Центральный Дом Знаний - Атом

Информационный центр "Центральный Дом Знаний"

Заказать учебную работу! Жми!



ЖМИ: ТУТ ТЫСЯЧИ КУРСОВЫХ РАБОТ ДЛЯ ТЕБЯ

      cendomzn@yandex.ru  

Наш опрос

Я учусь (закончил(-а) в
Всего ответов: 2653

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0


Форма входа

Логин:
Пароль:

Атом

стр.: 1  2  3  4  5  6  7  8  9  10

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 А., обозначаемых символом элемента (например, А. водорода Н: А. железа Fe; А. ртути Hg; А. урана U).

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

Свойства макроскопических тел — газообразных, жидких и твёрдых — и свойства отдельных молекул зависят от свойств входящих в их состав А. Все свойства А., физические и химические, определяются его строением как системы, состоящей из ядра и электронов, и подчиняются характерным для микроскопических явлений квантовым законам. Ниже излагаются современные представления о строении и свойствах А.  

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

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 А. не имеют строго определённой границы; значения размеров А. в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны.

Заряд ядра — основная характеристика А., обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым кратным элементарного положительного электрич. заряда е, равного по абсолютному значению заряду электрона —е. Заряд ядра равен +Ze, где Z — порядковый номер (атомный номер). Z = 1, 2, 3, 4,... для А. последовательных элементов в периодической системе элементов Менделеева, т. е. для атомов Н, Не, Li, Be, ...В нейтральном А. ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом —Ze и полный заряд А. равен нулю; в положительном ионе —А., потерявшем k электронов (ионизованном А.), остаётся Z—k электронов (k = 1, 2, 3, ... — кратность ионизации) и его заряд равен +ke, в отрицательном ионе —А., присоединившем k электронов,— содержится Z + k электронов, и его заряд равен —ke. Для положительного иона максимальное значение k = Z (такой ион потерял все свои электроны и состоит из «голого» ядра); для отрицательного свободного иона k = 1, для связанных А. возможно образование отрицательных ионов с k > 1 (в растворах, комплексных соединениях и ионных кристаллах). Говоря об А. определённого элемента, подразумевают как нейтральные А., так и ионы этого элемента. Но иногда под А. понимают нейтральный А., в противоположность ионам. Положительные и отрицательные ионы при написании отличают от нейтрального А. индексом k+ и k—, например О обозначает нейтральный А. кислорода (Z = 8), О+, О2+(или O++), O3+,..., O8+ — его положительные ионы,О—, O2— (или О— — его отрицательные ионы. Совокупность нейтрального А. и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд. Простейший такой ряд начинается с А. водорода: H, He+, Li2+, Be3+, ...; члены этого ряда состоят из ядра и одного электрона.

Порядок значений зарядов ядер различных А. 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 А. 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 А. 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 А. в целом определяется в основном массой его ядра.

А. данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А—Z может меняться); такие разновидности А. 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 А. водорода (А = 1), А. дейтерия (А = 2) и А. трития (А = 3).

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

Наиболее точные значения масс А. могут быть определены методами масс-спектроскопии. Масса А. не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше — на дефект массы DМ = W/c2', где W — энергия образования А. из ядра и электронов, а с — скорость света. Эта поправка — порядка массы одного электрона mе для тяжёлых А., а для лёгких А. пренебрежимо мала (порядка 10—4 массы электрона).

Энергия атома и её квантование. Благодаря малым размерам и большой массе ядра его можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс А. (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс А. мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно А. можно рассматривать как систему, в которой N электронов с зарядами —е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в А. происходит в ограниченном объёме — оно является связанным. Полная внутренняя энергия А. Е равна сумме кинетических энергий всех электронов Т и потенциальной энергии U — энергии притяжения их ядром и отталкивания их друг от друга (электростатической энергии взаимодействия электрических зарядов ядра и электронов, согласно закону Кулона).

В простейшем случае А. 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 А. водорода Н+. Нейтральный А. водорода Н представляет, т. о., систему, состоящую из ядра и электрона в связанном состоянии с энергией E < 0.

Полная внутренняя энергия А. Е является его основной характеристикой как квантовой системы — системы, подчиняющейся квантовым законам. Как показывает огромный экспериментальный материал, А. 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 А.), может принимать одно из дискретного (прерывного) ряда значений

E1, E2, E3, ...(E1 < E2 < E3 < ...). (3)

Каждому из этих «дозволенных» значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых состояний движения. Промежуточными значениями энергии (например, лежащими между E1 и E2, E2 и E3 и т.д.) система обладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована, а нахождение возможных значений энергии называется квантованием энергии. Любое изменение энергии Е связано с квантовым (скачкообразным) переходом системы из одного стационарного квантового состояния в другое (см. ниже).

