БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ
Навигация:

Библиотека DJVU
Photogallery

БСЭ

Статистика:


Атом

Значение слова "Атом" в Большой Советской Энциклопедии


Атом (от греч. atomos — неделимый), частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента,
являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определённый род водорода Н: Атом железа Fe; Атом ртути Hg; Атом урана U).

  Атом могут существовать как в свободном состоянии, в газе, так и в связанном. Соединяясь химически с Атом того же элемента или Атом других элементов, они образуют более сложные микрочастицы — молекулы, всё огромное многообразие химических соединений обусловлено различными сочетаниями Атом в молекулах. Связываясь друг с другом непосредственно .или в составе молекул, Атом образуют жидкости и твёрдые тела.

  Свойства макроскопических тел — газообразных, жидких и твёрдых — и свойства отдельных молекул зависят от свойств входящих в их состав Атом Все свойства Атомная физика).

  Общая характеристика строения атома. Атом состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки Атом Размеры Атом в целом определяются размерами его электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра Атом

  Характерные порядки размеров:

 

Линейные размеры

Площадь*

Объем

Атом

10—8 см

10—16 см2

10—24 см3

Ядро

10—12 см

10—24 см2

10—36 см3

Отношение

104

108

1012

* Поперечное сечение.

  Электронные оболочки Атом не имеют строго определённой границы; значения размеров Атом в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны (см. Атомные радиусы).

  Заряд ядра — основная характеристика Li, Be, ...В нейтральном Атом ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом —Ze и полный заряд Атом равен нулю; в положительном ионе —комплексных соединениях и ионных кристаллах). Говоря об Атом определённого элемента, подразумевают как нейтральные кислорода (Z = 8), О+, О2+(или O++), O3+,..., O8+ — его положительные ионы,О, O2— (или О— его отрицательные ионы. Совокупность нейтрального Атом и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд. Простейший такой ряд начинается с Атом водорода: H, He+, Li2+, Be3+, ...; члены этого ряда состоят из ядра и одного электрона.

  Порядок значений зарядов ядер различных Атом был определён английским физиком Э. Резерфордом в его первоначальных опытах по рассеянию альфа-частиц (1911). Значения Z были надёжно установлены английским физиком Г. Мозли (1913—14) на основе изучения рентгеновских спектров последовательных элементов в периодической системе. Кратность заряда ядра Атом элементарному заряду е получила объяснение, исходя из представлений о строении ядра: Z равно числу протонов в ядре, протон имеет заряд +е, и полный заряд ядра равен сумме зарядов всех Z протонов, т. е. +Ze.

  Масса атома возрастает с увеличением Z. Масса ядра Атом приближённо пропорциональна массовому числу А — общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0,91 10—27 г) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы протона или нейтрона (1,67 10—24 г), и поэтому масса Атом в целом определяется в основном массой его ядра.

  Атом данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А—Z может меняться); такие разновидности Атом одного и того же элемента называются изотопами. Различие массы ядра почти не сказывается на строении их электронных оболочек, зависящем от заряда ядра Z. Химические и большинство физических свойств (оптические, электрические, магнитные), определяемые строением электронных оболочек, одинаковы или очень близки для всех изотопов данною элемента. Наибольшие отличия в свойствах (изотонические эффекты) получаются для изотопов водорода (Z = 1) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого Атом водорода (А = 1), Атом дейтерия (А = 2) и Атом трития (А = 3).

  Масса Атом приближённо равна массовому числу А и изменяется от 1,67 10—24 г для самого лёгкого Атом водорода (основного изотопа: Z = 1, A = 1) до примерно 4 10—22 г для самых тяжёлых Атом трансурановых элементов (Z = 100, А = 250).

  Наиболее точные значения масс Атом могут быть определены методами масс-спектроскопии. Масса Атом не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше — на дефект массы DМ = W/c2", где W энергия образования Атом из ядра и электронов, а с — скорость света. Эта поправка — порядка массы одного электрона mе для тяжёлых N электронов с зарядами —е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в Атом происходит в ограниченном объёме — оно является связанным. Полная внутренняя энергия Атом Е равна сумме кинетических энергий всех электронов Т и потенциальной энергии Uэнергии притяжения их ядром и отталкивания их друг от друга (электростатической энергии взаимодействия электрических зарядов ядра и электронов, согласно закону Кулона).

  В простейшем случае Атом водорода один электрон с зарядом —е движется вокруг неподвижного центра с зарядом +е. В этом случае, согласно классической механике, кинетическая энергия

Т =1/2mv =p2/2m     (1)

  где m — масса, v — скорость, p = mv — количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии притяжения электрона ядром)

U = U(r) = —e2/r     (2)

и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция U(r) изображается кривой (рис. 1, а), неограниченно убывающей при уменьшении r, т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U (r) на бесконечности принято за нуль. При отрицательных значениях полной энергии Е = Т + U < 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r = rmax, при которых Т = 0, Е = U(rmax). При положительных значениях полной энергии E = T + U > 0 движение электрона является свободным — он может уйти на бесконечность с энергией Е = Т = 1/2 mv2, что соответствует ионизованному Атом водорода Н+. Нейтральный Атом водорода Н представляет, т. о., систему, состоящую из ядра и электрона в связанном состоянии с энергией E < 0.

