Świat jest cudowny. Zobacz, co „atom” znajduje się w innych słownikach

Rozmiar atomu określony przez promień zewnętrznej powłoki elektronowej. Wymiary wszystkich atomów wynoszą ~ 10 -10 m. A wielkość jądra jest o 5 rzędów wielkości mniejsza, w sumie - 10 -15 m. Wizualnie można to przedstawić w następujący sposób: jeśli atom zostanie zwiększony do rozmiaru 20-piętrowego budynku, to jądro atomu będzie wyglądało jak milimetrowa drobina pyłu w centralnym pomieszczeniu tego domu. Trudno jednak wyobrazić sobie dom, którego masa prawie całkowicie skoncentrowana jest w tej drobince kurzu. A atom jest właśnie tym.

Atomy są bardzo małe i bardzo lekkie. Atom jest tyle razy lżejszy niż jabłko, co jabłko Globus. Jeśli świat „będzie cięższy”, tak że atom zacznie ważyć jak kropla wody, to ludzie w takim świecie staną się ciężcy, jak planety: dzieci – jak Merkury i Mars, a dorośli – jak Wenus i Ziemia.

Nie możesz zobaczyć atomu nawet pod mikroskopem. Najlepsze mikroskopy optyczne umożliwiają rozróżnienie szczegółów obiektu, jeśli odległość między nimi wynosi ~0,2 µm. W mikroskopie elektronowym odległość ta została zmniejszona do ~2-3 Å. Po raz pierwszy udało się rozróżnić i sfotografować poszczególne atomy za pomocą projektora jonowego. Ale nikt nie widział, jak układa się wewnątrz atomu. Wszystkie dane dotyczące budowy atomów pochodzą z eksperymentów dotyczących rozpraszania cząstek.

Waga jądro atomowe kilka tysięcy razy większa od masy jego powłoki elektronowej. Wynika to z faktu, że jądra atomów składają się z bardzo ciężkich w porównaniu z elektronem cząstek - protonów. p i neutronów n. Ich masy są prawie takie same i są około 2000 razy większe od masy elektronu. W której proton- dodatnio naładowane cząstki oraz neutron- neutralny. Ładunek protonu jest równy co do wielkości ładunkowi elektronu. Liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów w powłoce, co zapewnia neutralność elektryczną atomu. Liczba neutronów może być różna, w jądrze lekkiego atomu wodoru w ogóle nie ma neutronów, a w jądrze atomu węgla może być 6, 7 i 8.

Masa elektronuja 0,91. 10 -30 kg, masa protonowaposeł≈ 1.673. 10 -27 kg = 1836m e , masa neutronum n \u003d 1,675. 10 -27 kg≈ 1840 ja.

masa atomu mniej niż kwota masy jądra i elektronów na rozmiar m, nazywa wada masowa, który powstaje w wyniku oddziaływania kulombowskiego jądra i elektronów. Defekt masy atomów (w przeciwieństwie do jąder) jest bardzo mały i chociaż wzrasta wraz ze wzrostem Z, żaden atom nie przekracza masy elektronu. materiał ze strony

Oczywiście atomu nie można położyć na wadze i zważyć, jest za mały. Masy atomów zostały najpierw określone przez chemików. Ponadto mierzyli je w jednostkach względnych, przyjmując za jednostkę masę atomu wodoru i stosując prawo Daltona, zgodnie z którym substancje chemiczne powstają poprzez łączenie atomów pierwiastków chemicznych w ściśle określonej proporcji. A teraz masy atomów są najczęściej mierzone w jednostkach względnych, ale 1/12 masy atomu węgla C 12,1 przed południem jest używana jako jednostka masy atomowej (jm). e.m. = 1.66057 . 10 -27 kg.

Atom to wyjątkowa cząsteczka wszechświata. W tym artykule postaram się przekazać czytelnikowi informację o tym elemencie materii. Tutaj zastanowimy się nad takimi pytaniami: jaka jest średnica atomu i jego wymiary, jakie są jego parametry jakościowe, jaka jest jego rola we Wszechświecie.

Wprowadzenie do atomu

Atom to złożona cząsteczka substancji o mikroskopijnej wielkości i masie. To najmniejsza część pierwiastków o charakterze chemicznym o niewiarygodnie małych rozmiarach i masie.

Atomy zbudowane są z dwóch podstawowych elementy konstrukcyjne, a mianowicie z elektronów i jądra atomowego, które z kolei składa się z protonów i neutronów. Liczba protonów może różnić się od liczby neutronów. Zarówno w chemii, jak i fizyce atomy, w których wielkość protonów jest współmierna do liczby elektronów, nazywane są elektrycznie obojętnymi. Jeśli liczba protonów jest większa lub mniejsza, atom, nabierając ładunku dodatniego lub ujemnego, staje się jonem.

