Charakterystyczną wielkością atomu jest. Atom – „Encyklopedia

Większość z nas uczyła się tematu atomu w szkole, na lekcjach fizyki. Jeśli nadal zapomniałeś, z czego zbudowany jest atom lub dopiero zaczynasz zgłębiać ten temat, ten artykuł jest właśnie dla Ciebie.

Co to jest atom

Aby zrozumieć, z czego zbudowany jest atom, musisz najpierw zrozumieć, co to jest. Powszechnie przyjętą tezą w szkolnym programie nauczania fizyki jest to, że atom jest najmniejszą cząstką dowolnego pierwiastka chemicznego. Zatem atomy są we wszystkim, co nas otacza. Niezależnie od tego, czy jest to obiekt ożywiony, czy nieożywiony, w niższych warstwach fizjologicznych i chemicznych składa się z atomów.

Atomy są częścią cząsteczki. Pomimo tego przekonania istnieją pierwiastki mniejsze od atomów, takie jak kwarki. Temat kwarków nie jest omawiany w szkołach i na uniwersytetach (z wyjątkiem szczególnych przypadków). Kwark to pierwiastek chemiczny, który nie ma struktury wewnętrznej, tj. jego struktura jest znacznie lżejsza niż atom. W tej chwili nauka zna 6 rodzajów kwarków.

Z czego składa się atom?

Jak już powiedziano, wszystkie obiekty wokół nas składają się z czegoś. W pokoju znajduje się stół i dwa krzesła. Z kolei każdy mebel jest wykonany z jakiegoś materiału. W tym przypadku wykonany z drewna. Drzewo składa się z cząsteczek, a te cząsteczki zbudowane są z atomów. I takich przykładów można podawać w nieskończoność. Ale z czego składa się sam atom?

Atom składa się z jądra zawierającego protony i neutrony. Protony to cząstki naładowane dodatnio. Neutrony, jak sama nazwa wskazuje, są naładowane neutralnie, tj. nie mają żadnych opłat. Wokół jądra atomu znajduje się pole (chmura elektryczna), w którym poruszają się elektrony (cząstki naładowane ujemnie). Liczba elektronów i protonów może się od siebie różnić. To właśnie ta różnica jest kluczowa w chemii, gdy bada się kwestię przynależności do substancji.

Atom, którego liczba powyższych cząstek jest różna, nazywa się jonem. Jak można się domyślić, jon może być ujemny lub dodatni. Jest ona ujemna, jeśli liczba elektronów jest większa od liczby protonów. I odwrotnie, jeśli protonów będzie więcej, jon będzie dodatni.

Atom według wyobrażeń starożytnych myślicieli i naukowców

Istnieje kilka bardzo interesujących założeń na temat atomu. Poniżej znajduje się lista:

• Hipoteza Demokryta. Demokryt zakładał, że właściwości substancji zależą od kształtu jej atomu. Jeśli więc coś ma właściwość cieczy, to wynika to właśnie z tego, że atomy, z których składa się ta ciecz, są gładkie. Opierając się na logice Demokryta, atomy wody i np. mleka są podobne.
• Założenia planetarne. W XX wieku niektórzy naukowcy sugerowali, że atom jest czymś w rodzaju planety. Jedno z tych założeń było następujące: podobnie jak planeta Saturn, atom również ma wokół jądra pierścienie, przez które poruszają się elektrony (jądro porównywane jest do samej planety, a chmura elektryczna porównywana jest do pierścieni Saturna). Pomimo obiektywnego podobieństwa ze sprawdzoną teorią, wersja ta została obalona. Założenie Bohra-Rutherforda było podobne, ale później również zostało obalone.

