Главная Энциклопедия Реакции Блоги Вопросы Ещё
Язык: uk ru
Авторизация:

Атом




Атом - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Понадобилось чуть меньше 100 лет после принятия атомистической теории строения вещества, чтобы на границе следующих веков - XIX и XX - ученые сначала предположили, а затем доказали сложное строение атома. Оказалось, что атомы состоят из более мелких частиц. Английский физик Дж. Томсон впервые предложил модель атома, состоящего из заряженных частиц (1898 г.). Он практически открыл существование отрицательно заряженной частицы, присутствующей во всех веществах и названной затем электроном (от греч. electron - янтарь, как вещество, легко электризующееся при трении). В планетарной модели атома английского физика Э. Резерфорда (1911 г.) была впервые зафиксирована идея о существовании компактного положительно заряженного ядра, т.е. о концентрации массы и заряда в ничтожно малой части пространства внутри атома. Было установлено, что объем ядра примерно в 100 000 раз меньше объема всего атома.

В 1913 г. на основании экспериментальных результатов изучения Длин волн рентгеновского излучения различных металлов английский Ученый Г. Мозли высказал предположение о том, что основной характеристикой атома является заряд ядра, который увеличивается на единицу при переходе от одного элемента Периодической системы к следующему. К тому времени элементы располагались в Периодической системе в порядке увеличения атомных масс (в старой терминологии - атомных весов), в некоторых случаях элементу с меньшей атомной массой предшествовал элемент с большой атомной массой, в этих случаях порядок определялся сходством химических свойств. Г. Мозли предложил термин «атомный номер» (символ Z), который, как известно, равен числу протонов (от греч. proton - первый) в ядре, подведя, таким образом, теоретическую базу под систематизацию элементов в Периодической системе.

Экспериментально было установлено, что заряд протона равен заряду электрона по абсолютной величине. Поскольку атомы электронейтральны, стало ясно, что число протонов в атоме равно числу электронов. Масса электрона составляет приблизительно 1/1840 массы протона. Масса атома водорода совпадает с массой протона, однако массы многих легких атомов примерно в 2 раза больше суммарной массы содержащихся в них протонов. В связи с этим было сделано предположение о существовании электронейтральной частицы с массой, примерно равной массе протона. Она была открыта в 1932 г. английским физиком Д.Чедвиком и названа нейтроном (от греч. neut-гит - ни то, ни другое). Параметры фундаментальных частиц представлены в табл. 1.

Таблица 1. Абсолютные и относительные значения масс и зарядов частиц, из которых состоит атом
Частица Масса, кг Массовое число Заряд, Кл Относительный заряд
Протон 1,673·10-27 1 +1,6·10-19 +1
Нейтрон 1,675·10-27 1 0 0
Электрон 0,911·10-31 0 -1,6·10-19 -1

Частицы, из которых состоит ядро, - протоны и нейтроны - называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Массу атомов составляют в основном протоны и нейтроны, поэтому сумма числа протонов и нейтронов называется массовым числом.

Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но содержащие в ядре разное число протонов (изобары), являются атомами разных элементов. Например, атом с массовым числом 58, имеющий в ядре 27 протонов и 31 нейтрон, принадлежит кобальту, а атом с тем же массовым числом 58, имеющий в ядре 28 протонов и 30 нейтронов, принадлежит никелю.

 

Состояние электрона в атоме


Решение волнового уравнения Шредингера приводит к определению состояния электрона с помощью четырех квантовых чисел, два из которых были предложены еще до представлений о корпускулярно-волновом дуализме электрона.

Первое (главное) квантовое число (n) характеризует удаленность электрона от ядра, т. е. размер орбитали. Чем больше значение главного квантового числа, тем электрон в среднем находится все дальше от ядра и тем большим запасом энергии он обладает. Разница в энергии между орбиталями, отличающимися значениями главного квантового числа, убывает по мере возрастания n. Главное квантовое число характеризует энергетический уровень орбитали, оно может принимать значения целых положительных чисел от 1 до +∞. При n → ∞ электрон полностью преодолевает притяжение со стороны ядра и отрывается от атома, который превращается в положительно заряженный ион. Максимально возможное значение n для электронов невозбужденного атома данного элемента соответствует номеру периода, в котором находится этот элемент, например для водорода n = 1, для серы n = 3, для свинца n = 6.

Чем больше значение n, тем большее число электронов может находиться на данном энергетическом уровне. Емкость энергетического уровня вычисляют по формуле 2n2. Таким образом, на первом энергетическом уровне могут находиться максимально 2·12 = 2 электрона, на втором - 2·22 = 8 электронов, на третьем - 2·32 = 18 электронов, на четвертом - 2·42 = 32 электрона.