Atomy i cząsteczki w fizyce długi czas uznano za najmniejsze „cegiełki”, z których zbudowany jest Wszechświat, a nawet po odkryciu jeszcze mniejszych składniki składowe pozostać wśród główne odkrycia w historii ludzkości. To atomy połączone wiązaniami międzyatomowymi tworzą cząsteczki. Główna masa atomu jest skoncentrowana w jądrze, a mianowicie w masie jego protonów, które stanowią około 99,9% wszystkich wartości.

Dane historyczne

Dzięki osiągnięciom nauki w dziedzinie fizyki i chemii dokonano wielu odkryć dotyczących natury atomu, jego budowy i możliwości. Przeprowadzono liczne eksperymenty i obliczenia, podczas których można było odpowiedzieć na takie pytania: jaka jest średnica atomu, jego wielkość i wiele więcej.

Po raz pierwszy została odkryta i sformułowana przez filozofów starożytna Grecja i Rzym. W XVII i XVIII wieku chemicy byli w stanie poprzez eksperymenty udowodnić ideę atomu jako najmniejszej cząstki materii. Wykazali, że wiele substancji można wielokrotnie rozkładać za pomocą metody chemiczne. Jednak później odkryte przez fizyków wykazały, że nawet atom można podzielić i zbudowany jest ze składników subatomowych.

Międzynarodowy Kongres Naukowców Chemii w Karlsruhe w Niemczech w 1860 r. podjął decyzję o koncepcji atomów i cząsteczek, w których atom jest uważany za najmniejszą część pierwiastków chemicznych. Dlatego wchodzi również w skład substancji typu prostego i złożonego.

Średnica atomu wodoru była jedną z pierwszych badanych. Jednak jej obliczenia były dokonywane wielokrotnie, a ostatnie z nich, opublikowane w 2010 r., wykazały, że jest to o 4% mniej niż wcześniej sądzono (10 -8). Wskaźnik całkowitej wartości wielkości jądra atomowego odpowiada liczbie 10 -13 -10 -12, a rząd wielkości całej średnicy wynosi 10 -8. Spowodowało to wiele kontrowersji i problemów, ponieważ sam wodór słusznie należy do głównych części składowe cały obserwowalny Wszechświat, a taka rozbieżność zmusza nas do wielu przeliczeń w stosunku do podstawowych stwierdzeń.

Atom i jego model

Obecnie znanych jest pięć podstawowych modeli atomu, różniących się między sobą przede wszystkim horyzontem czasowym wyobrażeń o jego budowie. Przyjrzyjmy się modelom:

• Elementy, które tworzą, mają znaczenie. Demokryt uważał, że o każdej właściwości substancji powinien decydować jej kształt, masa i inne cechy praktyczne. Na przykład ogień może płonąć, ponieważ jego atomy są ostre. Według Demokryta nawet dusza składa się z atomów.
• Model atomowy Thomsona, stworzony w 1904 roku przez samego JJ Thomsona. Zasugerował, że atom można uznać za dodatnio naładowane ciało zamknięte w elektronach.
• Wczesny planetarny model atomowy Nagaoki, stworzony w 1904 roku, zakładał, że struktura atomu jest podobna do struktury Saturna. Jądro jest małe i ma ładunek dodatni, otoczony elektronami poruszającymi się po pierścieniach.
• Atomowy model planetarny odkryty przez Bohra i Rutherforda. W 1911 r. E. Rutherford, po spędzeniu cała linia eksperymentów, zaczął wierzyć, że atom jest podobny do układu planetarnego, w którym elektrony mają orbity, po których poruszają się wokół jądra. Jednak to założenie było sprzeczne z danymi klasycznej elektrodynamiki. Aby udowodnić słuszność tej teorii, Niels Bohr wprowadził pojęcie postulatów, stwierdzając i pokazując, że elektron nie musi zużywać energii, ponieważ znajduje się w pewnym, szczególnym stanie energetycznym. Badanie atomu doprowadziło później do pojawienia się mechanika kwantowa, który był w stanie wyjaśnić wiele sprzeczności, które można było zaobserwować.
• Z kwantowo-mechanicznego modelu atomowego wynika, że ​​centralną podstawą rozważanej cząstki jest jądro utworzone z protonów oraz poruszających się wokół niej neutronów i elektronów.

