Атом

(далее А)(от греч. atomos — неделимый), частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определенный род А обозначаемых символом элемента (например, А Н: А ; А ; А ).   А могут существовать как в свободном состоянии, в газе, так и в связанном. Соединяясь с А того же элемента или А других элементов, они образуют более сложные микрочастицы — молекулы, все огромное многообразие соединений обусловлено различными сочетаниями А в молекулах. Связываясь друг с другом непосредственно .или в составе молекул, А образуют жидкости и твердые тела.   Свойства макроскопических тел — газообразных, жидких и твердых — и свойства отдельных молекул зависят от свойств входящих в их состав А Все свойства А физические и 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 (историю развития учения об А см. в ст. Атомная физика).   АОбщая характеристика строения А состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких 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 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 определенной границы; значения размеров А в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны (см. Атомные радиусы).   Заряд ядра — основная характеристика А обусловливающая его принадлежность определенному 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 ( номер). Z = 1, 2, 3, 4,... для А последовательных элементов в периодической системе элементов т. е. для Н, Не, , , ...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 остается 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 определенного 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 (Z = 8), О+, О2+(или + +), 3+,..., 8+ — его положительные ионы,О—, 2— (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 , +, 2+, 3+, ...; члены этого ряда состоят из ядра и одного электрона.   Порядок значений зарядов ядер различных А был определен английским физиком Э. Резерфордом в его первоначальных опытах по рассеянию альфа-частиц (1911). Значения Z были надежно 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 возрастает с увеличением Z. Масса ядра А приближенно 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. и большинство физических свойств (оптические, электрические, определяемые строением электронных оболочек, одинаковы или очень близки для всех изотопов данною элемента. Наибольшие отличия в свойствах (изотонические эффекты) получаются для изотопов (Z = 1) из-за большой разницы в массах обычного легкого А (А = 1), А дейтерия (А = 2) и А трития (А = 3).   Масса А приближенно равна массовому числу А и изменяется от 1,67 10—24 г для самого легкого А (основного изотопа: Z = 1, A = 1) до примерно 4 10—22 г для самых тяжелых 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 = /c2", где — энергия образования А из ядра и электронов, а с — скорость света. Эта поправка — порядка массы одного электрона mе для тяжелых А а для легких А пренебрежимо мала (порядка 10—4 массы электрона).   Энергия и ее квантование. Благодаря малым размерам и большой массе ядра его можно приближенно 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 электронов с зарядами —е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в А происходит в ограниченном объеме — оно является связанным. Полная внутренняя энергия А Е равна сумме кинетических энергий всех электронов Т и потенциальной энергии — 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 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) = (r) = —e2/r     (2) и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция (r) изображается кривой (Арис. 1