Svijet je lijep. Pogledajte što je "atom" u drugim rječnicima

Veličina atoma je određen radijusom njegove vanjske elektronske ljuske. Dimenzije svih atoma su ~ 10 -10 m, a veličina jezgre je 5 redova veličine manja, samo 10 -15 m. katnice, tada će jezgra atoma izgledati kao milimetarska zrnca prašine u središnjoj prostoriji ove kuće. Međutim, teško je zamisliti kuću čija je masa gotovo cijela koncentrirana u ovom zrnu prašine. A atom je upravo to.

Atomi su vrlo mali i vrlo lagani. Atom je toliko puta lakši od jabuke, koliko je puta jabuka lakša Globus. Ako svijet “postane teži” tako da atom bude težak kao kap vode, onda će ljudi u takvom svijetu postati teški poput planeta: djeca poput Merkura i Marsa, a odrasli poput Venere i Zemlje.

Atom je nemoguće ispitati čak ni mikroskopom. Najbolji optički mikroskopi omogućuju vam razlikovanje detalja predmeta ako je udaljenost između njih ~0,2 µm. U elektronskom mikroskopu ta je udaljenost smanjena na ~2-3 Å. Po prvi put je bilo moguće razlikovati i fotografirati pojedinačne atome pomoću ionskog projektora. Ali nitko nije vidio kako atom radi unutra. Svi podaci o strukturi atoma dobiveni su iz pokusa raspršenja čestica.

Težina atomska jezgra nekoliko tisuća puta veća od mase svoje elektronske ljuske. To je zbog činjenice da se jezgre atoma sastoje od vrlo teških čestica, u usporedbi s elektronima, zvanih protoni. str i neutroni n. Njihove su mase gotovo identične i približno 2000 puta veće od mase elektrona. pri čemu proton je pozitivno nabijena čestica, i neutron- neutralan. Naboj protona jednak je po veličini naboju elektrona. Broj protona u jezgri jednak je broju elektrona u ljusci, što osigurava električnu neutralnost atoma. Broj neutrona može biti različit; u jezgri lakog vodikovog atoma uopće nema neutrona, ali u jezgri atoma ugljika može ih biti 6, 7 ili 8.

Masa elektronam e ≈ 0,91. 10 -30 kg, masa protonam str≈ 1.673. 10 -27 kg = 1836m e , masa neutronam n = 1,675. 10 -27 kg≈ 1840 m e.

Atomska masa manji od iznosa mase jezgre i elektrona iznosom Δm, nazvao defekt mase, koja nastaje zbog Coulombove interakcije između jezgre i elektrona. Defekt mase atoma (za razliku od jezgri) je vrlo mali, i iako se povećava s povećanjem Z niti jedan atom ne premašuje masu elektrona. Materijal sa stranice

Naravno, atom se ne može staviti na vagu i izvagati; on je premalen. Mase atoma prvi su odredili kemičari. Štoviše, mjerili su ih u relativnim jedinicama, uzimajući masu atoma vodika kao jednu i koristeći Daltonov zakon, prema kojem kemijske tvari nastaju spajanjem atoma kemijskih elemenata u strogo određenom omjeru. I sada se mase atoma najčešće mjere u relativnim jedinicama, ali se kao atomska jedinica mase (amu) koristi 1/12 mase atoma ugljika C 12.1 a. e.m. = 1,66057. 10 -27 kg.

Atom je jedinstvena čestica svemira. Ovaj će članak pokušati prenijeti čitatelju informacije o ovom elementu materije. Ovdje ćemo razmotriti sljedeća pitanja: koliki je promjer atoma i njegove dimenzije, koje kvalitativne parametre ima, koja je njegova uloga u Svemiru.

Uvod u atom

Atom je složena čestica tvari mikroskopske veličine i mase. Ovo je najmanji dio elemenata kemijske prirode nevjerojatno male veličine i mase.

Atomi su građeni od dvije osnovne konstruktivni elementi, naime od elektrona i atomske jezgre, koju pak tvore protoni i neutroni. Broj protona može se razlikovati od broja neutrona. I u kemiji i u fizici, atomi u kojima je broj protona usporediv s brojem elektrona nazivaju se električki neutralnim. Ako je broj protona veći ili manji, tada atom, dobivajući pozitivan ili negativan naboj, postaje ion.