Cechy konstrukcyjne

Wielkość atomu wcześniej określała, że ​​jest to niepodzielna cząstka. Jednak wiele doświadczeń i eksperymentów pokazało nam, że jest zbudowany z cząstki elementarne. Każdy atom składa się z elektronów, protonów i neutronów, z wyjątkiem wodoru - 1, który nie obejmuje tego ostatniego.

Model Standardowy pokazuje, że protony i neutrony powstają w wyniku interakcji między kwarkami. Należą do fermionów wraz z leptonami. Obecnie istnieje 6 rodzajów kwarków. Protony zawdzięczają swoje powstanie dwóm kwarkom u i jednemu kwarkowi d, a neutron jednemu kwarkowi u i dwóm kwarkom d. Oddziaływanie jądrowe typ mocny, który wiąże kwarki, jest przekazywany za pomocą gluonów.

Ruch elektronów w przestrzeni atomowej jest z góry określony przez ich „pragnienie” zbliżenia się do jądra, innymi słowy, aby być przyciąganymi, jak również siły oddziaływania kulombowskiego między nimi. Te same rodzaje sił utrzymują każdy elektron w potencjalnej barierze otaczającej jądro. Orbita elektronów określa wielkość średnicy atomu, która jest równa prostej przechodzącej z jednego punktu na okręgu do drugiego, a także przez środek.

Atom ma swój spin, który jest reprezentowany przez jego własny pęd i jest poza zrozumieniem pospolita natura materiał. Opisany za pomocą mechaniki kwantowej.

Wymiary i waga

Każde jądro atomowe z taką samą liczbą protonów należy do wspólnego pierwiastka chemicznego. Izotopy obejmują przedstawicieli atomów tego samego pierwiastka, ale różniących się liczbą neutronów.

Ponieważ w fizyce struktura atomu wskazuje, że ich masa składa się z protonów i neutronów, całkowita ilość tych cząstek wynosi Liczba masowa. Wyrażenie masa atomowa w stanie spokoju następuje poprzez użycie jednostek masy atomowej (amu), które inaczej nazywane są daltonami (Da).

Wielkość atomu nie ma jasno określonych granic. Dlatego określa się ją, mierząc odległość między jądrami tego samego typu atomów chemicznie ze sobą związanych. Inna metoda pomiaru jest możliwa przy obliczaniu czasu trwania drogi od jądra do najdalszej z dostępnych orbit elektronicznych typu stabilnego. elementy D. I. Mendelejewa rozmieszcza atomy wielkością, od najmniejszego do największego, w kierunku kolumny od góry do dołu, ruch w kierunku od lewej do prawej również opiera się na zmniejszeniu ich wielkości.

Czas rozpadu

Wszystkie chemikalia. pierwiastki mają izotopy, jeden i więcej. Zawierają niestabilny rdzeń, który podlega rozpadowi radioaktywnemu, powodując emisję cząstek lub promieniowanie elektromagnetyczne. Izotop promieniotwórczy to taki, w którym wartość promienia oddziaływania silnego wykracza poza odległe punkty średnicy. Jeśli weźmiemy pod uwagę aurum jako przykład, to izotopem będzie atom Au, poza którego średnicę „wylatują” promieniujące cząstki we wszystkich kierunkach. Początkowo średnica atomu złota odpowiada wartości dwóch promieni, z których każdy jest równy 144 pc, a cząstki wychodzące poza tę odległość od jądra będą uważane za izotopy. Istnieją trzy rodzaje rozpadu: promieniowanie alfa, beta i gamma.

Pojęcie wartościowości i obecności poziomów energetycznych

Zapoznaliśmy się już z odpowiedziami na takie pytania: jaka jest średnica atomu, jego wielkość, zapoznaliśmy się z pojęciem rozpadu atomu itp. Jednak oprócz tego są też takie cechy charakterystyczne atomy jako wielkość poziomów energetycznych i wartościowości.

Elektrony poruszające się wokół jądra atomowego mają energię potencjalną i są w stanie związanym, zlokalizowanym na poziomie wzbudzenia. Zgodnie z modelem kwantowym elektron zajmuje tylko dyskretną liczbę poziomów energetycznych.

Walencja to całkowita zdolność atomów, które mają powłokę elektronową wolne miejsce nawiązywać połączenia typ chemiczny z innymi jednostkami atomowymi. Poprzez ustanowienie wiązań chemicznych atomy próbują wypełnić swoją warstwę zewnętrznej powłoki walencyjnej.

Jonizacja

W wyniku oddziaływania dużej wartości napięcia na atom może on ulec nieodwracalnej deformacji, której towarzyszy oderwanie elektronów.

