Общая характеристика строения

Общая характеристика строения атома.
А. состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрич. зарядом,
и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрич. 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:

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

Заряд ядра - осн. характеристика
А., обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра
всегда является целым кратным элементарного положительного электрич. заряда
е, равного по абс. значению заряду электрона -е. Заряд ядра равен + Ze,
где Z - порядковый номер (атомный номер). 2 = 1, 2, 3, 4,... для А. последовательных
элементов в периодической системе элементов Менделеева, т. е. для атомов
Н, Не, Li, Be, ... В не й-тральном 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 положит. иона макс. значение k=Z (такой ион потерял
все свои электроны и состоит из "голого" ядра); для отрицательного свободного
иона fe = l; для связанных А. возможно образование отрицат. ионов с k>l
(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 отрицат. ионы при написании отличают от нейтрального
А. индексом k+ и k-, напр. О обозначает нейтральный А. кислорода (Z=8),
O<⁺, О²⁺(или О⁺⁺), О³⁺,...,
О⁸⁺- его положит, ионы, О^- , О^2- (или
О^- ) - его отрицат. ионы. Совокупность нейтрального А. и ионов
др. 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 англ. физиком Э. Резерфордом в его первонач.
опытах по рассеянию альфа-частиц (1911). Значения Z были надёжно установлены
англ, физиком Г. Мозли (1913-14) на основе изучения рентгеновских спектров
последовательных элементов в периодич. 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 наз.
изотопами. Различие массы ядра почти не сказывается на строении их электронных
оболочек, зависящем от заряда ядра Z. Химические и большинство физ. свойств
(оптич., электрические, магнитные), определяемые строением электронных
оболочек, одинаковы или очень близки для всех изотопов данного элемента.
Наибольшие отличия в свойствах (и з о т о п и ч е с к и е э ф ф е к т ы)
получаются для изотопов водорода (Z = l) 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^-24г для самого лёгкого
А. водорода (основного изотопа: Z = 1,A = 1) до примерно 4-10^-22г
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 AM = W/c², где W - энергия образования А.
из ядра и электронов, а с - скорость света. Эта поправка - порядка массы
одного электрона тмала (порядка 10^-4 массы электрона).

Э н е р г и я
а т о м а
и е ё
к в а н т о в а н и е. 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 к-рой
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 кинетич.
энергий всех электронов Т и потенциальной энергии U - энергии притяжения
их ядром и отталкивания их друг от друга (э л е к т ро с т а т и ч е с
к о й э н е р г и и взаимодействия электрич. 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 классич. механике, кинетич. энергия

Т = ¹ /2
= р²/2т, (1) где т - 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, я), неограниченно убывающей при уменьшении r, т. е. при
приближении электрона к ядру. Значение U (r) на бесконечности принято за
нуль. При отрицат. значениях полной энергии E=Т+U<0 движение электрона
является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r = rк-рых Т=0, Е = и(rЕ=T+U>0 движение электрона является свободным - он может уйти на бесконечность
с энергией E=T = ¹/2, что соответствует
ионизованному А. водорода Н⁺. Нейтральный А. водорода Н представляет,
т. о., систему, состоящую из ядра и электрона в связанном состоянии с энергией
Е<0.

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

Существование стационарных
состояний - один из основных законов физики микроскопич. явлений - квантовой
физики. Внутренняя энергия к в а н-

товой системы, состоящей
из связанных микрочастиц (такой системой и является А.), может принимать
одно из дискретного (прерывного) ряда значений

Каждому из этих "дозволенных"
значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых
состояний движения. Промежуточными значениями энергии (напр., лежащими
между Eобладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована,
а нахождение возможных значений энергии наз. квантованием энергии. Любое
изменение энергии Е связано с квантовым (скачкообразным) п е-р е х о д
о м 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 E1, 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, наз. основным, а все остальные (Ei>Ei, i=2,3,4,...)-
возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные
в о з б у ж д ё н н ы е состояния из стационарного о с н о вн о г о с о
с т о я н и я) необходимо возбудить систему - сообщить ей извне энергию
Ei-Ei.

Квантование энергии А. является
следствием волновых свойств электронов. Нельзя считать, что электрон в
А. движется как материальная точка по определённой траектории, согласно
законам классич. 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 т со скоростью
v соответствует длина волны L=h/mv, где h - Планка постоянная. Для электрона
в А. L

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я