Atomi i molekule u fizici dugo vremena smatrale su se najmanjim “građevnim blokovima” od kojih je sazdan Svemir, a čak i nakon otkrića još manjih sastavne komponente ostati među najvažnija otkrića u povijesti čovječanstva. Atomi povezani međuatomskim vezama tvore molekule. Glavnina mase atoma koncentrirana je u jezgri, odnosno u težini njegovih protona, koji čine oko 99,9% ukupne vrijednosti.

Povijesni podaci

Zahvaljujući dostignućima znanosti na području fizike i kemije, došlo se do mnogih otkrića o prirodi atoma, njegovoj strukturi i mogućnostima. Provedeni su brojni eksperimenti i izračuni, tijekom kojih je osoba mogla odgovoriti na sljedeća pitanja: koliki je promjer atoma, njegova veličina i još mnogo toga.

Prvi su ga otkrili i formulirali filozofi drevna grčka i Rim. U 17.-18. stoljeću kemičari su eksperimentima mogli dokazati ideju o atomu kao najmanjoj čestici materije. Pokazali su da se mnoge tvari mogu razgraditi uzastopnim korištenjem kemijske metode. No kasnija otkrića fizičara pokazala su da se i atom može podijeliti, a građen je od subatomskih komponenti.

Međunarodni kongres kemijskih znanstvenika u Karlsruheu, koji se nalazi u Njemačkoj, 1860. godine odlučio je o konceptu atoma i molekula, gdje se atom smatra najmanjim dijelom kemijskih elemenata. Posljedično, također je dio tvari jednostavnih i složenih vrsta.

Promjer atoma vodika bio je jedan od prvih koji je proučavan. Međutim, njegovi izračuni rađeni su mnogo puta, a posljednji od njih, objavljen 2010. godine, pokazao je da je to 4% manje nego što se pretpostavljalo (10 -8). Indeks ukupne veličine atomske jezgre odgovara broju 10 -13 -10 -12, a red veličine cijelog promjera je 10 -8. To je izazvalo mnoge proturječnosti i probleme, budući da sam vodik s pravom pripada glavnom komponente cijeli vidljivi svemir, a takva nedosljednost tjera na mnoga ponovna izračunavanja u odnosu na temeljne izjave.

Atom i njegov model

Trenutno je poznato pet glavnih modela atoma, koji se međusobno razlikuju, prije svega, u vremenskom okviru i idejama o njegovoj strukturi. Pogledajmo izravno modele:

• Komadići koji čine bitni su. Demokrit je vjerovao da svako svojstvo tvari treba biti određeno njegovim oblikom, masom i drugim nizom praktičnih karakteristika. Na primjer, vatra može gorjeti jer su njeni atomi oštri. Prema Demokritu, čak je i duša sastavljena od atoma.
• Thomsonov atomski model, koji je 1904. stvorio sam J. J. Thomson. Predložio je da se atom može uzeti kao pozitivno nabijeno tijelo sadržano unutar elektrona.
• Nagaokin rani planetarni atomski model, stvoren 1904., vjerovao je da je atomska struktura slična onoj Saturna. Jezgra je male veličine i ima pozitivan indeks naboja, okružena elektronima koji se kreću oko prstenova.
• Planetarni model atoma koji su otkrili Bohr i Rutherford. Godine 1911. E. Rutherford je nakon dirig cijela linija eksperimentima, počeo vjerovati da je atom sličan planetarnom sustavu, gdje elektroni imaju orbite u kojima se kreću oko jezgre. Međutim, ta je pretpostavka bila u suprotnosti s podacima klasične elektrodinamike. Da bi dokazao valjanost ove teorije, Niels Bohr je uveo koncept postulata koji tvrde i pokazuju da elektron ne treba trošiti energiju, jer se nalazi u određenom, posebnom energetskom stanju. Proučavanje atoma kasnije je dovelo do pojave kvantna mehanika, koji je mogao objasniti mnoge proturječnosti koje su se mogle uočiti.
• Kvantno-mehanički atomski model kaže da se središnja jezgra dotične čestice sastoji od jezgre formirane od protona, kao i neutrona i elektrona koji se kreću oko nje.

