на якому ймовірність того що електрон може перебувати поза нею менше 90%.
Кожна оболонка може містити не більше від строго певного числа електронів. Наприклад, найближча до ядра оболонка може мати максимум два електрони, наступна - 8, третя від ядра - 18 і так далі.
Коли електрони приєднуються до атому, вони опускаються на орбиталь з низькою енергією. Тільки електрони зовнішньої оболонки можуть брати участь в утворенні міжатомних зв`язків. Атоми можуть віддавати і приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами. Хімічні властивості елемента визначаються тим, з якою легкістю ядро може віддавати або здобувати електрони. Це залежить як від числа електронів так і від ступеня заповненості зовнішньої оболонки.
Розмір атома

Розмір атома є величиною, важко піддається виміру, адже центральне ядро оточує розмита електронну хмару. Для атомів, що утворюють тверді кристали, відстань між суміжними вузлами кристалічної решітки може служити наближеним значенням їх розміру. Для атомів, кристалів не формують, використовують інші техніки оцінки, включаючи теоретичні розрахунки. Наприклад, розмір атома водню оцінюють як 1,2 10-10 м. Це значення можна порівняти з розміром протона (що є ядром атома водню): 0,87 10-15 м і переконатися в тому, що ядро атома водню в 100 000 разів менше, ніж сам атом. Атоми інших елементів зберігають приблизно те ж співвідношення. Причиною цього є те, що елементи з великим позитивно-заряджених ядром притягують електрони сильніше.

Ще однією характеристикою розмірів атома радіус ван дер Ваальса - відстань, на яку до цього атома може наблизитися інший атом. Міжатомні відстані в молекулах характеризуються довжиною хімічних зв`язків або ковалентним радіусом.

ядро

Основна маса атома зосереджена в ядрі, яке складається з нуклонів: протонів і нейтронів, пов`язаних між собою силами ядерного взаємодії.

Кількість протонів в ядрі атома визначає його атомним номером і то, якому елементу належить атом. Наприклад, атоми вуглецю містять 6 протонів. Всі атоми з певним атомним номером мають однакові фізичні характеристики і виявляють однакові хімічні властивості. У періодичній таблиці елементів перераховані в порядку зростання атомного номера.

Загальна кількість протонів і нейтронів в атомі елемента визначає його атомну масу, оскільки протон і нейтрон мають масу приблизно рівну 1 а.е.м .. Нейтрони в ядрі не впливають на те, яким елементу належить атом, але хімічний елемент може мати атоми з однаковим кількістю протонів і різною кількістю нейтронів. Такі атоми мають однаковий атомний номер, але різну атомну масу, і називаються ізотопами елементу. Коли пишуть назву ізотопу, після неї пишуть атомну масу. Наприклад, ізотоп вуглець-14 містить 6 протонів і 8 нейтронів, що в сумі становить атомну масу 14. Інший популярний метод нотації полягає в тому, що атомна маса позначається верхнім індексом перед символом елемента. Наприклад, вуглець-14 позначається, як 14C.

Атомна маса елемента приведена в періодичній таблиці є середнім значенням маси ізотопів зустрічаються в природі. Усереднення проводиться згідно поширеності ізотопу в природі.

Зі збільшенням атомного номера зростає позитивний заряд ядра, а, отже, кулоновское відштовхування між протонами. Щоб утримати протони разом необхідно все більше нейтронів. Однак велика кількість нейтронів нестабільна, і ця обставина накладає обмеження на можливий заряд ядра і число хімічних елементів, що існують в природі. Хімічні елементи з великими атомними номерами мають дуже малий час життя, можуть бути створені лише при бомбардуванні ядер легких елементів іонами, і спостерігаються лише під час експериментів з використанням прискорювачів. Станом на лютий 2008 важким синтезованим хімічним елементом є унуноктій

Багато ізотопів хімічних елементів нестабільні і розпадаються з часом. Це явище використовується радіоелементнім тест для визначення віку об`єктів має велике значення для археології та палеонтології.

модель Бора

Модель Бора - перша фізична модель, яка зуміла правильно описати оптичні спектри атома водню [2]. Після розвитку точних методів квантової механіки модель Бора має тільки історичне значення, але завдяки своїй простоті вона до сих пір широко викладається і використовується для якісного розуміння будови атома.

