Атом

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие стилистическим правилам Википедии. Вы можете помочь улучшить эту статью, исправив в ней ошибки.

А́том (др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

Содержание 1 Модели атомов 2 Современное представление об атоме 3 Строение 3.1 Субатомные частицы 4 Свойства 4.1 Масса 4.2 Размер 4.3 Радиоактивный распад 4.4 Магнитный момент 4.5 Энергетические уровни 4.6 Валентность 5 См. также 6 Примечания 7 Список литературы 7.1 На русском языке 7.2 На английском языке 8 Ссылки

[править] Модели атомов

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.^{[источник?]}
• Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома.^{[источник?]}
• Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбиталям вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалось ошибочной, но некоторые важные её положения вошли в модель Резерфорда.^{[источник?]}
• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а следовательно, терять энергию. Расчеты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

[править] Современное представление об атоме

Сегодня общепринятой является модель атома, являющаяся развитием планетарной модели. Считается, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется количеством протонов, в то время как количество нейтронов на химические свойства практически не влияет; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см. статью об атомном ядре). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, в то время как массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных ¹⁄₁₂ от массы атома изотопа углерода ¹²C.

[править] Строение

[править] Субатомные частицы

Основная статья: Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, по современным научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы кроме водорода-1 содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10⁻²⁸ г, отрицательным зарядом и размером, слишком маленьким для измерения современными методами.^[1]. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10⁻²⁴ г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона^[2] (1,6929×10⁻²⁴ г). При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10⁻¹⁵ м, хотя размеры этих частиц определены плохо^[3].

В стандартной модели элементарных частиц, как протоны так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный элементарный заряд, равный +2/3 или −1/3. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными силами, которые передаются глюонами. Глюон относится к бозонам — элементарным частицам, переносчикам сильного взаимодействия^[4][5].

[править] Свойства

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий)^[6]. Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов^[7]. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут) радиоактивны^[8][9].

[править] Масса

Основная статья: Атомная масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1/12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66×10⁻²⁴ г.^[10] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м^[11]. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы^[12]. Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208^[8] с массой 207,9766521 а. е. м.^[13]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и тоже число атомов (примерно 6,022×10²³). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а.е.м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г^[10].

[править] Размер

Основная статья: Атомный радиус

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома, его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин^[14]. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо^[15]. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм)^[16]. Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода.^[17]. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2×10²¹) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода^[18]. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода^[19]. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока^[20].

[править] Радиоактивный распад

Основная статья: Радиоактивный распад

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм (1 фемтометр)^[21]).

Существуют три основные формы радиоактивного распада:^[22][23]

• Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
• Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В первом случае происходит испускание электрона и антинейтрино, во втором — испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.
• Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад (англ.), который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа^[21].

[править] Магнитный момент

Основные статьи: Электронный магнитный дипольный момент, Ядерный магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной (), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину.^[24]

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона как и всех фермионов подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находится в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.^[25]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.^[26][25]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако, для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии.^[27][28]

[править] Энергетические уровни

Основные статьи: Энергетический уровень, атомная спектральная линия

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (не связанным с атомом). В квантовомеханической модели связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых состояний называется основным энергетическим состоянием, а все остальные — возбуждёнными.^[29]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой, ему надо передать или отнять энергию, что происходит благодаря соответственно поглощению или испусканию фотона, причём энергия этого фотона равна разнице энергий этих уровней. Энергия испущенного фотона пропорциональна его частоте, таким образом определённые энергетические уровни появляются в различных зонах электромагнитного спектра.^[30] Каждый элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов.^[31]

Когда непрерывный спектр излучения по энергии проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разделёнными на величину равную энергии светового кванта. Эти возбуждённые электроны, которые остаются связанными с ядром, спонтанно переходят на уровень, лежащий ниже по энергии, испуская фотоны во всех направлениях. Таким образом атомы ведут себя как фильтры, формируя сериии тёмных полос в спектрах поглощения. При наблюдении с других углов, куда не направлен непрерывный спектр излучения, действительно можно заметить линейчатый эмиссионный спектр, испущенных атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий позволяют определить вещество и физические условия в момент наблюдения.^[32]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, расщеплены на несколько близких линий. Это происходит из-за спин-орбитального взаимодействия, взаимодействия между спином и движением электрона на внешней оболочке.^[33] Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент - это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации магнитного момента атома и внешнего магнитного поля у атома появляется дополнительная (положительная или отрицательная) энергия, что приводит к расщеплению данного энергетического уровня. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля расщепление упрощается и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена-Бака).^[34] Присутствие электрического поля может вызвать сравнимый по величине и сдвигу спектральных линий путём изменения энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.^[35]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение фотона с такой же энергией (при условии существования более низкого уровня, на который возможен переход, и разница между уровнями должна равняться энергии фотона). При стимулированной эмиссии эти два фотона будут двигаться параллельно и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучёк света в узком диапазоне частот.^[36]

[править] Валентность

Основная статья: Валентность (химия)

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.^[37]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.^[38][39]

[править] См. также

• Физика атомов и молекул

[править] Примечания

[править] Список литературы

[править] На русском языке

• Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек. — Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.. — М.: 1986. — С. 328.