Strukturne značajke

Veličina atoma prethodno je odredila da se radi o nedjeljivoj čestici. Međutim, mnoga iskustva i pokusi su nam pokazali da je izgrađen od subatomske čestice. Svaki atom sastoji se od elektrona, protona i neutrona, s izuzetkom vodika - 1, koji ne uključuje potonji.

Standardni model pokazuje da protoni i neutroni nastaju kroz interakcije između kvarkova. Oni pripadaju fermionima, zajedno s leptonima. Trenutno postoji 6 vrsta kvarkova. Protoni svoj nastanak zahvaljuju dvama u-kvarkovima i jednom d-kvarku, a neutroni - jednom u-kvarku i dva d-kvarka. Nuklearna interakcija jaki tip koji veže kvarkove prenosi se pomoću gluona.

Kretanje elektrona u atomskom prostoru određeno je njihovom “željom” da budu bliže jezgri, drugim riječima, da budu privučeni, kao i Coulombovim silama međudjelovanja među njima. Te iste vrste sila drže svaki elektron u potencijalnoj barijeri koja okružuje jezgru. Orbita gibanja elektrona određuje promjer atoma, koji je jednak ravnoj liniji koja prolazi iz jedne točke kruga u drugu, kao i kroz središte.

Atom ima svoj spin, koji je predstavljen njegovim vlastitim zamahom i nalazi se izvan razumijevanja opća priroda materija. Opisano korištenjem kvantne mehanike.

Dimenzije i težina

Svaka atomska jezgra s istim brojem protona pripada zajedničkom kemijskom elementu. Izotopi uključuju predstavnike atoma istog elementa, ali imaju razliku u količini neutrona.

Budući da u fizici struktura atoma pokazuje da najveći dio njihove mase čine protoni i neutroni, ukupna količina tih čestica je maseni broj. Izraz atomska masa u stanju smirenosti događa se korištenjem jedinica atomske mase (a.m.u.), koje se inače nazivaju daltoni (Da).

Veličina atoma nema jasno definirane granice. Stoga se određuje mjerenjem udaljenosti između jezgri iste vrste atoma koje su međusobno kemijski povezane. Druga metoda mjerenja moguća je izračunavanjem trajanja puta od jezgre do sljedeće dostupne elektronske orbite stabilnog tipa. Elementi D.I. Mendeljejeva raspoređuju atome po veličini, od najmanjeg prema najvećem, u smjeru stupca odozgo prema dolje, kretanje slijeva nadesno također se temelji na smanjenju njihove veličine.

Vrijeme raspadanja

Sve kem. elementi imaju izotope jedan i više. Sadrže nestabilnu jezgru koja je podložna radioaktivnom raspadu, što rezultira emisijom čestica ili elektromagnetska radijacija. Radioaktivan je izotop čiji radijus jake interakcije prelazi najudaljenije točke njegovog promjera. Ako uzmemo u obzir primjer auruma, tada će izotop biti atom Au, izvan čijeg promjera čestice koje zrače "lete" u svim smjerovima. U početku, promjer atoma zlata odgovara vrijednosti dva radijusa, od kojih je svaki jednak 144 pc, a čestice koje se protežu dalje od te udaljenosti od jezgre smatrat će se izotopima. Postoje tri vrste raspada: alfa, beta i gama zračenje.

Pojam valencije i prisutnost energetskih razina

Već smo se upoznali s odgovorima na takva pitanja: koliki je promjer atoma, njegova veličina, upoznali smo se s pojmom atomskog raspada itd. No, osim toga, postoje i takve karakteristike atoma kao veličina energetskih razina i valencije.

Elektroni koji se kreću oko atomske jezgre imaju potencijalnu energiju i nalaze se u vezanom stanju, nalaze se na pobuđenoj razini. Prema kvantnom modelu, elektron zauzima samo diskretan broj energetskih razina.

Valencija je opća sposobnost atoma koji imaju elektronsku ljusku slobodno mjesto, uspostavite veze kemijski tip s drugim atomskim jedinicama. Uspostavljanjem kemijskih veza atomi pokušavaju ispuniti svoj sloj vanjske valentne ljuske.

Ionizacija

Kao rezultat utjecaja visoke vrijednosti napona na atom, može doći do nepovratne deformacije, što je popraćeno elektronskim odvajanjem.

To rezultira ionizacijom atoma, tijekom koje oni odustaju od elektrona i prelaze iz stabilnog stanja u ione s pozitivnim nabojem, inače poznate kao kationi. Ovaj proces zahtijeva određenu energiju, koja se naziva ionizacijski potencijal.