Mimo to możemy śmiało powiedzieć, że Rutherford dokonał wielkiego skoku w kierunku zrozumienia prawdziwej istoty atomu. Miał rację, gdy mówił, że atom jest podobny do jądra, które samo w sobie jest dodatnie, a atomy krążą wokół niego. Jedyną wadą jego modelu jest to, że elektrony otaczające atom nie poruszają się w żadnym konkretnym kierunku. Ich ruch jest chaotyczny. Zostało to udowodnione i weszło do nauki pod nazwą modelu mechaniki kwantowej.

Weź dowolny przedmiot, cóż, przynajmniej łyżkę. Odłóż - leży spokojnie, nie rusza się. Dotknij tego - zimnego, nieruchomego metalu.

Ale w rzeczywistości łyżka, jak wszystko wokół nas, składa się z drobnych cząstek - atomów, z dużymi przerwami między nimi. Cząsteczki nieustannie się kołyszą i oscylują.

Dlaczego łyżka jest twarda, skoro atomy w niej są ułożone swobodnie i cały czas się poruszają? Faktem jest, że są one niejako mocno ze sobą powiązane przez siły specjalne. A odstępy między nimi, choć znacznie większe niż same atomy, są wciąż znikome i nie możemy ich zauważyć.

Atomy są różne – w przyrodzie są 92 rodzaje atomów. Wszystko na świecie jest z nich zbudowane, tak jak z 32 liter - wszystkich słów języka rosyjskiego. Naukowcy stworzyli sztucznie kolejnych 12 rodzajów atomów.

Ludzie wiedzieli o istnieniu atomów od dawna. Ponad dwa tysiące lat temu w starożytnej Grecji żył wielki uczony Demokryt, który wierzył, że cały świat składa się z drobnych cząstek. Nazwał je „atomos”, co po grecku oznacza „niepodzielny”.

Naukowcom zajęło dużo czasu udowodnienie, że atomy naprawdę istnieją. Stało się to pod koniec ubiegłego wieku. A potem okazało się, że już sama nazwa była pomyłką. Nie są niepodzielne: atom składa się z jeszcze mniejszych cząstek. Naukowcy nazywają je cząstkami elementarnymi.

Oto artysta rysujący atom. Pośrodku znajduje się rdzeń, wokół którego niczym planety wokół Słońca poruszają się maleńkie kuleczki – . Rdzeń również nie jest solidny. Składa się z cząstek jądrowych - protonów i neutronów.

Właśnie tak niedawno myśleliśmy. Ale potem stało się jasne, że cząstki atomowe nie są jak kule. Okazało się, że atom jest zbudowany w specjalny sposób. Jeśli spróbujesz wyobrazić sobie, jak wyglądają cząstki, możesz powiedzieć, że elektron jest jak chmura. Takie chmury otaczają rdzeń warstwami. Cząsteczki jądrowe to także rodzaj chmur.

Różne typy atomów mają różną liczbę elektronów, protonów i neutronów. Od tego zależą właściwości atomów.

Atom łatwo jest rozdzielić. Elektrony łatwo odrywają się od jąder i prowadzą niezależne życie. Na przykład prąd elektryczny w drucie to ruch takich niezależnych elektronów.

Ale rdzeń jest niezwykle silny. Znajdujące się w nim protony i neutrony są ściśle ze sobą powiązane siłami specjalnymi. Dlatego bardzo trudno jest złamać rdzeń. Ale ludzie się tego nauczyli i to osiągnęli. Nauczyliśmy się zmieniać liczbę cząstek w jądrze i w ten sposób przekształcać niektóre atomy w inne, a nawet tworzyć nowe atomy.

Badanie atomu jest trudne: naukowcy wymagają niezwykłej pomysłowości i zaradności. Przecież nawet jego wielkość trudno sobie wyobrazić: w niewidzialnym dla oka drobnoustroju znajdują się miliardy atomów, więcej niż ludzi na Ziemi. A jednak naukowcy osiągnęli swój cel, byli w stanie zmierzyć i porównać masy wszystkich atomów i cząstek tworzących atom, odkryli, że proton lub neutron jest prawie dwa tysiące razy masywniejszy od elektronu, odkryli i kontynuuj odkrywanie wielu innych tajemnic atomowych.