Powoduje to jonizację atomów, podczas której oddają one elektron(y) i przechodzą przemianę ze stanu stabilnego w jony o ładunku dodatnim, zwane inaczej kationami. Proces ten wymaga pewnej energii, którą nazywamy potencjałem jonizacyjnym.

Podsumowując

Badanie pytań o strukturę, cechy interakcji, parametry jakościowe, o to, jaka jest średnica atomu i jaki ma rozmiar, wszystko to pozwoliło ludzkiemu umysłowi wykonać niesamowitą pracę, która pomaga lepiej zrozumieć i zrozumieć strukturę wszystkich materia wokół nas. Te same pytania umożliwiły człowiekowi odkrycie pojęć elektroujemności atomu, jego rozproszonego przyciągania, możliwości walencyjnych, określenia czasu trwania rozpad radioaktywny i wiele więcej.

DEFINICJA

Atom jest najmniejszą cząsteczką chemiczną.

Różnorodność związków chemicznych jest spowodowana inna kombinacja atomy pierwiastków chemicznych w cząsteczki i substancje niemolekularne. Zdolność atomu do wchodzenia w związki chemiczne, jego właściwości chemiczne i fizyczne są zdeterminowane przez strukturę atomu. W związku z tym dla chemii ma to ogromne znaczenie Struktura wewnętrzna atom, a przede wszystkim struktura jego powłoki elektronowej.

Modele budowy atomu

Na początku XIX wieku D. Dalton wskrzesił teorię atomistyczną, opartą na znanych wówczas podstawowych prawach chemicznych ( stałość składu, wielokrotne wskaźniki i ekwiwalenty). Pierwsze eksperymenty przeprowadzono w celu zbadania struktury materii. Jednak pomimo dokonanych odkryć (atomy tego samego pierwiastka mają te same właściwości, a atomy innych pierwiastków mają inne właściwości, wprowadzono pojęcie masy atomowej), atom uznano za niepodzielny.

Po otrzymaniu dowodów eksperymentalnych (koniec XIX początek XX wiek) złożoność struktury atomu (efekt fotoelektryczny, katoda i promieniowanie rentgenowskie, radioaktywność) stwierdzono, że atom składa się z cząstek naładowanych ujemnie i dodatnio, które oddziałują ze sobą.

Odkrycia te dały impuls do powstania pierwszych modeli budowy atomu. Zaproponowano jeden z pierwszych modeli J. Thomson(1904) (ryc. 1): atom został przedstawiony jako „morze dodatniej elektryczności” z oscylującymi w nim elektronami.

Po eksperymentach z cząstkami α, w 1911 r. Rutherford zaproponował tzw model planetarny budowa atomu (rys. 1), zbliżona do budowy Układ Słoneczny. Zgodnie z modelem planetarnym w centrum atomu znajduje się bardzo małe jądro z ładunkiem Z e, którego wielkość wynosi około 1 000 000 razy mniejsze rozmiary sam atom. Jądro zawiera prawie całą masę atomu i ma ładunek dodatni. Elektrony poruszają się po orbitach wokół jądra, których liczba jest określona przez ładunek jądra. Zewnętrzna trajektoria elektronów określa wymiary zewnętrzne atom. Średnica atomu wynosi 10 -8 cm, natomiast średnica jądra jest znacznie mniejsza -10 -12 cm.

Ryż. 1 Modele budowy atomu według Thomsona i Rutherforda

Eksperymenty na badaniu widm atomowych wykazały niedoskonałość model planetarny struktury atomu, ponieważ ten model jest sprzeczny z liniową strukturą widm atomowych. W oparciu o model Rutherforda, teorię Einsteina kwantów światła i teoria kwantowa promieniowanie deski Niels Bohr (1913) sformułowane postulaty, który zawiera teoria atomowa(ryc. 2): elektron może obracać się wokół jądra nie na żadnej, ale tylko na określonych orbitach (stacjonarnych), poruszając się po takiej orbicie, nie promieniuje energia elektromagnetyczna, promieniowanie (absorpcja lub emisja kwantu energii elektromagnetycznej) zachodzi podczas przejścia (przeskakiwania) elektronu z jednej orbity na drugą.

Ryż. 2. Model budowy atomu według N. Bohr

Zgromadzony materiał doświadczalny charakteryzujący budowę atomu wykazał, że właściwości elektronów, jak i innych mikroobiektów, nie da się opisać w oparciu o pojęcia mechaniki klasycznej. Mikrocząstki podlegają prawom mechaniki kwantowej, która stała się podstawą tworzenia nowoczesny model struktura atomu.