Sumirati

Proučavanje pitanja o strukturi, značajkama interakcije, kvalitativnim parametrima, koliki je promjer atoma i koje dimenzije ima, sve je to omogućilo ljudskom umu da obavlja nevjerojatan rad, pomažući da bolje razumijemo i razumijemo strukturu sve materije oko nas . Ta ista pitanja omogućila su čovjeku da otkrije koncepte elektronegativnosti atoma, njegovu raspršenu privlačnost, mogućnosti valencije i odredi trajanje radioaktivni raspad i mnogo više.

DEFINICIJA

Atom– najmanja kemijska čestica.

Raznolikost kemijskih spojeva posljedica je razne kombinacije atome kemijskih elemenata u molekule i nemolekulske tvari. Sposobnost atoma da uđe u kemijski spojevi, njegova kemijska i fizikalna svojstva određena su strukturom atoma. U tom smislu, za kemiju je od iznimne važnosti unutarnja struktura atoma i prije svega strukturu njegove elektronske ljuske.

Modeli strukture atoma

Početkom 19. stoljeća D. Dalton obnavlja atomsku teoriju, oslanjajući se na tada poznate temeljne zakone kemije ( dosljednost sastava, višestruki omjeri i ekvivalenti). Provedeni su prvi pokusi proučavanja strukture tvari. No, unatoč učinjenim otkrićima (atomi istog elementa imaju ista svojstva, a atomi drugih elemenata imaju različita svojstva, uveden je pojam atomske mase), atom se smatrao nedjeljivim.

Nakon dobivanja eksperimentalnih dokaza (kraj XIX početak XX. st.) složenost strukture atoma (fotoelektrični efekt, katodno i rendgensko zračenje, radioaktivnost) utvrđeno je da se atom sastoji od negativno i pozitivno nabijenih čestica koje međusobno djeluju.

Ta su otkrića dala poticaj stvaranju prvih modela strukture atoma. Predložen je jedan od prvih modela J. Thomson(1904.) (Sl. 1): atom je zamišljan kao “more pozitivnog elektriciteta” s elektronima koji osciliraju u njemu.

Nakon pokusa s α-česticama, 1911. god. Rutherford je predložio tzv planetarni model atomska struktura (sl. 1), slična strukturi Sunčev sustav. Prema planetarnom modelu, u središtu atoma nalazi se vrlo mala jezgra s nabojem Z e, čija je veličina otprilike 1.000.000 puta veća od manje veličine sam atom. Jezgra sadrži gotovo cijelu masu atoma i ima pozitivan naboj. Elektroni se kreću po orbitama oko jezgre, čiji je broj određen nabojem jezgre. Vanjska putanja gibanja elektrona određuje vanjske dimenzije atom. Promjer atoma je 10 -8 cm, dok je promjer jezgre znatno manji -10 -12 cm.

Riža. 1 Modeli strukture atoma prema Thomsonu i Rutherfordu

Eksperimenti proučavanja atomskih spektara pokazali su nesavršenost planetarni model strukturu atoma, jer ovaj model proturječi linijskoj strukturi atomskih spektara. Na temelju Rutherfordovog modela, Einsteinova učenja o svjetlosnim kvantima i kvantna teorija zračenje planck Niels Bohr (1913.) formuliran postulate, koji se sastoji teorija strukture atoma(Sl. 2): elektron se može vrtjeti oko jezgre ne u bilo kojoj, već samo u određenim orbitama (stacionarno), krećući se po takvoj orbiti on ne zrači elektromagnetska energija, zračenje (apsorpcija ili emisija kvanta elektromagnetske energije) nastaje tijekom prijelaza (skoka) elektrona iz jedne orbite u drugu.

Riža. 2. Model strukture atoma prema N. Bohru

Nakupljeni eksperimentalni materijal koji karakterizira strukturu atoma pokazao je da se svojstva elektrona, kao i drugih mikroobjekata, ne mogu opisati na temelju pojmova klasične mehanike. Mikročestice se pokoravaju zakonima kvantne mehanike, koja je postala osnova za stvaranje moderan model atomska struktura.