Модель Бора базується на планетарній моделі Резерфорда, що описує атом як маленьке позитивно заряджене ядро з негативно зарядженими електронами на орбітах на різних рівнях, що нагадує структуру сонячної системи. Резерфорд запропонував планетарну модель, щоб пояснити результати своїх експериментів з розсіювання альфа-частинок металевої фольгою. За планетарної моделлю атом складається з важкого ядра, навколо якого обертаються електрони. Але те, чим електрони, що обертаються навколо ядра, не падають по спіралі на нього, було незбагненним для тодішніх фізиків. Дійсно, згідно з класичною теорією електромагнетизму електрон, який обертається навколо ядра повинен випромінювати електромагнітні хвилі (світло), що призвело б до поступової втрати ним енергії і падіння на ядро. Тому, яким чином атом може взагалі існувати? Більш того, дослідження електромагнітного спектра атомів показали, що електрони в атомі можуть випромінювати світло тільки певної частоти.

Ці труднощі були подолані в моделі запропонованої Нільсом Бором в 1913, яка постулює, що:



Електрони можуть перебувати тільки на орбітах, що мають дискретні квантовані енергії. Тобто можливі не будь-які орбіти, а лише деякі специфічні. Точні значення енергій допустимих орбіт залежать від атома.
Закони класичної механіки не діють, коли електрони переходять з однієї допустимої орбіти на іншу.
Коли електрон переходить з однієї орбіти на іншу, різниця в енергії випромінюється (або поглинається) єдиним квантом світла (фотоном), частота якого безпосередньо залежить від енергетичної різниці між двома орбітами.

де - це частота фотона, E - різниця енергій, а h - константа пропорційності, також відома як постійна Планка.
Визначивши, що можна записати

де це кутова частота фотона.
Допустимі орбіти залежать від квантованих значень кутового орбітального моменту L, описувана рівнянням

де n = 1,2,3, ...
і називається квантовим числом кутового моменту.
Ці припущення дозволили пояснити результати тодішніх спостережень, наприклад, чому спектр складається з дискретних ліній. Припущення (4) стверджує, що найменше значення n - це 1. Відповідно, найменший допустимий радіус атома дорівнює 0,526 (0,0529 нм = 5,28 · 10-11 м). Це значення відомо як радіус Бора.

Іноді модель Бора називають Напівкласична, тому, що, хоча вона включає деякі ідеї квантової механіки, вона не є повним квантовомеханических описом атома водню. Однак модель Бора була значним кроком до створення такого опису.

При строгому квантовомеханічною описі атома водню рівні енергії знаходяться з рішення стаціонарного рівняння Шредінгера. Ці рівні характеризуються трьома зазначеними вище квантовими числами, формула для квантування кутового моменту інша, квантове число кутового моменту дорівнює нулю для сферичних s-орбіталей, одиниці для витягнутих гантелеобразную p-орбіталей і т.д. (Див. Малюнок угорі).

Енергія атома і його квантування

Значення енергії, які може мати атом, обчислюються і інтерпретуються, виходячи з положень квантової механіки. При цьому враховуються такі чинники, як електростатичне взаємодія електронів з ядром і електронів між собою, спини електронів, принцип тотожні частинки. У квантовій механіці стан, в якому знаходиться атом описується хвильової функцією, яку можна знайти з рішення рівняння Шредінгера. Існує певний набір станів, кожне з яких має певне значення енергії. Стан з найменшою енергією називається основним станом. Інші стани називаються збудженими. Атом перебуває в збудженому стані кінцеве час, випромінюючи рано чи пізно квант електромагнітного поля (фотон) і переходячи в основний стан. В основному стані атом може перебувати довго. Щоб збудитися, йому потрібна зовнішня енергія, яка може вступити до нього тільки з зовнішнього середовища. Атом випромінює або поглинає світло тільки певних частот, відповідних різниці енергій його станів.

Можливі стану атома індексуються квантовими числами, такими як спін, квантове число орбітального моменту, квантове число повного моменту. Детальніше про їх класифікації можна прочитати в статті електронні терм

Електронні оболонки складних атомів

Складні атоми мають десятки, а для дуже важких елементів, навіть сотні електронів. Відповідно до принципу тотожні частинки електронні стану атомів формуються всіма електронами, і неможливо визначити, де знаходиться кожен з них. Однак, в так званому одноелектронному наближенні, можна говорити про певні енергетичні стану окремих електронів.

Згідно з цими уявленнями існує певний набір орбіталей, які заповнюються електронами атома. Ці орбіталі утворюють певну електронну конфігурацію. На кожній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів (принцип заборони Паулі). Орбіталі групуються в оболонки, кожна з яких може мати лише певний фіксований число орбіталей (1, 4, 10 і т.д.). Орбіталі поділяють на внутрішні і зовнішні. В основному стані атома внутрішні оболонки повністю заповнені електронами.