[править] На английском языке

• Michael F. L'Annunziata Handbook of Radioactivity Analysis. — Academic Press, 2003. — ISBN ISBN 0124366031
• H. F. Beyer Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN ISBN 0750304812
• Gregory R. Choppin Radiochemistry and Nuclear Chemistry. — Elsevier, 2001. — ISBN ISBN 0750674636
• J. Dalton A New System of Chemical Philosophy, Part 1. — London and Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtröder Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. — 1st Edition. — Springer, 2002. — ISBN ISBN 3540206310
• Richard Feynman Six Easy Pieces. — The Penguin Group, 1995. — ISBN ISBN 978-0-140-27666-4
• Grant R. Fowles Introduction to Modern Optics. — Courier Dover Publications, 1989. — ISBN ISBN 0486659577
• Mrinalkanti Gangopadhyaya Indian Atomism: History and Sources. — Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. — ISBN 0-391-02177-X
• David L. Goodstein States of Matter. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN ISBN 048649506X
• Edward Robert Harrison Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN ISBN 0521773512
• Tatjana Jevremovic Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN ISBN 0387232842
• James Lequeux The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN ISBN 3540213260
• Z.-P. Liang Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging. — John Wiley & Sons, 1999. — С. pp. 412–26. — ISBN ISBN 0471139467
• Malcolm H. MacGregor The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN ISBN 0195218337
• Oliver Manuel Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN ISBN 0306465620
• Robert M. Mazo Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN ISBN 0198515677
• Ian Mills Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. — 2nd edition. — Oxford: International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on Physiochemical Symbols Terminology and Units, Blackwell Scientific Publications. — ISBN ISBN 0-632-03583-8
• Richard Myers The Basics of Chemistry. — Greenwood Press, 2003. — ISBN ISBN 0313316643
• Michael J. Padilla Prentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. — Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, Inc., 2002. — ISBN ISBN 0-13-054091-9
• Linus Pauling The Nature of the Chemical Bond. — Cornell University Press, 1960. — ISBN ISBN 0801403332
• Jeremy I. Pfeffer Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN ISBN 1860942504
• Leonid Ivanovich Ponomarev The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN ISBN 0750302518
• J. Kenneth Shultis Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN ISBN 0824708342
• Robert Siegfried From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN ISBN 0871699249
• Alan D. Sills Earth Science the Easy Way. — Barron's Educational Series, 2003. — ISBN ISBN 0764121464
• Boris M. Smirnov Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN ISBN 038795550X
• Dick Teresi Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science. — Simon & Schuster. — С. 213–214. — ISBN 074324379X
• Graham Woan The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN ISBN 0521575079
• Charles Adolphe Wurtz The Atomic Theory. — New York: D. Appleton and company, 1881.
• Marco Zaider Radiation Science for Physicians and Public Health Workers. — Springer, 2001. — ISBN ISBN 0306464039
• Steven S. Zumdahl Introductory Chemistry: A Foundation. — 5th edition. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN ISBN 0-618-34342-3

[править] Ссылки

Русскоязычные

ХuMuK.ru - Химическая энциклопедия Проверено 3 марта 2008 г.

Англоязычные

• Francis, Eden Atomic Size. Clackamas Community College. Проверено 2007-01-09 г.
• Freudenrich, Craig C How Atoms Work. How Stuff Works. Проверено 2007-01-09 г.
• Atom:The Atom Free High School Science Texts: Physics. Wikibooks. Проверено 2007-01-09 г.
• Anonymous The atom. Science aid+. Проверено 2007-01-09 г.—a guide to the atom for teens.
• Anonymous Atoms and Atomic Structure. BBC. Проверено 2007-01-11 г.
• Various Physics 2000, Table of Contents. University of Colorado. Проверено 2008-01-11 г.

п·о·р Уровни организации материи
организм → биологическая система (en) → орган → ткань → клетка → органелла → молекула → атом → элементарная частица  (составная (en) . фундаментальная)

Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

Это незавершённая статья по химии. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.