Glavne teze kvantne mehanike:

- energiju odašilju i apsorbiraju tijela u odvojenim dijelovima - kvantima, pa se energija čestica naglo mijenja;

- elektroni i druge mikročestice imaju dvojaku prirodu - pokazuju svojstva i čestica i valova (valno-čestični dualitet);

— kvantna mehanika negira postojanje određenih orbita za mikročestice (za pokretne elektrone nemoguće je odrediti točan položaj, budući da se kreću u prostoru blizu jezgre, možete samo odrediti vjerojatnost pronalaska elektrona u različitim dijelovima prostora).

Prostor u blizini jezgre u kojem je vjerojatnost pronalaska elektrona prilično velika (90%) naziva se orbitalni.

Kvantni brojevi. Paulijevo načelo. Pravila Klečkovskog

Stanje elektrona u atomu može se opisati pomoću četiri kvantni brojevi.

n– glavni kvantni broj. Karakterizira ukupnu rezervu energije elektrona u atomu i broj energetske razine. n poprima cjelobrojne vrijednosti od 1 do ∞. Elektron ima najmanju energiju kada je n=1; s porastom n – energije. Stanje atoma kada su njegovi elektroni na takvim energetskim razinama da je njihova ukupna energija minimalna naziva se osnovnim stanjem. Stanja s višim vrijednostima nazivaju se uzbuđena. Prikazane su razine energije arapski brojevi prema vrijednosti n. Elektroni se mogu rasporediti u sedam razina, stoga n zapravo postoji od 1 do 7. Glavni kvantni broj određuje veličinu elektronskog oblaka i određuje prosječni radijus elektrona u atomu.

l– orbitalni kvantni broj. Karakterizira rezervu energije elektrona u podrazini i oblik orbitale (tablica 1). Prihvaća cjelobrojne vrijednosti od 0 do n-1. l ovisi o n. Ako je n=1, onda je l=0, što znači da na 1. razini postoji 1. podrazina.

m e– magnetski kvantni broj. Karakterizira orijentaciju orbite u prostoru. Prihvaća cjelobrojne vrijednosti od –l do 0 do +l. Dakle, kada je l=1 (p-orbitala), m e poprima vrijednosti -1, 0, 1 i orijentacija orbitale može biti različita (slika 3).

Riža. 3. Jedna od mogućih orijentacija p-orbitale u prostoru

s– spinski kvantni broj. Karakterizira vlastitu rotaciju elektrona oko svoje osi. Prihvaća vrijednosti -1/2(↓) i +1/2(). Dva elektrona u istoj orbitali imaju antiparalelne spinove.

Određuje se stanje elektrona u atomima Paulijevo načelo: atom ne može imati dva elektrona s istim skupom svih kvantnih brojeva. Određuje se slijed popunjavanja orbitala elektronima Pravila Klečkovskog: orbitale su popunjene elektronima u rastućem redoslijedu zbroja (n+l) za te orbitale, ako je zbroj (n+l) isti, tada se prvo popunjava orbitala s manjom vrijednošću n.

Međutim, atom obično ne sadrži jedan, već nekoliko elektrona, a kako bi se uzela u obzir njihova međusobna interakcija, koristi se koncept efektivnog nuklearnog naboja - elektron na vanjskoj razini podložan je naboju koji je manji od naboja jezgre, uslijed čega unutarnji elektroni zaklanjaju vanjske.

Osnovne karakteristike atoma: atomski radijus (kovalentni, metalni, van der Waalsov, ionski), afinitet prema elektronu, potencijal ionizacije, magnetski moment.

Elektroničke formule atoma

Svi elektroni atoma čine njegovu elektronsku ljusku. Prikazana je struktura elektronske ljuske elektronska formula, koji pokazuje distribuciju elektrona po energetskim razinama i podrazinama. Broj elektrona u podrazini označen je brojem koji je upisan gore desno od slova koje označava podrazinu. Na primjer, atom vodika ima jedan elektron, koji se nalazi u s-podrazini 1. energetske razine: 1s 1. Elektronska formula helija koji sadrži dva elektrona napisana je na sljedeći način: 1s 2.