Główne tezy mechaniki kwantowej:

- energia jest emitowana i pochłaniana przez ciała w oddzielnych porcjach - kwanty, dlatego energia cząstek zmienia się gwałtownie;

- elektrony i inne mikrocząstki mają dwoistą naturę – wykazują właściwości zarówno cząstek, jak i fal (dualizm cząstkowo-falowy);

— mechanika kwantowa zaprzecza istnieniu pewnych orbit dla mikrocząstek (dla poruszających się elektronów nie da się określić dokładnej pozycji, ponieważ poruszają się one w przestrzeni w pobliżu jądra, można jedynie określić prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w różnych częściach przestrzeni).

Przestrzeń w pobliżu jądra, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest wystarczająco wysokie (90%) nazywa się orbitalny.

liczby kwantowe. Zasada Pauliego. Zasady Klechkowskiego

Stan elektronu w atomie można opisać za pomocą czterech liczby kwantowe.

n jest główną liczbą kwantową. Charakteryzuje całkowitą energię elektronu w atomie oraz liczbę poziomów energetycznych. n przyjmuje wartości całkowite od 1 do ∞. Elektron ma najniższą energię przy n=1; wraz ze wzrostem n - energia. Stan atomu, w którym jego elektrony znajdują się na takim poziomie energii, że ich całkowita energia jest minimalna, nazywamy stanem podstawowym. Stany o wyższych wartościach nazywane są podekscytowanymi. Oznaczono poziomy energii cyfry arabskie według wartości n. Elektrony mogą być ułożone na siedmiu poziomach, dlatego w rzeczywistości n istnieje od 1 do 7. Główna liczba kwantowa określa wielkość chmury elektronów i określa średni promień elektronu w atomie.

ja jest orbitalną liczbą kwantową. Charakteryzuje zapas energii elektronów w podpoziomie i kształt orbitalu (tab. 1). Akceptuje wartości całkowite od 0 do n-1. l zależy od n. Jeśli n=1, to l=0, co oznacza, że ​​na 1 poziomie znajduje się 1 podpoziom.

ja to magnetyczna liczba kwantowa. Charakteryzuje orientację orbity w przestrzeni. Akceptuje wartości całkowite od –l przez 0 do +l. Tak więc, gdy l=1 (orbital p), m e przyjmuje wartości -1, 0, 1, a orientacja orbity może być inna (ryc. 3).

Ryż. 3. Jedna z możliwych orientacji w przestrzeni orbitalnej p

s jest spinową liczbą kwantową. Charakteryzuje własny obrót elektronu wokół osi. Przyjmuje wartości -1/2(↓) i +1/2(). Dwa elektrony na tym samym orbicie mają spiny antyrównoległe.

Określa się stan elektronów w atomach Zasada Pauliego: atom nie może mieć dwóch elektronów o tym samym zestawie wszystkich liczb kwantowych. Sekwencja wypełniania orbitali elektronami jest określona przez Zasady Klechkowskiego: orbitale są wypełnione elektronami w porządku rosnącym sumy (n + l) dla tych orbitali, jeśli suma (n + l) jest taka sama, to orbital o niższej wartości n jest wypełniany jako pierwszy.

Jednak atom zwykle zawiera nie jeden, ale kilka elektronów, a aby uwzględnić ich wzajemne oddziaływanie, stosuje się koncepcję efektywnego ładunku jądra - na elektron z poziomu zewnętrznego wpływa ładunek, który jest mniejszy niż ładunek jądra, w wyniku czego wewnętrzne elektrony przesłaniają zewnętrzne.

Główne cechy atomu: promień atomowy (kowalencyjny, metaliczny, van der Waalsa, jonowy), powinowactwo elektronowe, potencjał jonizacyjny, moment magnetyczny.

Elektroniczne wzory atomów

Wszystkie elektrony atomu tworzą jego powłokę elektronową. Przedstawiono strukturę powłoki elektronowej formuła elektroniczna, który pokazuje rozkład elektronów na poziomach energetycznych i podpoziomach. Liczba elektronów w podpoziomie jest oznaczona liczbą, która jest zapisana w prawym górnym rogu litery wskazującej podpoziom. Na przykład atom wodoru ma jeden elektron, który znajduje się na podpoziomie s pierwszego poziomu energii: 1s 1. Formuła elektronowa helu zawierającego dwa elektrony jest zapisana następująco: 1s 2.