На внутрішніх орбиталях електрони перебувають дуже близько до ядра і сильно до нього прив`язані. Щоб вирвати електрон з внутрішньої орбіталі потрібно надати йому велику енергію, до декількох тисяч електрон-вольт. Таку енергію електрон на внутрішній оболонці може отримати лише поглинувши квант рентгенівського випромінювання. Енергії внутрішніх оболонок атомів індивідуальні для кожного хімічного елемента, а тому по спектру рентгенівського поглинання можна ідентифікувати атом. Ця обставина використовують в рентгенівському аналізі.

На зовнішній оболонці електрони перебувають далеко від ядра. Саме ці електрони беруть участь у формуванні хімічних зв`язків, тому зовнішню оболонку називають валентної, а електрони зовнішньої оболонки валентними електронами.

Квантові переходи в атомі

Між різними станами атомів можливі переходи, викликані зовнішнім обуренням, частіше електромагнітним полем. Внаслідок квантування станів атома оптичні спектри атомів складаються з окремих ліній, якщо енергія кванта світла не перевищує енергію іонізації. При більш високих частотах оптичні спектри атомів стають безперервними. Імовірність порушення атома світлом падає з подальшим зростанням частоти, але різко зростає при певних характерних для кожного хімічного елемента частотах в рентгенівському діапазоні.

Збуджені атоми випромінюють кванти світла з тими ж частотами, на яких відбувається поглинання.

Переходи між різними станами атомів можуть викликатися також взаємодією з швидкими зарядженими частинками.

Хімічні та фізичні властивості атома

Хімічні властивості атома визначаються в основному валентними електронами - електронами на зовнішній оболонці. Кількість електронів на зовнішній оболонці визначає валентність атома.

Атоми останнього стовпчика періодичної таблиці елементів мають повністю заповнену зовнішню оболонку, а для переходу електрона на наступну оболонку потрібно надати атома дуже велику енергію. Тому ці атоми інертні, не схильні вступати в хімічні реакції. Інертні гази зріджуються і кристалізуються тільки при дуже низьких температурах.

Атоми першого стовпчика періодичної таблиці елементів мають на зовнішній оболонці один електрон, і є хімічно активними. Їх валентність дорівнює 1. Характерним типом хімічного зв`язку для цих атомів в кристалізованого стані є металевий зв`язок.

Атоми другого стовпчика періодичної таблиці в основному стані мають на зовнішній оболонці 2 s-електрони. Їх зовнішня оболонка заповнена, тому вони повинні бути інертними. Але для переходу з основного стану з конфігурацією електронної оболонки s2 в стан з конфігурацією s1p1 потрібно дуже мало енергії, тому ці атоми мають валентність 2, проте вони виявляють меншу активності.



Атоми третього стовпчика періодичної таблиці елементів мають в основному стані електронну конфігурацію s2p1. Вони можуть проявляти різну валентність: 1, 3, 5. Остання можливість виникає тоді, коли електронна оболонка атома доповнюється до 8 електронів і стає замкненою.

Атоми Четверта колонка періодичної таблиці елементів своєму мають валентність 4 (наприклад, вуглекислий газ CO2), хоча можлива і валентність 2 (наприклад, чадний газ CO). До цього стовпчика належить вуглець - елемент, який утворює найрізноманітніші хімічні сполуки. З`єднанням вуглецю присвячений особливий розділ хімії - органічна хімія. Інші елементи цього стовпчика - кремній, германій при звичайних умовах є твердотільними напівпровідниками.

Елементи п`ятої колонки мають валентність 3 або 5.

Елементами шостого стовпчика періодичної таблиці в основному стані мають конфігурацію s2p4 і загальний спін 1. Тому вони двовалентні. Існує також можливість переходу атома в збуджений стан s2p3s `зі спіном 2, в якому валентність дорівнює 4 або 6.

Елементам сьомий колонки періодичної таблиці не вистачає одного електрона на зовнішній оболонці для того, щоб її заповнити. Вони в основному одновалентні. Однак можуть вступати в хімічні сполуки в збуджених станах, проявляючи валентності 3,5,7.

Для перехідних елементів характерно заповнення зовнішньої s-оболонки, перш ніж повністю заповнюється d-оболонка. Тому вони в основному мають валентність 1 або 2, але в деяких випадках один з d-електронів бере участь в утворенні хімічних зв`язків, і валентність стає дорівнює трьом.

При утворенні хімічних сполук атомні орбіталі видозмінюються, деформуються і стають молекулярних орбіталей. При цьому відбувається процес гібридизації орбіталей - утворення нових орбіталей, як специфічної суми базових.