  Полная внутренняя энергия Атом Е является его основной характеристикой как квантовой системы — системы, подчиняющейся квантовым законам (см. Квантовая механика). Как показывает огромный экспериментальный материал (см., например, Франка—Герца опыт), Атом может длительно находиться лишь в состояниях с определённой энергией — стационарных (неизменных во времени) состояниях.

  Существование стационарных состояний — один из основных законов физики микроскопических явлений — квантовой физики. Внутренняя энергия квантовой системы, состоящей из связанных микрочастиц (такой системой и является уровней энергии, где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте Ei (i = 1, 2, 3, ...); такая схема приведена на рис. 1, б для Атом водорода (на рис. 1, а при E < 0 оказываются, т. о., возможными лишь определённые ступеньки, соединённые горизонтальным пунктиром с уровнями схемы на рис. 1, б). Самый нижний уровень Ei, соответствующий наименьшей возможной энергии системы, называется основным, а все остальные (Ei > Ei, г = 2, 3, 4, ...) — возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные возбуждённые состояния из стационарного основного состояния) необходимо возбудить систему — сообщить ей извне энергию Ei—E1.

  Квантование энергии Атом является следствием волновых свойств электронов. Нельзя считать, что электрон в Атом движется как материальная точка по определённой траектории, согласно законам классической механики. Эти законы справедливы лишь для частиц большой массы (макрочастиц), а для электрона, как микрочастицы, необходимо учитывать, наряду с его корпускулярными свойствами (свойствами частицы), и его волновые свойства. Согласно квантовой механике, движению микрочастицы массы m со скоростью v соответствует длина волны l = h/mv, где h — Планка постоянная. Для электрона в Атом l ~ 10—8 см, т. е. порядка линейных размеров стоячей волной, и его следует рассматривать не как движение материальной точки по траектории, а как сложный колебательный процесс. Для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определённые значения длины волны l (и, следовательно, частоты колебаний v). Так как, согласно квантовой механике, v = E/h, отсюда следует, что система, состоящая, подобно Атомная физика), по строго определённым орбитам. Вместе с тем боровским орбитам можно сопоставить определённые распределения электронной плотности. Для основного уровня энергии Е1 электронная плотность концентрируется вблизи ядра; для возбуждённых уровней энергии E2, E3, E4,... она распределяется на всё больших средних расстояниях от ядра (что соответствует возрастанию размера орбит в теории Бора). В сложном Атом эти электроны группируются в оболочки, окружающие ядро на различных расстояниях и характеризующиеся определёнными распределениями электронной плотности. Прочность связи электронов в более внешних оболочках меньше, чем во внутренних, и слабее всего электроны связаны в самой внешней оболочке, обладающей наибольшими размерами, которые и определяют размеры Атом в целом. При ионизации Атом теряет внешние электроны; размеры положительных ионов тем меньше размеров нейтрального спина электрона — его собственного (спинового) момента количества движения, с наглядной точки зрения соответствующего вращению электрона вокруг собственной оси (если электрон рассматривать как частицу малых размеров). Со спином электрона связан его магнитный момент. Поэтому в Атом необходимо учитывать, наряду с электростатическими взаимодействиями (см. выше), и магнитные взаимодействия, определяемые спиновым магнитным моментом, а также орбитальным магнитным моментом, связанным с движением электрона вокруг ядра; магнитные взаимодействия малы по сравнению с электростатическими. Наиболее существенное влияние спина проявляется в сложных Моменты атомных ядер). Это приводит к дополнительным очень малым взаимодействиям ядра и электронов, обусловливающим дополнительное расщепление уровней энергии Атом — т. н. сверхтонкую структуру (малую по сравнению с тонкой структурой).

  Квантовые состояния атома водорода. Важнейшую роль в квантовой теории Атом играет теория простейшего одноэлектронного

  целое число n = 1, 2, 3, ... определяет возможные дискретные значения энергии — уровни энергии; его называют главным квантовым числом. R
Ридберга постоянная, равная 13,6 эв. Уровни энергии Атом водорода на схеме рис. 1, б построены для Z = 1 согласно формуле (4); они сгущаются (сходятся) к границе ионизации Е¥ = 0, соответствующей n = ¥ (уровни энергии с n > 5 на схеме не показаны). Для водородоподобных ионов изменяется (в Z2 раз) лишь масштаб энергий. Энергия ионизации водородоподобного Атом (энергия связи электрона в таком U (r) = —Ze2/r для потенциальной энергии электрона, притягиваемого ядром с зарядом +Ze [см. (2) и рис. 1, а для случая Z = 1]. Эта формула была впервые выведена Н. Бором в его теории Атом (1913) путём рассмотрения движения электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. Уровням энергии (4) соответствуют орбиты радиуса

anZ = a0n2/Z     (6)

где постоянная a0 = 0,529 10—8см = 0,529  — радиус первой круговой орбиты Атом водорода, соответствующей его основному уровню (этим боровским радиусом часто пользуются в качестве удобной единицы для измерений длин в атомной физике). Радиус орбит пропорционален квадрату главного квантового числа n2 и обратно пропорционален Z; для водородоподобных ионов масштаб линейных размеров уменьшается в Z раз по сравнению с Атом водорода.