W przypadku pierwiastków drugiego okresu elektrony wypełniają drugi poziom energii, który może zawierać nie więcej niż 8 elektronów. Najpierw elektrony wypełniają podpoziom s, a następnie podpoziom p. Na przykład:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Związek struktury elektronowej atomu z położeniem pierwiastka w układzie okresowym

Formuła elektroniczna pierwiastka jest określona przez jego pozycję w układzie okresowym D.I. Mendelejew. Tak więc liczba okresu odpowiada elementom drugiego okresu, elektrony wypełniają drugi poziom energii, który może zawierać nie więcej niż 8 elektronów. Po pierwsze, elektrony wypełniają pierwiastki drugiego okresu, elektrony wypełniają 2 poziom energii, który może zawierać nie więcej niż 8 elektronów. Najpierw elektrony wypełniają podpoziom s, a następnie podpoziom p. Na przykład:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

W przypadku atomów niektórych pierwiastków występuje zjawisko „przecieku” elektronu z zewnętrznego poziomu energetycznego na przedostatni. Poślizg elektronów występuje w atomach miedzi, chromu, palladu i niektórych innych pierwiastków. Na przykład:

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

poziom energii, który może zawierać nie więcej niż 8 elektronów. Najpierw elektrony wypełniają podpoziom s, a następnie podpoziom p. Na przykład:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Numer grupy dla elementów głównych podgrup jest równy liczbie elektronów na zewnętrznym poziomie energii, takie elektrony nazywane są elektronami walencyjnymi (biorą udział w tworzeniu wiązanie chemiczne). Elektrony walencyjne pierwiastków podgrup bocznych mogą być elektronami zewnętrznego poziomu energetycznego i podpoziomu d przedostatniego poziomu. Liczba grupy elementów podgrup bocznych grup III-VII, a także dla Fe, Ru, Os, odpowiada Łączna elektrony na s-podpoziomie zewnętrznego poziomu energii i d-podpoziomie przedostatniego poziomu

Zadania:

Narysuj wzory elektroniczne atomów fosforu, rubidu i cyrkonu. Wymień elektrony walencyjne.

Odpowiedź:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Elektrony walencyjne 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Elektrony walencyjne 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Elektrony walencyjne 4d 2 5s 2

Rozważmy inne zastosowanie zasady nieoznaczoności (38.3), ale proszę nie bierz tego obliczenia zbyt dosłownie; ogólny pomysł jest poprawny, ale analiza nie jest wykonana zbyt starannie. Ta myśl dotyczy określenia wielkości atomów; w końcu, według klasycznych poglądów, elektrony musiałyby emitować światło i wirując spiralnie opadać na powierzchnię jądra. Ale zgodnie z mechaniką kwantową jest to niemożliwe, ponieważ w przeciwnym razie wiedzielibyśmy, gdzie znalazł się elektron i jak szybko się kręci.

Załóżmy, że jest atom wodoru i mierzymy położenie elektronu; nie możemy być w stanie przewidzieć dokładnie, gdzie to się skończy, w przeciwnym razie rozrzut pędu stanie się nieskończony. Za każdym razem, gdy patrzymy na elektron, gdzieś jest; ma amplitudę prawdopodobieństwa bycia w różnych miejscach, więc istnieje prawdopodobieństwo znalezienia go gdziekolwiek. Jednak nie wszystkie z tych miejsc muszą znajdować się w pobliżu samego rdzenia; zakładamy, że istnieje rozrzut w odległościach rzędu , tj. odległość od jądra do elektronu jest średnio równa . Definiujemy , wymagając, aby całkowita energia atomu była minimalna.

Rozrzut w impulsach, zgodnie z zależnością niepewności, powinien wynosić około ; dlatego próbując jakoś zmierzyć pęd elektronu (na przykład rozpraszając na nim fotony i obserwując efekt Dopplera z poruszającego się rozpraszacza), nie otrzymamy cały czas zera (elektron nie stoi w miejscu), ale otrzyma impulsy rzędu . Energia kinetyczna elektronów będzie w przybliżeniu równa . (To, co teraz robimy, jest w pewnym sensie analizą wymiarową: zastanawiamy się, w jaki sposób energia kinetyczna może zależeć od stałej Plancka, masy i rozmiaru atomu. Odpowiedź uzyskuje się do czynników liczbowych, takich jak ; itp. , My nawet nie poprawnie zdefiniowaliśmy.) Następnie, energia potencjalna jest równy ilorazowi minus w odległości od środka, powiedzmy (jak pamiętamy, jest to kwadrat ładunku elektronu podzielony przez ). Teraz spójrz: gdy maleje, energia potencjalna również maleje, ale im mniejsza , tym większy pęd wymagany przez zasadę nieoznaczoności i większy energia kinetyczna. Całkowita energia to

(38.10)