Za elemente druge periode elektroni ispunjavaju 2. energetsku razinu koja ne može sadržavati više od 8 elektrona. Prvo, elektroni ispunjavaju s-podrazinu, zatim p-podrazinu. Na primjer:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Odnos između elektroničke strukture atoma i položaja elementa u periodnom sustavu elemenata

Elektronička formula elementa određena je njegovim položajem u periodnom sustavu D.I. Mendeljejev. Dakle, broj perioda odgovara U elementima druge periode, elektroni ispunjavaju 2. energetsku razinu, koja ne može sadržavati više od 8 elektrona. Prvo, elektroni ispunjavaju U elementima druge periode, elektroni ispunjavaju 2. energetsku razinu, koja ne može sadržavati više od 8 elektrona. Prvo, elektroni ispunjavaju s-podrazinu, zatim p-podrazinu. Na primjer:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

U atomima nekih elemenata uočava se fenomen "skoka" elektrona s vanjske energetske razine na pretposljednju. Curenje elektrona događa se u atomima bakra, kroma, paladija i nekih drugih elemenata. Na primjer:

24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1

energetska razina koja ne može sadržavati više od 8 elektrona. Prvo, elektroni ispunjavaju s-podrazinu, zatim p-podrazinu. Na primjer:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Broj skupine za elemente glavnih podskupina jednak je broju elektrona na vanjskoj energetskoj razini; takvi se elektroni nazivaju valentnim elektronima (oni sudjeluju u formiranju kemijska veza). Valentni elektroni za elemente pobočnih podskupina mogu biti elektroni vanjske energetske razine i d-podrazine pretposljednje razine. Grupni broj elemenata sekundarnih podskupina grupa III-VII, kao i za Fe, Ru, Os odgovara ukupni broj elektroni u s-podrazini vanjske energetske razine i d-podrazini pretposljednje razine

Zadaci:

Nacrtajte elektronske formule atoma fosfora, rubidija i cirkonija. Navedite valentne elektrone.

Odgovor:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Valentni elektroni 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Valentni elektroni 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Valentni elektroni 4d 2 5s 2

Pogledajmo drugu primjenu načela nesigurnosti (38.3), ali nemojte ovaj izračun shvatiti previše doslovno; opća ideja je točna, ali analiza nije napravljena vrlo pažljivo. Ova se ideja odnosi na određivanje veličine atoma; uostalom, prema klasičnim pogledima, elektroni bi trebali emitirati svjetlost i, vrteći se u spirali, pasti na površinu jezgre. No prema kvantnoj mehanici to je nemoguće, jer bismo inače znali gdje je elektron završio i koliko se brzo vrtio.

Recimo da postoji atom vodika i mjerimo položaj elektrona; ne smijemo moći točno predvidjeti gdje će završiti, inače će širenje zamaha postati beskonačno. Svaki put kad pogledamo elektron, on negdje završi; ima amplitudu vjerojatnosti da će biti na različitim mjestima, tako da postoji vjerojatnost da će se pronaći bilo gdje. Međutim, ne moraju sva ta mjesta biti blizu same jezgre; Pretpostavimo da postoji rasprostranjenost udaljenosti reda veličine , tj. udaljenost od jezgre do elektrona približno je u prosjeku jednaka . Odredimo , zahtijevajući da ukupna energija atoma bude minimalna.

Raspon impulsa, u skladu s odnosom nesigurnosti, trebao bi biti približno jednak ; Stoga, pokušavajući nekako izmjeriti impuls elektrona (na primjer, raspršivanjem fotona na njemu i promatranjem Dopplerovog efekta iz pokretnog raspršivača), nećemo primati nulu cijelo vrijeme (elektron ne miruje), ali mi dobit će zamah reda veličine . Kinetička energija elektrona bit će približno jednaka. (Ono što sada radimo je, u određenom smislu, dimenzionalna analiza: procjenjujemo kako kinetička energija može ovisiti o Planckovoj konstanti, masi i veličini atoma. Odgovor se dobiva do numeričkih faktora kao što su ; itd. Čak nismo ni pravilno definirali .) Nadalje, potencijalna energija jednako kvocijentu minusa na udaljenosti od središta, recimo, (kao što se sjećamo, ovo je kvadrat naboja elektrona podijeljen s ). Sada pogledajte: kada se smanjuje, potencijalna energija također opada, ali što je manje, to je veći impuls koji zahtijeva načelo nesigurnosti i veći kinetička energija. Ukupna energija je

(38.10)