  Характеристика квантовых состояний атома водорода. Согласно квантовой механике, состояние Атом водорода полностью определяется дискретными значениями четырёх физических величин: энергии Е, орбитального момента Ml, (момента количества движения электрона относительно ядра); проекции Mlz орбитального момента на направление z (выбранное произвольно в пространстве); проекции Msz спинового момента (собственного момента количества движения электрона Ms). Возможные значения этих физических величин, в свою очередь, определяются соответствующими квантовыми числами:

  1) Е — по закону (4) — главным квантовым числом n =1, 2, 3, ...;

  2) Мl по закону Ml2 = (h2/4p2)l(l + 1) [при l " 1, Ml2 = (h2/4p2)l2 орбитальным (или азимутальным) квантовым числом l = 0,1, 2, ..., n—1;

  3) Mlz по закону Mlz = (h/2p)mlz магнитным орбитальным квантовым числом ml = l, l—1, ..., —l;

  4) Msz по закону Msz = (h/2p)msмагнитным спиновым квантовым числом ms = 1/2, —1/2.

  Значения квантовых чисел n, l, ml, ms и характеризуют состояние электрона в Атом водорода. Энергия Атом водорода зависит только от n, и уровню энергии с заданным n соответствует ряд состояний, отличающихся значениями l, ml и ms. Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать как 1s, 2s, 2p, 3s, ..., где цифры указывают значение n, а буквы s, р, d, f (дальше по латинскому алфавиту) — соответственно значения l = 0, 1, 2, 3, ... При заданных n и l число различных состояний равно 2(2l + 1) — числу комбинаций значений ml и ms (первое принимает 2l + 1 значение, второе — 2 значения). Общее число различных состояний с заданными n и l при учёте, что l может принимать значения от 0 до n—1, получается равным



  Т. о., каждому уровню энергии Атом водорода соответствует 2, 8, 18, ..., 2n2 (при n = 1, 2, 3, ...) различных стационарных квантовых состояний (рис. 2). Если уровню энергии соответствует лишь одно квантовое состояние, то его называют невырожденным, если два или более — вырожденным (см. Вырождение), а число таких состояний g называются степенью или кратностью вырождения (для невырожденных уровней энергии g = 1). Уровни энергии Атом водорода являются вырожденными, а их степень вырождения gn = 2n2.

  Для различных состояний Атом водорода получается и различное распределение электронной плотности. Оно зависит от квантовых чисел n, l и /mi/. При этом электронная плотность для s-cocтояний (l = 0) отлична от нуля в центре, т. е. в месте нахождения ядра, и не зависит от направления (сферически симметрична), а для остальных состояний (l > 0) она равна нулю в центре и зависит от направления. Распределение электронной плотности для состояний Атом водорода с n = 1, 2 и 3 показано на рис. 3 (оно получено фотографированием специальных моделей); размеры «электронного облака» растут примерно пропорционально n2(масштаб на рис. 3 уменьшается при переходе от n = 1 к n = 2 и от n = 2 к n = 3), что соответствует увеличению радиуса орбит по формуле (6) в теории Бора.

  Квантовые состояния электрона в водородоподобных ионах характеризуются теми же четырьмя квантовыми числами n, l, ml и ms, что и в Атом водорода. Сохраняется и распределение электронной плотности, только она увеличивается в Z раз и на рис. 3 масштабы нужно уменьшить также в Z раз. Соответственно уменьшаются и размеры орбит.

  Действие внешних полей на уровни энергии атома водорода. Во внешнем электрическом и магнитном полях Атом как электрическая система приобретает дополнительную энергию. Электрическое поле поляризует Атом — смещает электронное облако относительно ядра, а магнитное поле ориентирует определённым образом магнитный момент Штарка явление, так и расщепление в магнитном поле — Зеемана явление, для уровней энергии Атом водорода пропорциональны напряжённости полей.

  К расщеплению уровней энергии приводят и малые магнитные взаимодействия внутри Атом Для Атом водорода и водородоподобных ионов имеет место спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие спинового и орбитального моментов электрона, не учитываемое при выводе основной формулы (4); оно обусловливает т.н. тонкую структуру уровней энергии — расщепление возбуждённых уровней Еn (при n > 1) на подуровни. Наиболее точные исследования тонкой структуры методами радиоспектроскопии показали наличие т. н. сдвига уровней, объясняемого в квантовой электродинамике.

  Для всех уровней энергии Атом водорода наблюдается и сверхтонкая структура, обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами. Уровень E1 расщепляется на 2 подуровня с расстоянием между ними примерно 5 10—6 эв.

  Электронные оболочки сложных атомов. Теория сложных


Статья про слово "Атом" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 8525 раз


Интересное