Nie wiemy, co jest równe, ale wiemy, że atom, aby zapewnić sobie istnienie, zmuszony jest do kompromisu, aby jego całkowita energia była jak najmniejsza. Aby znaleźć minimum, różnicujemy je względem , wymagamy, aby pochodna była równa zero i znajdujemy . Pochodna to

(38.11)

Równanie podaje wartość

(38.12)

Odległość ta nazywana jest promieniem Bohra i widzimy, że wymiary atomu są rzędu angstremów. Mam poprawny numer. To bardzo dobrze, a nawet zaskakująco dobrze, ponieważ do tej pory nie mieliśmy żadnych teoretycznych rozważań na temat wielkości atomu. Z klasycznego punktu widzenia atomy są po prostu niemożliwe: elektrony muszą spaść na jądra. Zastępując wzór (38.12) w (38.10), znajdziemy energię. Staje się równa

(38.(3)

Co oznacza ujemna energia? I fakt, że gdy elektron jest w atomie, ma mniej energii niż wtedy, gdy jest wolny. Innymi słowy, w atomie jest związany. A wyciągnięcie go z atomu wymaga energii; energia jest wymagana do jonizacji atomu wodoru. Oczywiście jest możliwe, że będzie potrzebne dwa lub trzy razy więcej energii lub raz mniej, ponieważ nasze obliczenia były bardzo niedbałe. Jednak oszukaliśmy i wybraliśmy wszystkie stałe, aby wynik był absolutnie poprawny! Ta wielkość nazywana jest Rydbergiem energii; to energia jonizacji wodoru.

Dopiero teraz staje się jasne, dlaczego nie przewracamy się przez podłogę. Podczas chodzenia cała masa atomów naszych butów jest odpychana od podłogi, od całej masy jej atomów. Atomy ulegają zgnieceniu, elektrony zmuszone są do ściśnięcia się w mniejszej objętości, a zgodnie z zasadą niepewności ich pęd średnio wzrasta, a wzrost pędu oznacza wzrost energii. Odporność atomów na ściskanie nie jest efektem klasycznym, lecz mechaniką kwantową. Zgodnie z klasycznymi koncepcjami należało się spodziewać, że gdy elektrony zbliżą się do protonów, energia zmniejszy się; Najkorzystniejszym układem dodatnich i ujemnych ładunków w fizyce klasycznej jest to, że siedzą okrakiem na siebie. Było to dobrze znane fizyce klasycznej i stanowiło zagadkę: atomy istnieją! Oczywiście naukowcy już wtedy wymyślili różne sposoby wyjście z impasu, właściwy (miejmy nadzieję!) sposób stał się znany tylko nam!

Nawiasem mówiąc, kiedy wokół jądra jest dużo elektronów, one również starają się trzymać z dala od siebie. Powód tego jest nadal dla ciebie niezrozumiały, ale faktem jest, że jeśli jakiś elektron zajął jakieś miejsce, to inny nie zajmie tego miejsca. Dokładniej, dzięki istnieniu dwóch kierunków spinu, elektrony te mogą leżeć jeden na drugim i obracać się: jeden w jednym kierunku, drugi w drugim. Ale w tym miejscu nie można umieścić trzeciej osoby. Musisz je umieścić w nowych miejscach, a to jest prawdziwy powódże materiał jest elastyczny. Gdyby można było umieścić wszystkie elektrony w jednym miejscu, materia byłaby jeszcze gęstsza niż zwykle. I właśnie dlatego, że elektrony nie mogą siedzieć jeden na drugim, istnieją stoły i inne ciała stałe.

Jest więc naturalne, że aby zrozumieć właściwości materii, należy użyć mechanika kwantowa; klasyczne to zdecydowanie za mało.

Badając przejście cząstki α przez cienką złotą folię (patrz rozdział 6.2), E. Rutherford doszedł do wniosku, że atom składa się z ciężkiego dodatnio naładowanego jądra i otaczających go elektronów.

rdzeń zwany centrum atomu,w którym skoncentrowana jest prawie cała masa atomu i jego dodatni ładunek.

W skład jądra atomowego są wliczone cząstki elementarne : protony oraz neutrony (nukleony od łacińskiego słowa jądro- rdzeń). Taki protonowo-neutronowy model jądra zaproponował radziecki fizyk w 1932 roku D.D. Iwanienko. Proton ma ładunek dodatni e + = 1,06 10 -19 C i masę spoczynkową poseł\u003d 1,673 10 -27 kg \u003d 1836 ja. Neutron ( n) jest cząstką obojętną o masie spoczynkowej m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 ja(gdzie masa elektronu ja, wynosi 0,91 10 -31 kg). Na ryc. 9.1 pokazuje strukturę atomu helu zgodnie z ideami końca XX - początek XXI w.