Графически возможные дискретные значения энергии (3) А. можно изобразить, по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (на различные уровни), в виде схемы уровней энергии, где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте Ei (i = 1, 2, 3, ...); такая схема приведена на рис. 1, б для А. 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 А. является следствием волновых свойств электронов. Нельзя считать, что электрон в А. 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 А. l ~ 10—8 см, т. е. порядка линейных размеров А., и учёт волновых свойств электрона в А. является необходимым. Связанное движение электрона в А. схоже со 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 А., из связанных микрочастиц, может иметь лишь определённые значения энергии, т. е. энергия квантуется и получается дискретная последовательность уровней энергии — дискретный энергетический спектр. Для А. водорода такая дискретная последовательность получается при Е < 0 (см. рис. 1). Свободное, т. е. не ограниченное в пространстве, поступательное движение микрочастицы, например движение электрона, оторванного от А. (в случае А. водорода — электрона с энергией Е > 0), сходно с распространением бегущей волны в неограниченном объёме, для которой возможны любые значения l (и v). Энергия такой свободной микрочастицы может принимать любые значения, т. е. не квантуется, и получается непрерывная последовательность уровней энергии — непрерывный энергетический спектр. Для А. водорода такая непрерывная последовательность, соответствующая ионизованному А., получается при E > 0. Значение Е ¥ = 0 соответствует границе ионизации, а разность Е ¥ — Е1 = Еион представляет энергию ионизации: для А. водорода она равна 13,6 эв.

Распределение электронной плотности. Состояние электрона в А. можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда с некоторой плотностью — распределением электронной плотности. При этом электроны рассматриваются наглядным образом, как «размазанные» в пространстве и образующие «электронное облако». Такая модель правильнее характеризует электроны в А., чем модель точечного электрона, движущегося, согласно теории Бора , 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 А. 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 А. в целом. При ионизации А. теряет внешние электроны; размеры положительных ионов тем меньше размеров нейтрального А., чем выше кратность иона. Наоборот, размеры отрицательных ионов больше размеров нейтрального А.

Учёт спина электрона и спина ядра. В теории А. весьма существен учёт 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 А. 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 А.: от спина электронов зависит заполнение электронных оболочек А. определённым числом электронов (см. ниже).

Ядро в А. также может обладать собственным механическим моментом — ядерным спином, с которым связан небольшой ядерный магнитный момент (в сотни и тысячи раз меньший электронного магнитного момента), а в некоторых случаях и т. н. квадрупольный электрический момент. Это приводит к дополнительным очень малым взаимодействиям ядра и электронов, обусловливающим дополнительное расщепление уровней энергии А. — т. н. сверхтонкую структуру (малую по сравнению с тонкой структурой).

Квантовые состояния атома водорода. Важнейшую роль в квантовой теории А. играет теория простейшего одноэлектронного А., состоящего из ядра с зарядом +Ze и электрона с зарядом —е, — теория А. водорода Н и водородоподобных ионов Не+, Li2+, Ве3+,... (изоэлектронного ряда, см. выше), называется обычно теорией А. водорода. Методами квантовой механики можно получить точную и полную характеристику состояний электрона в одноэлектронном А. Задача о сложных (многоэлектронных) атомах решается лишь приближённо; при этом исходят из результатов решения задачи об одноэлектронном А.

Уровни энергии А. водорода и водородоподобных ионов. Энергия одноэлектронного А. (без учёта спина электрона) равна


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 А. 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 А. (энергия связи электрона в таком А.) равна (в эв)

Еион = E¥ — E1 = RZ2 = 13,6Z2 (5)

что даёт для Н, Не+, Li2+, ... значения 13,6 эв, 54,4 эв, 122,4 эв, ...

Основная формула (4) соответствует выражению 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 А. (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 А. 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 А. водорода.

Характеристика квантовых состояний атома водорода. Согласно квантовой механике, состояние А. 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)ms — магнитным спиновым квантовым числом ms = 1/2, —1/2.

продолжение

Loading

Календарь

«  Июль 2019  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031

Архив записей

Друзья сайта

  • Заказать курсовую работу!
  • Выполнение любых чертежей
  • Новый фриланс 24