При значениях n > 1 наблюдается расщепление энергетического уровня на подуровни. Это означает, что электроны, находящиеся на одном энергетическом уровне, несколько отличаются по запасу энергии и, как следствие этого, различаются формами атомных орбиталей.

Второе (орбитальное, побочное) квантовое число может принимать значения целых чисел в диапазоне 0 < l < n - 1. Число орбиталей, находящихся на данном энергетическом подуровне, рассчитывают по формуле 2l + 1. Например, при n = 2 возможны два значения l: 0 и 1. На энергетическом подуровне при l = 0 находится только одна орбиталь: 2·0 + 1 = 1; на подуровне при = 1 их будет три: 2·1 + 1 = 3. Число подуровней на данном энергетическом уровне равно главному квантовому числу этого уровня.

Для второго квантового числа наиболее распространенными являются не цифровые, а буквенные обозначения: l = 0 соответствует s-, l = 1 - p-,l = 2 - d-,l = 3 - f-подуровню. На d-подуровне находятся пять орбиталей, а на f-подуровне - семь. Электроны, находящиеся на соответствующих подуровнях, называют s-, p-, d-, f-электронами. Согласно квантово-механическим представлениям s-орбиталь имеет сферическую форму, p-орбиталь - гантелеобразную (объемной восьмерки), d-орбиталь - четырехлопастную (клеверного листа). Формы орбиталей представлены на рисунке ниже:
орбитали

Третье (магнитное) квантовое число m характеризует взаимную пространственную ориентацию орбиталей в магнитном поле, возникающем в результате движения электронов по замкнутым орбиталям. Магнитное квантовое число принимает значения целых чисел, включая 0, в диапазоне -l < m < +l и показывает максимально возможное число орбиталей на каждом энергетическом подуровне. При l = 0 магнитное квантовое число может иметь только одно значение - m = 0, следовательно, существует только одна s-орбиталь. Сферическая s-орбиталь симметрична относительно ядра и не имеет определенного направления в трехмерной системе координат. Для l = 1 существуют три значения m (-1, 0, +1), т. е. три p-орбитали. Они различаются тем, что одна из них в трехмерной системе координат ориентирована вдоль оси x, другая — вдоль оси y и третья — вдоль оси z. Их часто называют соответственно px, py и pz-орбитали.

Орбитальному квантовому числу l = 2 соответствуют пять d-орбиталей. Имея четыре лопасти, они ориентируются более сложным образом, различают dxz, dyz, dxy, d-y², d.
 
орбитали

Три квантовых числа характеризуют атомные орбитали. четвертое квантовое число - только электрон.

Четвертое (спиновое) квантовое число s принимает два значения: s = +½ и s = -½ Следует отметить, что спиновое квантовое число никак не связано с каким-либо его перемещением в пространстве, в том числе и с «вращением вокруг собственной оси» (скорость такого вращения должна превышать скорость света в вакууме), хотя это и отражено в названии (от англ. spin - волчок, веретено, вращение). Электрон имеет собственное магнитное поле, которое может ориентироваться параллельно или антипараллельно относительно магнитного поля, создаваемого взаимодействием электрона с ядром. Два значения спинового квантового числа соответствуют двум возможным способам квантования собственного магнитного момента относительно приложенного магнитного поля. Спин электрона не может быть изменен иди уничтожен. Электроны с противоположными значениями квантовых чисел отталкиваются друг от друга, стремясь занять другую атомную орбиталь. Одна атомная орбиталь, таким образом, может быть занята максимально двумя электронами, но при условии, что они имеют разные значения спинового числа. При изображении электронных конфигураций электроны, имеющие противоположный спин, обозначаются противоположно направленными стрелками: ↑↓.


 
Список использованной литературы
  1. Попков В. А., Пузаков С. А. Общая химия: учебник. - М.: ГЭОТАР-Медия, 2010. - 976 с.: ISBN 978-5-9704-1570-2. [с. 15-16]

Информация о статье:

Обновлено:
Создано: 18.09.2015 18:42

Просмотров: 1494
Оценка информации: 5.0 з 5
Количество голосов - 1
Ключевые слова (Tags):
история, протон, нейтрон, электрон, атом
ChemiDay не навязывает вам свое мнение. Все что вы делаете - делаете на свой страх и риск.
О сайте | Отзывы и предложения | Обратная связь | Страница в ВК
ChemiDay.com © 2016