Історія поняття атом

Детальніше в статті атомистика
Поняття атом, як і саме слово, має давньогрецьке походження, хоча істинність гіпотези про існування атомів знайшла своє підтвердження лише в 20 столітті. Основною ідеєю, яка стояла за даним поняттям протягом усіх століть, було уявлення про світ як про набір величезної кількості неподільних елементів, які є дуже простими за своєю структурою і існують від початку часів.

Перші проповідники атомістичного навчання

Першим почав проповідувати атомистическое вчення в 5 столітті до нашої ери філософ Левкіпп. Потім естафету підхопив його учень Демокріт. Збереглися лише окремі фрагменти їх робіт, з яких стає ясно, що вони виходили з невеликої кількості досить абстрактних фізичних гіпотез:

«Солодкість і гіркота, спека і холод сенс визначення, на самому ж [лише] атоми і порожнеча».

За Демокрітом, вся природа складається з атомів, найдрібніших частинок речовини, які покояться або рухаються в абсолютно порожньому просторі. Всі атоми мають просту форму, а атоми одного сорту тождественни- різноманіття природи відображає різноманіття форм атомів і різноманіття способів, в які атоми можуть зчіплюватися між собою. І Демокріт, і Левкип вважали, що атоми, почавши рухатися, продовжують рухатися по законам природи.

Найбільш важким для древніх греків було питання про фізичної реальності основних понять атомізму. В якому сенсі можна було говорити про реальність пустоти, якщо вона, не маючи матерії, не може мати ніяких фізичних властивостей? Ідеї Левкіпа і Демокріта не могли служити задовільною основою теорії речовини в фізичному плані, оскільки не пояснювали, нема з чого складаються атоми, ні чому атоми неподільні.

Через покоління після Демокрита, Платон запропонував своє рішення цієї проблеми: «найдрібніші частинки належать не царству матерії, а царству геометріі- вони являють собою різні тілесні геометричні фігури, обмежені плоскими трикутниками».

Поняття атома в індійській філософії

Через тисячу років абстрактні міркування стародавніх греків проникли в Індію і були сприйняті деякими школами індійської філософії. Але якщо західна філософія вважала, що атомістична теорія повинна стати конкретною і об`єктивною основою теорії матеріального світу, індійська філософія завжди сприймала матеріальний світ як ілюзію. Коли атомізм з`явився в Індії, він прийняв форму теорії, згідно з якою реальність в світі має процес, а не субстанція, і що ми присутні в світі як ланки процесу, а не як згустки речовини.

Тобто і Платон, і індійські філософи вважали приблизно так: якщо природа складається з дрібних, але кінцевих за розмірами, часткою, то чому їх не можна розділити, хоча б в уяві, на ще більш дрібні частинки, які стали предметом подальшого розгляду?

Атомістична теорія в римській науці

Римський поет Лукрецій (96 - 55 роки до н.е.) був одним з небагатьох римлян, які проявляли інтерес до чистої науки. У своїй поемі Про природу речей (De rerum natura) він детально вибудував факти, що свідчать на користь атомістичної теорії. Наприклад, вітер, що дме з великою силою, хоча ніхто не може його бачити, напевно складається з частинок, витік щоб їх розгледіти. Ми можемо відчувати речі на відстані по запаху, звуку і тепла, які поширюються, залишаючись невидимими.

Лукрецій пов`язує властивості речей з властивостями їх складових, тобто атомів: атоми рідини малі і мають округлу форму, тому рідина тече так легко і просочується через пористу речовину, тоді як атоми твердих речовин мають гачки, якими вони зчеплені між собою. Так само і різні смакові відчуття і звуки різної гучності складаються з атомів відповідних форм - від простих і гармонійних до звивистих і нерегулярних.

Але вчення Лукреція були засуджені церквою, оскільки він дав досить матеріалістичну їх інтерпретацію: наприклад, уявлення про те, що Бог, запустивши один раз атомний механізм, більш не втручається в його роботу, або те, що душа вмирає разом з тілом.

Перші теорії про будову атома

Одна з перших теорій про будову атома, яка має вже сучасні обриси, була описана Галілеєм (1564-1642). За його теорії речовина складається з частинок, які не перебувають в стані спокою, а під впливом тепла рухаються в усі сторони-тепло - є нічим іншим як рухом частинок. Структура частинок є складною, і якщо позбавити будь-яку частину її матеріальної оболонки, то зсередини бризне світло. Галілей був першим, хто, хоча і в фантастичній формі, представив будова атома.

наукові основи

У 19 столітті Джон Дальтон отримав свідоцтво існування атомів, але припускав, що вони неподільні. Ернест Резерфорд показав експериментально, що атом складається з ядра, оточеного негативно зарядженими частинками - електронами.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!