Ne znamo koliko je jednako , ali znamo da je atom, osiguravajući svoje postojanje, prisiljen napraviti kompromis kako bi njegova ukupna energija bila što niža. Da bismo pronašli minimum, diferenciramo ga u odnosu na , zahtijevamo da derivacija bude jednaka nuli i pronalazimo . Derivacija je jednaka

(38.11)

Jednadžba daje količinu

(38.12)

Ta se udaljenost naziva Bohrov radijus, a vidimo da su dimenzije atoma reda veličine angstroma. Broj se pokazao točnim. To je jako dobro, čak je iznenađujuće dobro, jer do sada nismo imali nikakva teorijska razmatranja o veličini atoma. S klasičnog gledišta, atomi su jednostavno nemogući: elektroni moraju pasti na jezgre. Zamjenom formule (38.12) u (38.10), nalazimo energiju. Ispada da je ravnopravna

(38.(3)

Što znači negativna energija? A činjenica je da kada je elektron u atomu, ima manje energije nego kada je slobodan. Drugim riječima, u atomu je vezan. I potrebna je energija da se to istrgne iz atoma; potrebna je energija za ionizaciju atoma vodika. Moguće je, naravno, da će za to biti potrebno dva ili tri puta više energije, ili puta manje, jer su naši proračuni bili vrlo traljavi. No, prevarili smo se i odabrali sve konstante tako da je rezultat bio apsolutno točan! Ta se količina naziva Rydbergova energija; To je energija ionizacije vodika.

Tek sada postaje jasno zašto ne propadamo kroz pod. Kad hodamo, sva masa atoma naših cipela odbija se od poda, od cjelokupne mase njegovih atoma. Atomi se zgnječe, elektroni su prisiljeni nagurati se u manji volumen, a prema principu neodređenosti njihov zamah u prosjeku raste, a povećanje zamaha znači povećanje energije. Otpor atoma na kompresiju nije klasični, već kvantno mehanički učinak. Prema klasičnim konceptima, moglo bi se očekivati ​​da će se energija smanjivati ​​kako se elektroni i protoni približavaju; Najpovoljniji raspored pozitivnih i negativnih naboja u klasičnoj fizici je kada oni sjede jedan na drugom. To je bilo dobro poznato klasičnoj fizici i predstavljalo je misterij: atomi su još uvijek postojali! Naravno, znanstvenici su se i tada dosjetili različiti putevi izlaz iz mrtve točke, ispravan (nadajmo se!) put je postao poznat samo nama!

Usput, kada ima puno elektrona oko jezgre, oni se također pokušavaju držati podalje jedni od drugih. Razlog tome vam još nije jasan, ali je činjenica da ako jedan elektron zauzima određeno mjesto, onda drugi više neće zauzimati to mjesto. Točnije, zbog postojanja dva smjera spina, ti elektroni mogu sjediti jedan na drugom i vrtiti se: jedan u jednom smjeru, drugi u drugom. Ali na ovo mjesto nećete moći smjestiti treću osobu. Morate ih staviti na nova mjesta, i to je što pravi razlog da tvar ima elastičnost. Kad bi bilo moguće staviti sve elektrone na jedno mjesto, materija bi bila još gušća nego inače. I upravo zato što elektroni ne mogu sjediti jedni na drugima, postoje stolovi i drugi čvrsti predmeti.

Prirodno je dakle, da se, želeći razumjeti svojstva tvari, mora koristiti kvantna mehanika; klasično očito nije dovoljno za to.

Proučavajući prolazak alfa čestice kroz tanku zlatnu foliju (vidi odjeljak 6.2), E. Rutherford je došao do zaključka da se atom sastoji od teške pozitivno nabijene jezgre i elektrona koji je okružuju.

Jezgra naziva središnjim dijelom atoma,u kojem je koncentrirana gotovo cjelokupna masa atoma i njegov pozitivni naboj.

U sastav atomske jezgre uključeno elementarne čestice : protoni I neutroni (nukleoni od latinske riječi jezgra- jezgra). Takav proton-neutronski model jezgre predložio je sovjetski fizičar 1932. godine D.D. Ivanenko. Proton ima pozitivan naboj e + = 1,06 10 –19 C i masu mirovanja m str= 1,673·10 –27 kg = 1836 m e. neutron ( n) – neutralna čestica s masom mirovanja m n= 1,675·10 –27 kg = 1839 m e(gdje je masa elektrona m e, jednako 0,91·10 –31 kg). Na sl. 9.1 prikazuje strukturu atoma helija prema idejama s kraja XX. početak XXI V.