Opłata podstawowa równa się Ze, gdzie mi jest ładunkiem protonu, Z- numer opłaty równy numer seryjny pierwiastek chemiczny w układ okresowy elementy Mendelejewa, tj. liczba protonów w jądrze. Oznaczono liczbę neutronów w jądrze N. Zazwyczaj Z > N.

Jądra z Z= 1 do Z = 107 – 118.

Liczba nukleonów w jądrze A = Z + N nazywa Liczba masowa . jądra o tym samym Z, ale inne ALE nazywa izotopy. Jądra, które jednocześnie A mieć inne Z, są nazywane izobary.

Jądro jest oznaczone tym samym symbolem co neutralny atom, gdzie X jest symbolem pierwiastka chemicznego. Na przykład: wodór Z= 1 ma trzy izotopy: – prot ( Z = 1, N= 0), to deuter ( Z = 1, N= 1), – tryt ( Z = 1, N= 2), cyna ma 10 izotopów i tak dalej. W zdecydowanej większości izotopy tego samego pierwiastka chemicznego mają ten sam związek chemiczny i są blisko właściwości fizyczne. W sumie znanych jest około 300 stabilnych izotopów i ponad 2000 naturalnych i sztucznie uzyskanych. izotopy radioaktywne.

Wielkość jądra charakteryzuje się promieniem jądra, co ma znaczenie warunkowe ze względu na rozmycie granicy jądra. Nawet E. Rutherford, analizując swoje eksperymenty, wykazał, że wielkość jądra wynosi około 10–15 m (wielkość atomu to 10–10 m). Istnieje empiryczny wzór na obliczenie promienia rdzenia:

gdzie R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. Z tego widać, że objętość jądra jest proporcjonalna do liczby nukleonów.

Gęstość substancji jądrowej jest rzędu 10 17 kg/m 3 i jest stała dla wszystkich jąder. Znacznie przekracza gęstość najgęstszych zwykłych substancji.

Protony i neutrony są fermiony, ponieważ mieć spin ħ /2.

Jądro atomu ma własny moment pędu – spin jądrowy :

,

(9.1.2)

gdzie I – wewnętrzny(kompletny)spinowa liczba kwantowa.

Numer I akceptuje wartości całkowite lub połówkowe 0, 1/2, 1, 3/2, 2 itd. Jądra z parzysty ALE mieć obrót liczb całkowitych(w jednostkach ħ ) i przestrzegaj statystyk Bose–Einstein(bozony). Jądra z dziwne ALE mieć wirowanie półliczbowe(w jednostkach ħ ) i przestrzegaj statystyk Fermi–Dirac(tych. jądra to fermiony).

Cząstki jądrowe mają własne momenty magnetyczne, które określają moment magnetyczny jądra jako całości. Jednostką do pomiaru momentów magnetycznych jąder jest magneton jądrowy trucizna μ:

Tutaj mi – całkowita wartośćładunek elektronu, poseł to masa protonu.

Magneton jądrowy w poseł/ja= 1836,5 razy mniejszy niż magneton Bohra, stąd wynika, że określane są właściwości magnetyczne atomów właściwości magnetyczne jego elektrony .

Istnieje związek między spinem jądra a jego momentem magnetycznym:

gdzie γ trucizna - współczynnik żyromagnetyczny jądrowy.

Neutron ma ujemny moment magnetyczny μ n≈ – 1.913μ trucizna, ponieważ kierunek spinu neutronu i jego momentu magnetycznego są przeciwne. Moment magnetyczny protonu jest dodatni i równy μ R≈ trucizna 2,793 μ. Jego kierunek pokrywa się z kierunkiem wirowania protonu.

Dystrybucja ładunek elektryczny protony w jądrze są na ogół asymetryczne. Miarą odchylenia tego rozkładu od sferycznie symetrycznego jest kwadrupol moment elektryczny jądra Q. Jeśli założymy, że gęstość ładunku jest wszędzie taka sama, to Q zależy tylko od kształtu jądra. A więc dla elipsoidy rewolucji

,

(9.1.5)

gdzie b jest półosią elipsoidy wzdłuż kierunku obrotu, a- oś w kierunku prostopadłym. Dla jądra rozciągniętego w kierunku wirowania, b > a oraz Q> 0. Dla jądra spłaszczonego w tym kierunku, b < a oraz Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a oraz Q= 0. Dotyczy to jąder o spinie równym 0 lub ħ /2.

Aby wyświetlić dema, kliknij odpowiednie hiperłącze: