De karakteristieke grootte van een atoom is. Atoom - "Encyclopedie"

De meesten van ons bestudeerden het onderwerp van het atoom op school, in een natuurkundeles. Als je desondanks bent vergeten waaruit een atoom bestaat, of als je dit onderwerp net begint door te nemen, is dit artikel iets voor jou.

Wat is een atoom?

Om te begrijpen waar een atoom uit bestaat, moet je eerst begrijpen wat het is. De algemeen aanvaarde stelling in het schoolcurriculum in de natuurkunde is dat een atoom het kleinste deeltje is van een chemisch element. Atomen bevinden zich dus in alles wat ons omringt. Of het nu een levend of levenloos object is, op de lagere fysiologische en chemische lagen is het samengesteld uit atomen.

Atomen maken deel uit van een molecuul. Ondanks dit geloof zijn er elementen die kleiner zijn dan atomen, zoals quarks. Het onderwerp quarks wordt niet besproken op school of op universiteiten (met uitzondering van speciale gevallen). Quark is een chemisch element dat geen interne structuur heeft, d.w.z. veel lichter van structuur dan een atoom. Op dit moment kent de wetenschap 6 soorten quarks.

Waar is een atoom van gemaakt?

Alle objecten om ons heen bestaan, zoals gezegd, uit iets. Er is een tafel en twee stoelen in de kamer. Elk meubelstuk is op zijn beurt gemaakt van een bepaald materiaal. In dit geval hout. Een boom is opgebouwd uit moleculen, en die moleculen zijn opgebouwd uit atomen. En er zijn oneindig veel van zulke voorbeelden. Maar waar is het atoom zelf van gemaakt?

Een atoom bestaat uit een kern met daarin protonen en neutronen. Protonen zijn positief geladen deeltjes. Neutronen zijn, zoals de naam al aangeeft, neutraal geladen, d.w.z. hebben geen lading. Rond de kern van een atoom bevindt zich een veld (elektrische wolk) waarin elektronen (negatief geladen deeltjes) bewegen. Het aantal elektronen en protonen kan van elkaar verschillen. Het is dit verschil dat de sleutel is in de chemie, wanneer de kwestie van het behoren tot een stof wordt bestudeerd.

Een atoom met een ander aantal van de bovenstaande deeltjes wordt een ion genoemd. Zoals je misschien al geraden had, kan een ion negatief of positief zijn. Het is negatief als het aantal elektronen groter is dan het aantal protonen. Omgekeerd, als er meer protonen zijn, zal het ion positief zijn.

Atoom in de visie van oude denkers en wetenschappers

Er zijn een aantal zeer interessante veronderstellingen over het atoom. Hieronder zal een lijst zijn:

• Democritus' suggestie. Democritus ging ervan uit dat de eigenschap van een stof afhangt van de vorm van het atoom. Dus als iets de eigenschap heeft van een vloeistof, dan is dit precies te wijten aan het feit dat de atomen waaruit deze vloeistof bestaat, glad zijn. Gebaseerd op de logica van Democritus zijn de atomen van water en bijvoorbeeld melk vergelijkbaar.
• planetaire veronderstellingen. In de 20e eeuw presenteerden sommige wetenschappers aannames dat het atoom een ​​​​soort planeten is. Een van deze aannames was als volgt: net als de planeet Saturnus heeft het atoom ook ringen rond de kern, waarlangs elektronen bewegen (de kern wordt vergeleken met de planeet zelf, en de elektrische wolk met de ringen van Saturnus). Ondanks de objectieve overeenkomst met de bewezen theorie, werd deze versie weerlegd. Vergelijkbaar was de suggestie van Bohr-Rutherford, die later ook werd weerlegd.

Desondanks kan men gerust stellen dat Rutherford een grote sprong heeft gemaakt om de werkelijke essentie van het atoom te begrijpen. Hij had gelijk toen hij zei dat het atoom lijkt op de kern, die op zichzelf positief is, en dat atomen eromheen bewegen. De enige fout in zijn model is dat de elektronen die zich rond het atoom bevinden zich niet in een bepaalde richting bewegen. Hun beweging is chaotisch. Dit is bewezen en in de wetenschap ingevoerd onder de naam van het kwantummechanische model.

Neem elk voorwerp, nou ja, in ieder geval een lepel. Leg het neer - ligt stil, beweegt niet. Aanraken - koud onbeweeglijk metaal.

Maar in werkelijkheid bestaat een lepel, zoals alles om ons heen, uit deeltjes van onbeduidende grootte - atomen, waartussen grote openingen zijn. Deeltjes zwaaien constant, oscilleren.

Waarom is een lepel vast als de atomen erin vrij zijn en de hele tijd bewegen? Feit is dat ze als het ware door speciale krachten stevig aan elkaar vast zitten. En de openingen ertussen, hoewel veel groter dan de atomen zelf, zijn nog steeds verwaarloosbaar, en we kunnen ze niet opmerken.

Atomen zijn anders - in de natuur zijn er 92 soorten atomen. Alles wat in de wereld is, is daaruit opgebouwd, vanaf 32 letters - alle woorden van de Russische taal. Nog eens 12 soorten atomen, wetenschappers hebben ze zelf kunstmatig gemaakt.

Mensen weten al heel lang van het bestaan ​​van atomen. Meer dan tweeduizend jaar geleden leefde de grote wetenschapper Democritus in het oude Griekenland, die geloofde dat de hele wereld uit de kleinste deeltjes bestaat. Hij noemde ze "atomos", wat in het Grieks "ondeelbaar" betekent.

Het heeft lang geduurd voordat wetenschappers konden bewijzen dat atomen echt bestaan. Het gebeurde aan het einde van de vorige eeuw. En toen bleek dat hun naam een ​​vergissing is. Geen van hen is ondeelbaar: het atoom bestaat uit nog kleinere deeltjes. Wetenschappers noemen ze elementaire deeltjes.

Hier heeft de kunstenaar een atoom getekend. In het midden bevindt zich de kern, waaromheen, zoals planeten rond de zon, kleine balletjes bewegen -. De kern is ook niet solide. Het bestaat uit kerndeeltjes - protonen en neutronen.

Dat dachten ze tot voor kort. Maar toen werd duidelijk dat atomaire deeltjes niet als ballen zijn. Het bleek dat het atoom op een speciale manier is gerangschikt. Als je je probeert voor te stellen hoe deeltjes eruit zien, dan kun je zeggen dat een elektron als een wolk is. Dergelijke wolken omringen de kern in lagen. En kerndeeltjes zijn ook eigenaardige wolken.

Verschillende soorten atomen hebben verschillende aantallen elektronen, protonen en neutronen. De eigenschappen van atomen zijn hiervan afhankelijk.

Het is gemakkelijk om een ​​atoom te splitsen. Elektronen breken gemakkelijk los van de kernen en leiden een onafhankelijk leven. Een elektrische stroom in een draad is bijvoorbeeld de beweging van dergelijke onafhankelijke elektronen.

Maar de kern is extreem sterk. Protonen en neutronen erin zijn door speciale krachten nauw met elkaar verbonden. Daarom is het erg moeilijk om de kern te doorbreken. Maar mensen hebben geleerd om het te doen en hebben het gekregen. Ze leerden hoe ze het aantal deeltjes in de kern konden veranderen en zo sommige atomen in andere konden veranderen en zelfs nieuwe atomen konden creëren.

Het is moeilijk om het atoom te bestuderen: buitengewone vindingrijkheid en vindingrijkheid worden vereist van wetenschappers. Zelfs zijn grootte is immers moeilijk voor te stellen: in een microbe die niet zichtbaar is voor het oog, zijn er miljarden atomen, meer dan mensen op aarde. En toch bereikten wetenschappers hun doel, ze slaagden erin om de gewichten van alle atomen en deeltjes waaruit een atoom bestaat te meten, te vergelijken, ontdekten dat een proton of neutron bijna tweeduizend keer massiever is dan een elektron, ze ontdekten en gaan door met ontdek vele andere atoomgeheimen.

ATOOM, het kleinste deeltje van een stof dat chemische reacties kan ondergaan. Elke stof heeft zijn eigen set atomen. Ooit geloofde men dat het atoom ondeelbaar is, maar het bestaat uit een positief geladen NUCLEUS, waarrond negatief geladen elektronen draaien. De kern (waarvan het bestaan ​​in 1911 werd opgericht door Ernst RUTHERFORD) bestaat uit dicht opeengepakte protonen en neutronen. Het neemt slechts een klein deel van de ruimte in het atoom in beslag, maar het is goed voor bijna de gehele massa van het atoom. In 1913 suggereerde Niels BOR dat elektronen in vaste banen bewegen. Sindsdien heeft onderzoek in QUANTUM MECHANICA geleid tot een nieuw begrip van banen: volgens het ONZEKERHEIDSPRINCIPE van Heisenberg kunnen de exacte positie en het bewegingsmoment van een subatomair deeltje niet tegelijkertijd bekend zijn. Het aantal elektronen in een atoom en hun rangschikking bepalen de chemische eigenschappen van het element. Wanneer een of meer elektronen worden toegevoegd of weggenomen, ontstaat er een ion.

De massa van een atoom hangt af van de grootte van de kern. Het is verantwoordelijk voor het grootste deel van het gewicht van een atoom, aangezien elektronen niets wegen. Het uraniumatoom is bijvoorbeeld het zwaarste natuurlijk voorkomende atoom en heeft 146 neutronen, 92 protonen en 92 elektronen. Aan de andere kant is het lichtste het waterstofatoom, dat 1 proton en een elektron heeft. Het uraniumatoom, hoewel 230 keer zwaarder dan het waterstofatoom, is echter slechts drie keer groter. Het gewicht van een atoom wordt uitgedrukt in eenheden van atomaire massa en wordt aangeduid als u. Atomen bestaan ​​uit nog kleinere deeltjes die subatomaire (elementaire) deeltjes worden genoemd. De belangrijkste zijn protonen (positief geladen), neutronen (elektrisch neutraal) en >lsktrons (negatief "geladen). Accumulaties van nrunonen en neutronen vormen een kern in het centrum van het atoom van alle >lsmston (met uitzondering van waterstof, dat heeft maar één proton) "Elektronen" draaien rond! kernen op enige afstand ervan, evenredig met pa (maten van een atoom. | (Als bijvoorbeeld de kern van een heliumatoom zo groot zou zijn als een tennisbal, dan zouden de elektronen zich op een afstand van 6 km ervan bevinden Er zijn 112 verschillende soorten atomen, evenveel als elementen op het periodiek systeem De atomen van de elementen verschillen in atoomnummer en atoommassa KERN VAN HET ATOOM De massa van een atoom is voornamelijk te wijten aan de relatief dichte kern. I (rotonen en neutronen hebben een massa van ongeveer 1K4 () keer groter dan elektronen. Aangezien de runs positief geladen zijn en neutronen neutraal, is de kern van een atoom altijd positief geladen. Aangezien tegengestelde ladingen elkaar aantrekken, houdt de kern elektronen in hun Banen en neutronen bestaan ​​uit nog kleinere deeltjes, quarks. bepaalt de chemische onwetendheid ervan H oshichis van de planeten van het zonnestelsel, neuropen draaien willekeurig rond de kern, oiMiiMi geen vaste afstand van de kern, obraz-ivh "o Syulochki. Hoe meer energie de elek-ipon heeft. li "M, het kan verder weg bewegen en de aantrekkingskracht van een positief geladen kern overwinnen. In een neutraal atoom balanceert de positieve lading van de elektronen de positieve lading van de protonen van de kern. Daarom is de verwijdering of toevoeging van één elektron in de agoom leidt tot het verschijnen van een geladen ion.De elektronenschillen bevinden zich op vaste afstanden van de kern, afhankelijk van hun energieniveau.Elke schil is genummerd, geteld vanaf de kern.Er zijn niet meer dan zeven schillen op een agoom , en elk van hen kan slechts een bepaald aantal elektronen bevatten. Als er voldoende energie is, kan het elektron van de ene schil naar de andere, hogere, springen. Wanneer het de onderste schil weer raakt, zendt het straling uit in de vorm van een foton. Een elektron behoort tot een klasse van deeltjes die leptonen worden genoemd, en zijn antideeltje wordt een positron genoemd.

KERNKETEN REACTIE. Bij een nucleaire explosie, bijvoorbeeld ayumnoi oomba, treft een neutron een 23b uraniumkern (dat wil zeggen een kern met een totaal aantal protonen en neutronen gelijk aan ? 35). Bij: nom, wordt het neutron geabsorbeerd en wordt uranium gecreëerd.236 Het is erg onstabiel en splitst zich in twee kleinere kernen, waarbij een enorme hoeveelheid energie en verschillende neutronen vrijkomt. kritische omstandigheden genoemd (de hoeveelheid uranium-235 overschrijdt de kritische massa), dan is het aantal neutronenbotsingen voldoende om de reactie bliksemsnel te laten verlopen, d.w.z. er vindt een kettingreactie plaats. In een kernreactor wordt de heplo die vrijkomt uit het eum-proces gebruikt om stoom te verwarmen, die een turbinegenerator aandrijft die elektriciteit opwekt.

Wetenschappelijk en technisch encyclopedisch woordenboek.

Kijk wat "ATOM" is in andere woordenboeken:

atoom een atoom, en... Russisch spellingwoordenboek

- (Griekse atomos, van een negatief deel, en tome, tomos afdeling, segment). Een oneindig klein ondeelbaar deeltje, waarvan de totaliteit elk fysiek lichaam vormt. Woordenboek van buitenlandse woorden opgenomen in de Russische taal. Chudinov A.N., 1910. ATOM Grieks ... Woordenboek van vreemde woorden van de Russische taal

atoom- een m. atoom m. 1. Het kleinste ondeelbare deeltje materie. Atomen kunnen niet eeuwig zijn. Cantemir Over de natuur. Ampere gelooft dat elk ondeelbaar materiedeeltje (atoom) een inherente hoeveelheid elektriciteit bevat. DZ 1848 56 8 240. Laat er zijn… … Historisch woordenboek van gallicismen van de Russische taal

- (van het Griekse atomos - ondeelbaar) de kleinste samenstellende deeltjes van materie waaruit alles bestaat wat bestaat, inclusief de ziel, gevormd uit de dunste atomen (Leucippus, Democritus, Epicurus). Atomen zijn eeuwig, ze komen niet op en verdwijnen niet, ze zijn in een constante ... ... Filosofische Encyclopedie

Atoom- Atoom ♦ Atoom Etymologisch is een atoom een ​​ondeelbaar deeltje, of een deeltje dat alleen onderhevig is aan speculatieve deling; ondeelbaar element (atomen) van materie. Democritus en Epicurus begrijpen het atoom in deze zin. Moderne wetenschappers zijn zich er terdege van bewust dat dit ... ... Filosofisch Woordenboek van Sponville

- (van het Griekse atomos ondeelbaar) het kleinste deeltje van een scheikundig element dat zijn eigenschappen behoudt. In het centrum van het atoom bevindt zich een positief geladen kern, waarin bijna de gehele massa van het atoom is geconcentreerd; elektronen bewegen rond en vormen elektronische ... Groot encyclopedisch woordenboek

Echtgenoot, Grieks ondeelbaar; materie in de uiterste grenzen van haar deelbaarheid, een onzichtbaar stofje waaruit alle lichamen zouden zijn samengesteld, elke substantie, als uit zandkorrels. | Een onmetelijk, oneindig klein stofje, een onbeduidende hoeveelheid. | Chemici hebben een woord ...... Dahl's verklarende woordenboek

Cm … Synoniem woordenboek

ATOOM- (van het Griekse atomos ondeelbaar). Het woord A. wordt in de moderne wetenschap in verschillende betekenissen gebruikt. In de meeste gevallen noemt A. de beperkende hoeveelheid chem. element, verdere fragmentatie tot hoorn leidt tot het verlies van de individualiteit van het element, d.w.z. tot een scherpe ... ... Grote Medische Encyclopedie

atoom- atoom Atoom is een onderdeel van de spraak, als de minste drager van de chemische krachten van het zingende scheikundige element. Vіdomo-stijlen van soorten atomen, sіlki van є chemische elementen en їх іzotopіv. Elektrisch neutraal, samengesteld uit kernen en elektronen. De straal van een atoom ...... Girnichiy encyclopedisch woordenboek

Boeken

• Het waterstofatoom en niet-euclidische geometrie, V.A. Fok. Dit boek wordt geproduceerd in overeenstemming met uw bestelling met behulp van Print-on-Demand-technologie. Gereproduceerd in de spelling van de oorspronkelijke auteur van de editie uit 1935 (uitgeverij "Uitgeverij ...
• Het waterstofatoom is het eenvoudigste van de atomen. Voortzetting van de theorie van Niels Bohr. Deel 5. De frequentie van fotonenstraling valt samen met de gemiddelde frequentie van elektronenstraling in de overgang, AI Shidlovsky. Bohr's theorie van het waterstofatoom ("parallel" aan de kwantummechanische benadering) wordt voortgezet langs het traditionele pad van ontwikkeling van de natuurkunde, waar waarneembare en niet-waarneembare grootheden naast elkaar bestaan ​​in de theorie. Voor…

Een atoom is het kleinste chemisch ondeelbare deel van een chemisch element, dat de drager is van zijn eigenschappen. Het atoom bestaat uit elektronen en de atoomkern, die op zijn beurt weer bestaat uit ongeladen neutronen, evenals positief geladen protonen. Als het aantal elektronen en protonen gelijk is, dan is het atoom elektrisch neutraal. Anders heeft het een negatieve of een positieve lading, in welk geval het een ion wordt genoemd.

Atomen worden geclassificeerd volgens het aantal neutronen en protonen in de kern: het aantal neutronen bepaalt of het tot een isotoop van een chemisch element behoort, het aantal protonen - direct bij dit element. Atomen van verschillende typen in verschillende hoeveelheden, die zijn verbonden door enkele interatomaire bindingen, vormen moleculen.

Het concept van het atoom werd voor het eerst geformuleerd door oude Griekse en oude Indiase filosofen. In de 17e en 18e eeuw konden chemici deze hypothese bevestigen dat sommige stoffen niet verder kunnen worden afgebroken tot kleinere elementen met behulp van speciale chemische methoden, experimenteel. Maar eind 19e en begin 20e eeuw ontdekten natuurkundigen subatomaire deeltjes, waarna duidelijk werd dat het atoom niet echt een ‘ondeelbaar deeltje’ is. In 1860 vond een internationaal congres van scheikundigen plaats in de Duitse stad Karlsruhe, waar een aantal beslissingen werden genomen over de definitie van de begrippen atoom en molecuul. Als gevolg hiervan is een atoom het kleinste deeltje van een chemisch element, dat deel uitmaakt van complexe en eenvoudige stoffen.

Atoommodellen

Thomson's model van het atoom. Hij stelde voor om een ​​atoom te beschouwen als een positief geladen lichaam, waarbinnen elektronen zijn ingesloten. Deze hypothese werd uiteindelijk weerlegd door de beroemde wetenschapper Rutherford na zijn beroemde experiment, waarin hij alfadeeltjes verspreidde.

Stukjes materie. De oude Griekse wetenschapper Democritus geloofde dat de eigenschappen van elke stof kunnen worden bepaald door zijn massa, vorm en vergelijkbare kenmerken van de atomen waaruit het is samengesteld. Vuur heeft bijvoorbeeld scherpe atomen, waardoor het kan worden verbrand, maar in vaste lichamen zijn ze ruw, daarom hechten ze stevig aan elkaar, terwijl ze in water glad zijn en daarom kunnen stromen. Democti geloofde ook dat de menselijke ziel uit atomen bestaat.

Nagaoka's vroege planetaire model van het atoom. Natuurkundigen uit Japan Hantaro Nagaoka stelden in 1904 een model van het atoom voor, dat in directe analogie met Saturnus was gebouwd. In dit model cirkelden elektronen rond een kleine positieve kern en werden ze gecombineerd tot ringen. Maar dit model was fout.

Bohr-Rutherford planetair model van het atoom. Ernest Rutherford voerde in 1911 verschillende experimenten uit, waarna hij tot de conclusie kwam dat het atoom een ​​soort planetenstelsel is, waarbij elektronen in banen rond een zware positief geladen kern bewegen, die zich in het centrum van het atoom bevindt. Maar zo'n beschrijving was in tegenspraak met de klassieke elektrodynamica. Volgens laatstgenoemde moet een elektron, terwijl het met centripetale versnelling beweegt, een soort elektromagnetische golven uitstralen, waardoor het wat energie verliest. Zijn berekeningen gaven aan dat de tijd die een elektron nodig heeft om op een kern in zo'n atoom te vallen, absoluut te verwaarlozen is.

Niels Bohr moest, om de stabiliteit van atomen te verklaren, een aantal speciale postulaten introduceren, die werden teruggebracht tot het feit dat het elektronatoom, wanneer het zich in bepaalde energietoestanden bevindt, geen energie uitstraalt (“de Bohr-Rutherford model van het atoom"). De postulaten van Bohr toonden aan dat de klassieke mechanica niet toepasbaar is voor het beschrijven van de eigenschappen van het atoom en zijn definitie. De daaropvolgende studie van atomaire straling leidde tot de oprichting van een tak van de natuurkunde als de kwantummechanica, die het mogelijk maakte een groot aantal waargenomen feiten te verklaren.

Kwantummechanisch model van het atoom

Het moderne model van het atoom is een ontwikkeling van het planetaire model. De kern van een atoom bevat ongeladen neutronen en positief geladen protonen en is omgeven door elektronen met een negatieve lading. Maar de concepten van de kwantummechanica maken het niet mogelijk om te beweren dat elektronen rond de kern bewegen langs op zijn minst op de een of andere manier gedefinieerde banen.
De chemische eigenschappen van een atoom worden beschreven door de kwantummechanica en bepaald door de configuratie van hun elektronenschil. De locatie van een atoom in de tabel van periodieke chemische elementen van Mendelejev wordt bepaald op basis van hun elektrische lading van de kern, d.w.z. het aantal protonen en het aantal neutronen heeft geen fundamentele invloed op de chemische eigenschappen. Het grootste deel van de massa van het atoom is geconcentreerd in de kern. De massa van een atoom wordt gemeten in speciale atomaire massa-eenheden, gelijk aan.

Atoom eigenschappen

Elke twee atomen met hetzelfde aantal protonen behoren tot hetzelfde chemische element. Atomen met hetzelfde aantal protonen maar verschillende aantallen neutronen worden isotopen van dat element genoemd. Waterstofatomen bevatten bijvoorbeeld één proton, maar er zijn isotopen die geen neutronen bevatten, ofwel één neutron (deuterium) of twee neutronen (tritium). Beginnend met het waterstofatoom, dat één proton heeft, en eindigend met het ununoctium-atoom, dat 118 protonen bevat, vormen de chemische elementen een ononderbroken natuurlijke reeks in termen van het aantal protonen in de kern. Vanaf het 83e nummer van het periodiek systeem beginnen radioactieve isotopen van elementen.

De restmassa van een atoom wordt uitgedrukt in atomaire massa-eenheden (daltons). De massa van een atoom is ongeveer gelijk aan het product van de atomaire massa-eenheid en het massagetal. De zwaarste isotoop is lood-208, met een massa van 207.976 amu. eten.
De buitenste atomaire schil van het elektron, als deze niet volledig is gevuld, wordt de valentieschil genoemd en de elektronen worden valentie genoemd.

Door bindingen met elkaar te vormen, worden atomen gecombineerd tot moleculen en grote vaste stoffen.

De mensheid is al sinds de oudheid op de hoogte van het bestaan ​​van de kleinste deeltjes materie, maar bevestiging van het bestaan ​​van atomen werd pas aan het einde van de 19e eeuw ontvangen. Maar bijna onmiddellijk werd duidelijk dat atomen op hun beurt een complexe structuur hebben, die hun eigenschappen bepaalt.

Het concept van een atoom als het kleinste ondeelbare deeltje materie werd voor het eerst voorgesteld door oude Griekse filosofen. In de 17e en 18e eeuw stelden chemici vast dat chemicaliën in bepaalde verhoudingen reageren, uitgedrukt in kleine aantallen. Bovendien identificeerden ze bepaalde eenvoudige stoffen, die ze chemische elementen noemden. Deze ontdekkingen leidden tot een heropleving van het idee van ondeelbare deeltjes. De ontwikkeling van thermodynamica en statistische fysica toonde aan dat de thermische eigenschappen van lichamen kunnen worden verklaard door de beweging van dergelijke deeltjes. Uiteindelijk werden de afmetingen van atomen experimenteel bepaald.

Aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw ontdekten natuurkundigen de eerste van de subatomaire deeltjes, het elektron, en iets later de atoomkern, waarmee ze aantoonden dat het atoom niet ondeelbaar is. De ontwikkeling van de kwantummechanica maakte het mogelijk om niet alleen de structuur van atomen te verklaren, maar ook hun eigenschappen: optische spectra, het vermogen om reacties aan te gaan en moleculen te vormen, d.w.z.

Algemene kenmerken van de structuur van het atoom

Moderne ideeën over de structuur van het atoom zijn gebaseerd op de kwantummechanica.

Op populair niveau kan de structuur van het atoom worden beschreven in termen van het golfmodel, dat is gebaseerd op het Bohr-model, maar dat ook rekening houdt met aanvullende informatie over de kwantummechanica.

Voor dit model:

Atomen bestaan ​​uit elementaire deeltjes (protonen, elektronen en neutronen). De massa van een atoom is grotendeels geconcentreerd in de kern, dus het grootste deel van het volume is relatief leeg. De kern is omgeven door elektronen. Het aantal elektronen is gelijk aan het aantal protonen in de kern, het aantal protonen bepaalt het rangnummer van het element in het periodiek systeem. In een neutraal atoom is de totale negatieve lading van de elektronen gelijk aan de positieve lading van de protonen. Atomen van hetzelfde element met verschillende aantallen neutronen worden isotopen genoemd.
In het centrum van een atoom bevindt zich een kleine, positief geladen kern die bestaat uit protonen en neutronen.
De kern van een atoom is ongeveer 10.000 keer kleiner dan het atoom zelf. Dus als een atoom wordt vergroot tot de grootte van de luchthaven van Borispol, zal de grootte van de kern kleiner zijn dan de grootte van een tafeltennisbal.
De kern is omgeven door een elektronenwolk, die het grootste deel van zijn volume inneemt. In een elektronenwolk zijn schillen te onderscheiden, voor elk zijn er meerdere mogelijke orbitalen. De gevulde orbitalen vormen de elektronische configuratiekarakteristiek van elk chemisch element.
Elke orbitaal kan maximaal twee elektronen bevatten, gekenmerkt door drie kwantumgetallen: basis, orbitaal en magnetisch.
Elk elektron in een orbitaal heeft een unieke waarde voor het vierde kwantumgetal: spin.
Orbitalen worden gedefinieerd door een specifieke kansverdeling van waar precies een elektron kan worden gevonden. Voorbeelden van orbitalen en hun aanduidingen worden weergegeven in de afbeelding rechts. De "grens" van een orbitaal is de afstand waarop de kans dat een elektron zich daarbuiten kan bevinden kleiner is dan 90%.
Elke schil kan niet meer dan een strikt gedefinieerd aantal elektronen bevatten. De schil die zich het dichtst bij de kern bevindt, kan bijvoorbeeld maximaal twee elektronen hebben, de volgende - 8, de derde van de kern - 18, enzovoort.
Wanneer elektronen zich bij een atoom voegen, vallen ze in een orbitaal met lage energie. Alleen buitenste schilelektronen kunnen deelnemen aan de vorming van interatomaire bindingen. Atomen kunnen elektronen doneren en verkrijgen, waardoor ze positief of negatief geladen ionen worden. De chemische eigenschappen van een element worden bepaald door het gemak waarmee de kern elektronen kan doneren of verwerven. Het hangt zowel af van het aantal elektronen als van de vullingsgraad van de buitenste schil.
Atoomgrootte:

De grootte van een atoom is een moeilijk te meten grootheid, omdat de centrale kern omgeven is door een wazige elektronenwolk. Voor atomen die vaste kristallen vormen, kan de afstand tussen aangrenzende plaatsen van het kristalrooster dienen als een geschatte waarde van hun grootte. Voor atomen worden geen kristallen gevormd, er worden andere evaluatietechnieken gebruikt, waaronder theoretische berekeningen. De grootte van een waterstofatoom wordt bijvoorbeeld geschat op 1,2 × 10-10 m. Deze waarde kan worden vergeleken met de grootte van een proton (dat is de kern van een waterstofatoom): 0,87 × 10-15 m en zorg ervoor dat dat de kern van een waterstofatoom 100.000 keer kleiner is dan het atoom zelf. Atomen van andere elementen behouden ongeveer dezelfde verhouding. De reden hiervoor is dat elementen met een grote positief geladen kern elektronen sterker aantrekken.

Een ander kenmerk van de grootte van een atoom is de van der Waals-straal - de afstand die een ander atoom een ​​bepaald atoom kan naderen. Interatomaire afstanden in moleculen worden gekenmerkt door de lengte van chemische bindingen of covalente straal.

Kern

De hoofdmassa van een atoom is geconcentreerd in de kern, die bestaat uit nucleonen: protonen en neutronen, onderling verbonden door de krachten van nucleaire interactie.

Het aantal protonen in de atoomkern bepaalt het atoomnummer en het element waartoe het atoom behoort. Koolstofatomen bevatten bijvoorbeeld 6 protonen. Alle atomen met een bepaald atoomnummer hebben dezelfde fysische eigenschappen en vertonen dezelfde chemische eigenschappen. De elementen worden vermeld in het periodiek systeem in oplopende volgorde van atoomnummer.

Het totale aantal protonen en neutronen in het atoom van een element bepaalt de atoommassa, aangezien een proton en een neutron een massa hebben van ongeveer 1 amu Neutronen in een kern hebben geen invloed op tot welk element een atoom behoort, maar een chemisch element kan wel atomen met hetzelfde aantal protonen en een verschillend aantal neutronen. Dergelijke atomen hebben hetzelfde atoomnummer maar een verschillende atoommassa en worden isotopen van het element genoemd. Bij het schrijven van de naam van een isotoop wordt de atoommassa erachter geschreven. De isotoop koolstof-14 bevat bijvoorbeeld 6 protonen en 8 neutronen, voor een totale atomaire massa van 14. Een andere populaire notatiemethode is om de atomaire massa vóór het elementsymbool te superscripten. Koolstof-14 wordt bijvoorbeeld 14C genoemd.

De atomaire massa van een element in het periodiek systeem is een gemiddelde van de massa's van natuurlijk voorkomende isotopen. Middeling wordt uitgevoerd volgens de overvloed van de isotoop in de natuur.

Met een toename van het atoomnummer neemt de positieve lading van de kern toe, en bijgevolg de Coulomb-afstoting tussen protonen. Er zijn steeds meer neutronen nodig om de protonen bij elkaar te houden. Een groot aantal neutronen is echter onstabiel en deze omstandigheid legt een beperking op aan de mogelijke lading van de kern en het aantal chemische elementen dat in de natuur voorkomt. Chemische elementen met hoge atoomnummers hebben een zeer korte levensduur, kunnen alleen worden gemaakt door de kernen van lichte elementen met ionen te bombarderen en worden alleen waargenomen tijdens experimenten met versnellers. Vanaf februari 2008 is ununoctium het zwaarste gesynthetiseerde chemische element.

Veel isotopen van chemische elementen zijn onstabiel en vervallen na verloop van tijd. Dit fenomeen wordt door de radio-elementtest gebruikt om de ouderdom van objecten te bepalen en is van groot belang voor archeologie en paleontologie.

Bohr-model

Het Bohr-model is het eerste fysieke model dat de optische spectra van het waterstofatoom correct kon beschrijven. Na de ontwikkeling van de exacte methoden van de kwantummechanica heeft het Bohr-model alleen historische betekenis, maar vanwege zijn eenvoud wordt het nog steeds veel onderwezen en gebruikt voor een kwalitatief begrip van de structuur van het atoom.

Het model van Bohr is gebaseerd op het planetaire model van Rutherford, dat het atoom beschrijft als een kleine positief geladen kern met negatief geladen elektronen in banen op verschillende niveaus, wat lijkt op de structuur van het zonnestelsel. Rutherford stelde een planetair model voor om de resultaten van zijn experimenten met de verstrooiing van alfadeeltjes door metaalfolie te verklaren. Volgens het planetaire model bestaat een atoom uit een zware kern waarrond elektronen draaien. Maar dat de elektronen die om de kern draaien niet in een spiraal op de kern vallen, was voor de natuurkundigen van die tijd onbegrijpelijk. Volgens de klassieke theorie van het elektromagnetisme moet een elektron dat rond de kern draait, elektromagnetische golven (licht) uitzenden, wat zou leiden tot een geleidelijk verlies van energie en op de kern zou vallen. Dus hoe kan een atoom überhaupt bestaan? Bovendien toonde de studie van het elektromagnetische spectrum van atomen aan dat de elektronen in een atoom alleen licht van een bepaalde frequentie kunnen uitzenden.

Deze moeilijkheden werden overwonnen in het model voorgesteld door Niels Bohr in 1913, dat stelt dat:

Elektronen kunnen alleen in banen zijn die discrete gekwantiseerde energieën hebben. Dat wil zeggen, niet alle banen zijn mogelijk, maar slechts enkele specifieke. De exacte waarden van de energieën van toelaatbare banen zijn afhankelijk van het atoom.
De wetten van de klassieke mechanica zijn niet van toepassing wanneer elektronen van de ene toegestane baan naar de andere gaan.
Wanneer een elektron van de ene baan naar de andere gaat, wordt het verschil in energie uitgezonden (of geabsorbeerd) door een enkel lichtkwantum (foton), waarvan de frequentie direct gerelateerd is aan het energieverschil tussen de twee banen.

waarbij ν de frequentie van het foton is, E het energieverschil is en h een evenredigheidsconstante is, ook wel de constante van Planck genoemd.
Bepaal wat er kan worden geschreven

waarbij ω de hoekfrequentie van het foton is.
Toegestane banen zijn afhankelijk van de gekwantiseerde waarden van het baanimpulsmoment L, beschreven door de vergelijking

waarbij n = 1,2,3,...
en wordt het kwantumgetal van impulsmoment genoemd.
Deze aannames maakten het mogelijk om de resultaten van de toenmalige waarnemingen te verklaren, bijvoorbeeld waarom het spectrum uit discrete lijnen bestaat. Aanname (4) stelt dat de kleinste waarde van n 1 is. Dienovereenkomstig is de kleinste toegestane atoomstraal 0,526 Å (0,0529 nm = 5,28 10-11 m). Deze waarde staat bekend als de Bohr-straal.

Het model van Bohr wordt soms semiklassiek genoemd omdat het, hoewel het enkele ideeën uit de kwantummechanica bevat, geen volledige kwantummechanische beschrijving van het waterstofatoom is. Het model van Bohr was echter een belangrijke stap in de richting van een dergelijke beschrijving.

Met een strikte kwantummechanische beschrijving van het waterstofatoom worden de energieniveaus gevonden uit de oplossing van de stationaire Schrödingervergelijking. Deze niveaus worden gekenmerkt door de bovenstaande drie kwantumgetallen, de formule voor het kwantiseren van het impulsmoment is anders, het kwantumgetal van het impulsmoment is nul voor sferische s-orbitalen, één voor prolate haltervormige p-orbitalen, enz. (zie foto hierboven).

De energie van het atoom en zijn kwantisering

De energiewaarden die een atoom kan hebben worden berekend en geïnterpreteerd op basis van de bepalingen van de kwantummechanica. Dit houdt rekening met factoren als de elektrostatische interactie van elektronen met de kern en elektronen onderling, de spins van elektronen, het principe van identieke deeltjes. In de kwantummechanica wordt de toestand waarin een atoom zich bevindt beschreven door een golffunctie, die kan worden gevonden uit de oplossing van de Schrödinger-vergelijking. Er is een bepaalde reeks toestanden, die elk een bepaalde energiewaarde hebben. De toestand met de laagste energie wordt de grondtoestand genoemd. Andere toestanden worden opgewonden genoemd. Een atoom bevindt zich voor een eindige tijd in een aangeslagen toestand, zendt vroeg of laat een kwantum van een elektromagnetisch veld (foton) uit en gaat over in de grondtoestand. Een atoom kan lange tijd in de grondtoestand blijven. Om opgewonden te zijn, heeft hij externe energie nodig, die alleen vanuit de externe omgeving naar hem toe kan komen. Een atoom zendt of absorbeert alleen licht op bepaalde frequenties, overeenkomend met het verschil in de energieën van zijn toestanden.

De mogelijke toestanden van een atoom worden geïndexeerd door kwantumgetallen zoals spin, kwantumaantal baanmomentum, kwantumaantal totale impuls. U kunt meer lezen over hun classificatie in het artikel elektronische term

Elektronische schillen van complexe atomen

Complexe atomen hebben tientallen, en voor zeer zware elementen zelfs honderden elektronen. Volgens het principe van identieke deeltjes worden de elektronische toestanden van atomen gevormd door alle elektronen, en het is onmogelijk om te bepalen waar elk van hen zich bevindt. In de zogenaamde één-elektronbenadering kan men echter spreken van bepaalde energietoestanden van individuele elektronen.

Volgens deze ideeën is er een bepaalde reeks orbitalen die gevuld zijn met de elektronen van het atoom. Deze orbitalen vormen een bepaalde elektronische configuratie. Elke orbitaal kan niet meer dan twee elektronen bevatten (Pauli-exclusieprincipe). Orbitalen zijn gegroepeerd in schillen, die elk slechts een bepaald vast aantal orbitalen kunnen hebben (1, 4, 10, enz.). Orbitalen zijn onderverdeeld in interne en externe. In de grondtoestand van een atoom zijn de binnenschillen volledig gevuld met elektronen.

In binnenste orbitalen bevinden elektronen zich heel dicht bij de kern en zijn er sterk aan gehecht. Om een ​​elektron uit de binnenste baan te trekken, moet je het van veel energie voorzien, tot enkele duizenden elektronvolts. Een elektron op de binnenste schil kan dergelijke energie alleen verkrijgen door een röntgenquantum te absorberen. De energieën van de binnenste schillen van atomen zijn individueel voor elk chemisch element, en daarom kan een atoom worden geïdentificeerd door het röntgenabsorptiespectrum. Deze omstandigheid wordt gebruikt bij röntgenanalyse.

In de buitenste schil bevinden de elektronen zich ver van de kern. Het zijn deze elektronen die betrokken zijn bij de vorming van chemische bindingen, daarom wordt de buitenste schil valentie genoemd en de buitenste schil-elektronen valentie-elektronen.

Kwantumovergangen in het atoom

Overgangen tussen verschillende toestanden van atomen zijn mogelijk, veroorzaakt door een externe verstoring, vaker door een elektromagnetisch veld. Door de kwantisering van de toestanden van een atoom bestaan ​​de optische spectra van atomen uit individuele lijnen als de energie van een lichtkwantum de ionisatie-energie niet overschrijdt. Bij hogere frequenties worden de optische spectra van atomen continu. De waarschijnlijkheid van excitatie van een atoom door licht neemt af met een verdere toename van de frequentie, maar neemt sterk toe bij bepaalde frequenties die kenmerkend zijn voor elk chemisch element in het röntgenbereik.

Opgewonden atomen zenden lichtquanta uit met dezelfde frequenties waarop absorptie optreedt.

Overgangen tussen verschillende toestanden van atomen kunnen ook worden veroorzaakt door interacties met snel geladen deeltjes.

Chemische en fysische eigenschappen van het atoom

De chemische eigenschappen van een atoom worden voornamelijk bepaald door valentie-elektronen - elektronen in de buitenste schil. Het aantal elektronen in de buitenste schil bepaalt de valentie van het atoom.

De atomen van de laatste kolom van het periodiek systeem der elementen hebben een volledig gevulde buitenste schil en voor de overgang van een elektron naar de volgende schil moet een zeer grote energie aan het atoom worden geleverd. Daarom zijn deze atomen inert, niet geneigd om chemische reacties aan te gaan. Inerte gassen verdunnen en kristalliseren alleen bij zeer lage temperaturen.

De atomen van de eerste kolom van het periodiek systeem der elementen hebben één elektron op de buitenste schil en zijn chemisch actief. Hun valentie is 1. Een kenmerkend type chemische binding voor deze atomen in de gekristalliseerde toestand is een metaalbinding.

De atomen van de tweede kolom van het periodiek systeem in de grondtoestand hebben 2 s-elektronen op de buitenste schil. Hun buitenste schil is gevuld, dus ze moeten inert zijn. Maar de overgang van de grondtoestand met de s2-elektronenschilconfiguratie naar de toestand met de s1p1-configuratie vereist heel weinig energie, dus deze atomen hebben een valentie van 2, maar ze vertonen minder activiteit.

De atomen van de derde kolom van het periodiek systeem der elementen hebben de elektronische configuratie s2p1 in de grondtoestand. Ze kunnen verschillende valenties vertonen: 1, 3, 5. De laatste mogelijkheid ontstaat wanneer de elektronenschil van het atoom tot 8 elektronen is voltooid en gesloten wordt.

Atomen in de vierde kolom van het periodiek systeem der elementen hebben een valentie van 4 (bijvoorbeeld kooldioxide CO2), hoewel een valentie van 2 ook mogelijk is (bijvoorbeeld koolmonoxide CO). Vóór deze kolom hoort koolstof - een element dat een grote verscheidenheid aan chemische verbindingen vormt. Een speciale tak van chemie is gewijd aan koolstofverbindingen - organische chemie. Andere elementen van deze kolom - silicium, germanium onder normale omstandigheden zijn halfgeleiders in vaste toestand.

De elementen van de vijfde kolom hebben een valentie van 3 of 5.

De elementen van de zesde kolom van het periodiek systeem in de grondtoestand hebben een s2p4-configuratie en een gemeenschappelijke spin van 1. Daarom zijn ze tweewaardig. Er is ook de mogelijkheid dat een atoom overgaat naar een aangeslagen toestand s2p3s" met spin 2, waarin de valentie 4 of 6 is.

De elementen van de zevende kolom van het periodiek systeem missen één elektron in de buitenste schil om het te vullen. Ze zijn meestal eenwaardig. Ze kunnen echter chemische verbindingen binnengaan in aangeslagen toestanden, met valenties van 3,5,7.

Overgangselementen worden gekenmerkt door het vullen van de buitenste s-shell voordat de d-shell volledig is gevuld. Daarom hebben ze meestal een valentie van 1 of 2, maar in sommige gevallen is een van de d-elektronen betrokken bij de vorming van chemische bindingen en wordt de valentie gelijk aan drie.

Wanneer chemische verbindingen worden gevormd, worden atoomorbitalen gemodificeerd, vervormd en worden moleculaire orbitalen. In dit geval vindt het proces van hybridisatie van orbitalen plaats - de vorming van nieuwe orbitalen, als een specifieke som van de basis.

Geschiedenis van het begrip atoom

Lees meer in het artikel atomistiek
Het concept van atoom is, net als het woord zelf, van oude Griekse oorsprong, hoewel de waarheid van de hypothese van het bestaan ​​van atomen pas in de 20e eeuw werd bevestigd. Het belangrijkste idee achter dit concept voor alle eeuwen was het idee van de wereld als een verzameling van een groot aantal ondeelbare elementen die heel eenvoudig van structuur zijn en al sinds het begin der tijden bestaan.

De eerste predikers van de atomistische doctrine

De filosoof Leucippus was de eerste die atomistische leringen predikte in de 5e eeuw voor Christus. Daarna werd het stokje opgepakt door zijn leerling Democritus. Slechts afzonderlijke fragmenten van hun werken zijn bewaard gebleven, waaruit duidelijk wordt dat ze zijn uitgegaan van een klein aantal nogal abstracte fysieke hypothesen:

"Zoet en bitter, hitte en kou zijn de betekenis van de definitie, in feite [alleen] atomen en leegte."

Volgens Democritus bestaat de hele natuur uit atomen, de kleinste deeltjes materie die in een volledig lege ruimte rusten of bewegen. Alle atomen hebben een eenvoudige vorm en atomen van dezelfde soort zijn identiek; de verscheidenheid van de natuur weerspiegelt de verscheidenheid aan vormen van atomen en de verscheidenheid aan manieren waarop atomen in elkaar kunnen grijpen. Zowel Democritus als Leucippus geloofden dat atomen, die zijn begonnen te bewegen, blijven bewegen volgens de wetten van de natuur.

Het moeilijkste voor de oude Grieken was de kwestie van de fysieke realiteit van de basisconcepten van atomisme. In welke zin zou men kunnen spreken van de realiteit van leegte als het, zonder materie, geen fysieke eigenschappen kan hebben? De ideeën van Leucippus en Democritus konden niet dienen als een bevredigende basis voor de theorie van materie op het fysieke gebied, omdat ze niet verklaarden waaruit atomen niet bestaan, noch waarom atomen ondeelbaar zijn.

Een generatie na Democritus stelde Plato zijn eigen oplossing voor dit probleem voor: 'de kleinste deeltjes behoren niet tot het rijk van de materie, maar tot het rijk van de geometrie; het zijn verschillende lichaamsgeometrische figuren begrensd door platte driehoeken.

Het concept van het atoom in de Indiase filosofie

Duizend jaar later drong de abstracte redenering van de oude Grieken door tot in India en werd ze overgenomen door enkele scholen van Indiase filosofie. Maar als de westerse filosofie geloofde dat de atomistische theorie een concrete en objectieve basis zou moeten worden voor de theorie van de materiële wereld, dan heeft de Indiase filosofie de materiële wereld altijd als een illusie gezien. Toen het atomisme in India verscheen, nam het de vorm aan van een theorie volgens welke de werkelijkheid in de wereld een proces heeft, geen substantie, en dat we in de wereld aanwezig zijn als schakels in een proces, en niet als klonten materie.

Dat wil zeggen, zowel Plato als Indiase filosofen dachten ongeveer als volgt: als de natuur bestaat uit kleine, maar eindig in omvang, aandelen, waarom kunnen ze dan niet worden verdeeld, althans in de verbeelding, in nog kleinere deeltjes, die het onderwerp werden verder overwegen?

Atomistische theorie in de Romeinse wetenschap

De Romeinse dichter Lucretius (96 - 55 v. Chr.) was een van de weinige Romeinen die belangstelling toonde voor zuivere wetenschap. In zijn gedicht Over de aard der dingen (De rerum natura) bouwde hij in detail de feiten op die getuigen voor de atomistische theorie. Een wind die bijvoorbeeld met grote kracht waait, hoewel niemand hem kan zien, bestaat waarschijnlijk uit deeltjes die lekken om ze te kunnen zien. We kunnen dingen van een afstand voelen door geur, geluid en warmte die zich verspreiden zonder gezien te worden.

Lucretius verbindt de eigenschappen van dingen met de eigenschappen van hun bestanddelen, d.w.z. atomen: vloeibare atomen zijn klein en rond, daarom stroomt vloeistof zo gemakkelijk en sijpelt door poreuze materie, terwijl vaste atomen haken hebben die ze bij elkaar houden. Op dezelfde manier zijn verschillende smaaksensaties en geluiden van verschillende luidheid samengesteld uit atomen van geschikte vormen - van eenvoudig en harmonieus tot golvend en onregelmatig.

Maar de leer van Lucretius werd door de kerk veroordeeld, omdat hij er een nogal materialistische interpretatie aan gaf: bijvoorbeeld het idee dat God, nadat hij het atoommechanisme eenmaal heeft gelanceerd, niet langer ingrijpt in zijn werk, of dat de ziel sterft met de lichaam.

De eerste theorieën over de structuur van het atoom

Een van de eerste theorieën over de structuur van het atoom, die al moderne contouren heeft, werd beschreven door Galileo (1564-1642). Volgens zijn theorie bestaat materie uit deeltjes die niet in rust zijn, maar onder invloed van warmte alle kanten op bewegen; warmte is niets anders dan de beweging van deeltjes. De structuur van de deeltjes is complex en als je een deel van zijn materiële omhulsel berooft, zal het licht van binnenuit spuiten. Galileo was de eerste die, zij het in fantastische vorm, de structuur van het atoom presenteerde.

Wetenschappelijke grondslagen

In de 19e eeuw verkreeg John Dalton bewijs voor het bestaan ​​van atomen, maar nam aan dat ze ondeelbaar waren. Ernest Rutherford toonde experimenteel aan dat een atoom bestaat uit een kern omringd door negatief geladen deeltjes - elektronen.