Naboj jezgre jednaki Ze, Gdje e– naboj protona, Z– broj naplate, jednako serijski broj kemijski element V periodni sustav elemenata Mendeljejevljevi elementi, t.j. broj protona u jezgri. Označava se broj neutrona u jezgri N. Obično Z > N.

Trenutno poznate jezgre s Z= 1 prema Z = 107 – 118.

Broj nukleona u jezgri A = Z + N nazvao maseni broj . Jezgre s istim Z, ali drugačije A se zovu izotopi. Jezgre koje, s istim A imati različite Z, se zovu izobare.

Jezgra je označena istim simbolom kao neutralni atom, gdje x– simbol kemijskog elementa. Na primjer: vodik Z= 1 ima tri izotopa: – protij ( Z = 1, N= 0), – deuterij ( Z = 1, N= 1), – tricij ( Z = 1, N= 2), kositar ima 10 izotopa itd. U velikoj većini izotopi jednog kemijskog elementa imaju isti kemijski ili sličan fizička svojstva. Ukupno je poznato oko 300 stabilnih izotopa i više od 2000 prirodnih i umjetno dobivenih. radioaktivni izotopi.

Veličinu jezgre karakterizira radijus jezgre, koji ima konvencionalno značenje zbog zamagljenosti granice jezgre. Čak je i E. Rutherford, analizirajući svoje pokuse, pokazao da je veličina jezgre približno 10–15 m (veličina atoma je 10–10 m). Postoji empirijska formula za izračunavanje polumjera jezgre:

Gdje R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m To pokazuje da je volumen jezgre proporcionalan broju nukleona.

Gustoća nuklearne tvari je reda veličine 10 17 kg/m 3 i konstantna je za sve jezgre. Značajno premašuje gustoće najgušćih običnih tvari.

Protoni i neutroni su fermioni, jer imati vrtnju ħ /2.

Jezgra atoma ima intrinzični kutni moment – nuklearni spin :

,

(9.1.2)

Gdje ja – unutarnje(potpuna)spinski kvantni broj.

Broj ja prihvaća cjelobrojne ili polucijele vrijednosti 0, 1/2, 1, 3/2, 2 itd. Jezgre sa čak A imati cjelobrojni spin(u jedinicama ħ ) i poštivati ​​statistiku Bose–Einstein(bozoni). Jezgre sa neparan A imati polucijeli spin(u jedinicama ħ ) i poštivati ​​statistiku Fermi–Dirac(oni. jezgre – fermioni).

Nuklearne čestice imaju svoje magnetske momente, koji određuju magnetski moment jezgre u cjelini. Mjerna jedinica za magnetske momente jezgri je nuklearni magneton μ otrov:

Ovdje e – apsolutna vrijednost naboj elektrona, m str– masa protona.

Nuklearni magneton u m str/m e= 1836,5 puta manje od Bohrovog magnetona, slijedi to određuju se magnetska svojstva atoma magnetska svojstva njegove elektrone .

Postoji odnos između spina jezgre i njenog magnetskog momenta:

gdje je γ otrov – nuklearni žiromagnetski omjer.

Neutron ima negativan magnetski moment μ n≈ – 1,913μ otrov jer su smjer vrtnje neutrona i njegov magnetski moment suprotni. Magnetski moment protona je pozitivan i jednak μ R≈ 2,793μ otrov. Smjer mu se poklapa sa smjerom vrtnje protona.

Distribucija električno punjenje protoni duž jezgre općenito su asimetrični. Mjera odstupanja ove distribucije od sferno simetrične je četveropol električni moment jezgre Q. Ako se pretpostavi da je gustoća naboja posvuda ista, onda Q određena samo oblikom jezgre. Dakle, za elipsoid revolucije

,

(9.1.5)

Gdje b– poluos elipsoida duž smjera vrtnje, A– poluos u okomitom smjeru. Za jezgru izduženu duž smjera vrtnje, b > A I Q> 0. Za jezgru spljoštenu u ovom smjeru, b < a I Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a I Q= 0. To vrijedi za jezgre sa spinom jednakim 0 ili ħ /2.

Za pregled demonstracija kliknite na odgovarajuću hipervezu: