Атом

(от греч. Atomos - неделимый), наименьшая частица хим. Элемента, носитель его св-в. Каждому хим. Элементу соответствует совокупность определенных А. Связываясь друг с другом, А. Одного или разных элементов образуют более сложные частицы, напр. Молекулы. Все многообразие хим. В-в (твердых, жидких и газообразных) обусловлено разл. Сочетаниями А. Между собой. А. Могут существовать и в своб. Состоянии (в газе, плазме). Св-ва А., в т. Ч. Важнейшая для химии способность А. Образовывать хим. Соед., определяются особенностями его строения. Общая характеристика строения атома. А. Состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры А. В целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра А^ (линейные размеры А.

~ 10~8 см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако А. Не имеет строго определенных границ, поэтому размеры А. В значит. Степени условны и зависят от способов их определения (см. Атомные радиусы). Ядро А. Состоит из Z протонов и Nнейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное). Положит. Заряд протона и отрицат. Заряд электрона одинаковы по абс. Величине и равны е= 1,60*10-19 Кл. Нейтрон не обладает элек-трич. Зарядом. Заряд ядра +Ze - осн. Характеристика А., обусловливающая его принадлежность к определенному хим. Элементу. Порядковый номер элемента в периодич. Системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре. В электрически нейтральном А. Число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соотв.

В положит. Или отрицат. Ион, напр. Li+, Li2+ или О -, О 2-. Говоря об А. Определенного элемента, подразумевают как нейтральные А., так и ионы этого элемента. Масса А. Определяется массой его ядра. Масса электрона (9,109*10-28 г) примерно в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона ( 1,67*10-24 г), поэтому вклад электронов в массу А. Незначителен. Общее число протонов и нейтронов А = Z + N наз. Массовым числом. Массовое число и заряд ядра указываются соотв. Верхним и нижним индексами слева от символа элемента, напр. 2311Na. Вид атомов одного элемента с определенным значением Nназ. Нуклидом. А. Одного и того же элемента с одинаковыми Z и разными Nназ. Изотопами этого элемента. Различие масс изотопов мало сказывается на их хим. И физ.

Св-вах. Наиболее значит, отличия (изотопные эффекты )наблюдаются у изотопов водорода вследствие большой относит. Разницы в массах обычного атома (протия), дейтерия D и трития Т . Точные значения масс А. Определяют методами масс-спектрометрии. Квантовые состояния атома. Благодаря малым размерам и большой массе ядро А. Можно приближенно считать точечным и покоящимся в центре масс А. И рассматривать А. Как систему электронов, движущихся вокруг неподвижного центра - ядра. Полная энергия такой системы Еравна сумме кинетич. Энергий Твсех электронов и потенциальной энергии U, к-рая складывается из энергии притяжения электронов ядром и энергии взаимного отталкивания электронов друг от друга. А. Подчиняется законам квантовой механики.

Его осн. Характеристика как квантовой системы - полная энергия Е - может принимать лишь одно из значений дискретного ряда Е 1 <. Е 2 <. Е 3 <>. Промежут. Значениями энергии А. Обладать не может. Каждому из "разрешенных" значений Есоответствует одно или неск. Стационарных (с не изменяющейся во времени энергией) состояний А. Энергия Еможет изменяться только скачкообразно - путем квантового перехода А. Из одного стационарного состояния в другое. Методами квантовой механики можно точно рассчитать Едля одноэлектронных А. - водорода и водородоподобных. Е= ЧhcRZ2/n2,> где h - постоянная Планка, с- скорость света, целое число п= 1, 2, 3, . Определяет дискретные значения энергии и наз. Главным квантовым числом. R-постоянная Ридберга (hcR =13,6 эВ).

При использовании СИ ф-ла для выражения дискретных уровней энергии одноэлектронных А. Записывается в виде. где т е-> масса электрона, -электрич. Постоянная, Возможные "разрешенные" значения энергии электронов в А. Изображают в виде схемы уровней энергии - горизонтальных прямых, расстояния между к-рыми соответствуют разностям этих значений энергий (рис. 1). Наиб. Низкий уровень E1, отвечающий минимально возможной энергии, наз. Основным, все остальные - возбужденными. Аналогично наз. Состояния (основное и возбужденныеХ к-рым соответствуют указанные уровни энергии. С ростом пуровни сближаются и при энергия электрона приближается к значению, отвечающему своб. (покоящемуся) электрону, удаленному из А. Квантовое состояние А.

С энергией Еполностью описывается волновой ф-цией , где r-радиус-вектор электрона относительно ядра. Произведение равно вероятности нахождения электрона в объеме dV, то есть -плотность вероятности ( электронная плотность). Волновая ф-ция определяется уравнением Шрёдингера =, где R-оператор полной энергии (гамильтониан). Наряду с энергией движение электрона вокруг ядра (орбитальное движение) характеризуется орбитальным моментом импульса (орбитальным мех. Моментом) М 1. Квадрат его величины может принимать значения, определяемые орбитальным квантовым числом l = 0, 1, 2, . , где . При заданном и квантовое число l может принимать значения от 0 до (и Ч 1). Проекция орбитального момента на нек-рую ось z также принимает дискретный ряд значений М lz =, где ml -магнитное квантовое число, имеющее дискретные значения от Ч l до +l(-l,.

- 1, О, 1, . + l), всего 2l+ 1 значений. Ось z для А. В отсутствие внеш. Сил выбирается произвольно, а в магн. Поле совпадает с направлением вектора напряженности поля. Электрон обладает также собственным моментом импульса -спином и связанным с ним спиновым магн. Моментом. Квадрат спинового мех. Момента М S2 =S(S>+ + 1) определяется спиновым квантовым числом S= 1/2, а проекция этого момента на ось z sz = = -квантовым числом s,> принимающим полуцелые значения s=1/2 > и s= Состояния с заданными пи l принято обозначать как 1s, 2s, 2p, 3s и т. Д., где цифры указывают значения л, а буквы s, p, d, f и дальше по латинскому алфавиту соответствуют значениям д = 0, 1, 2, 3, . Число разл. Состояний с заданными пи д равно 2(2l+ 1) числу комбинаций значений ml и ms.

Общее число разл. Состояний с заданным правно , т. Е. Уровням со значениями п= 1, 2, 3, . Соответствуют 2, 8, 18, ..., 2n2 разл. Квантовых состояний. Уровень, к-рому соответствует лишь одно квантовое состояние (одна волновая ф-ция), наз. Невырожденным. Если уровню соответствует два или более квантовых состояний, он наз. Вырожденным (см. Вырождение энергетических уровней). В А. Водорода уровни энергии вырождены по значениям l и ml. Вырождение по ms имеет место лишь приближенно, если не учитывать взаимод. Спинового магн. Момента электрона с магн. Полем, обусловленным орбитальным движением электрона в электрич. Поле ядра (см. Спин-орбитальное взаимодействие). Это - релятивистский эффект, малый в сравнении с кулоновским взаимод., однако он принципиально существен, т.

К. Приводит к дополнит. Расщеплению уровней энергии, что проявляется в атомных спектрах в виде т. Наз. Тонкой структуры. При заданных n, l и ml квадрат модуля волновой ф-ции определяет для электронного облака в А. Среднее распределение электронной плотности. Разл. Квантовые состояния А. Водорода существенно отличаются друг от друга распределением электронной плотности (рис. 2). Так, при l = 0 (s-состояния) электронная плотность отлична от нуля в центре А. И не зависит от направления (т. Е. Сферически симметрична), для остальных состояний она равна нулю в центре А. И зависит от направления. Рис. 2. Форма электронных облаков для различных состояний атома водорода. В многоэлектронных А. Вследствие взаимного электростатич. Отталкивания электронов существенно уменьшается прочность их связи с ядром.

Напр., энергия отрыва электрона от иона Не + равна 54,4 эВ, в нейтральном атоме Не она значительно меньше - 24,6 эВ. Для более тяжелых А. Связь внеш. Электронов с ядром еще слабее. Важную роль в многоэлектронных А. Играет специфич. обменное взаимодействие, связанное с неразличимостью электронов, и тот факт, что электроны подчиняются Паули принципу, согласно к-рому в каждом квантовом состоянии, характеризуемом четырьмя квантовыми числами, не может находиться более одного электрона. Для многоэлектронного А. Имеет смысл говорить только о квантовых состояниях всего А. В целом. Однако приближенно, в т. Наз. Одноэлектронном приближении, можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждое одноэлектронное состояние (определенную орбиталъ, описываемую соответствующей ф-цией) совокупностью четырех квантовых чисел n, l, ml и s.> Совокупность 2(2l+ 1) электронов в состоянии с данными пи l образует электронную оболочку (наз.

Также подуровнем, подоболочкой). Если все эти состояния заняты электронами, оболочка наз. Заполненной (замкнутой). Совокупность .