ATOM, najmniejsza cząsteczka substancji, która może wchodzić w reakcje chemiczne. Każda substancja ma unikalny zestaw atomów. Kiedyś wierzono, że atom jest niepodzielny, jednak składa się z dodatnio naładowanego JĄDRA, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony. Jądro (którego obecność stwierdził w 1911 r. Ernst RUTHERFORD) składa się z gęsto upakowanych protonów i neutronów. Zajmuje tylko niewielką część przestrzeni wewnątrz atomu, stanowi jednak prawie całą masę atomu. W 1913 roku Niels BOR zaproponował, aby elektrony poruszały się po stałych orbitach. Od tego czasu badania w ramach MECHANIKI KWANTOWEJ doprowadziły do ​​nowego zrozumienia orbit: zgodnie z ZASADĄ NIEPEWNOŚCI Heisenberga nie można jednocześnie poznać dokładnego położenia i PĘDU cząstki subatomowej. Liczba elektronów w atomie i ich rozmieszczenie określają właściwości chemiczne pierwiastka. Po dodaniu lub odjęciu jednego lub większej liczby elektronów powstaje jon.

Masa atomu zależy od wielkości jądra. Stanowi największą część masy atomu, ponieważ elektrony nic nie ważą. Na przykład atom uranu jest najcięższym atomem występującym w przyrodzie, ma 146 neutronów, 92 protony i 92 elektrony. Z drugiej strony najlżejszym atomem jest atom wodoru, który ma 1 proton i elektron. Jednak atom uranu, choć 230 razy cięższy od atomu wodoru, ma tylko trzy razy większy rozmiar. Masę atomu wyraża się w jednostkach masy atomowej i oznacza się jako u. Atomy składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych cząstkami subatomowymi (elementarnymi). Najważniejsze z nich to protony (naładowane dodatnio), neutrony (elektrycznie obojętne) i elektrony (naładowane ujemnie).Skupiska elektronów i neutronów tworzą jądro w środku wszystkich atomów (z wyjątkiem wodoru, który ma tylko jeden proton). „Elektrony” kręcący się dookoła! jądra w pewnej odległości od niego, proporcjonalnej do wymiarów atomu. | (Gdyby na przykład jądro atomu helu miało wielkość piłki tenisowej, to elektrony znajdowałyby się w odległości 6 km od niego. Istnieje 112 różnych typów atomów, ta sama liczba pierwiastków w układzie okresowym. Atomy pierwiastków różnią się liczbą atomową i masą atomową. JĄDRO ATOMOWE Masę atomu wyznacza się głównie na podstawie stosunkowo gęstego jądra. I (rotony i neutrony mają masa około 1K4() razy większa od elektronów. Ponieważ przebiegi są naładowane dodatnio, a neutrony są obojętne, jądro atomu jest zawsze naładowane dodatnio. 11Ponieważ przeciwne ładunki przyciągają się, jądro utrzymuje elektrony na swoich orbitach. Progony i neutrony składają się z jeszcze mniejszych cząstek, kwarków.ELEKTRONY określają swoją chemiczną gnostię Hoshichis z planet Układu Słonecznego, nemropy krążą wokół jądra losowo, oiMiiMi ani w ustalonej odległości od jądra, form-IVH „aboutSyulochki”. Im więcej energii ma elek-ipon. li"M dalej może się odsunąć, pokonując przyciąganie dodatnio naładowanego jądra. W neutralnym atomie dodatni ładunek elektronów równoważy dodatni ładunek protonów jądra. 11 Dlatego usunięcie lub dodanie jednego elektronu w agomie prowadzi do pojawienia się naładowanego jonu. Powłoki elektronów znajdują się w stałych odległościach od jądra, w zależności od ich poziomu energii. Każda powłoka jest numerowana począwszy od jądra. W agomie jest nie więcej niż siedem powłok, i każdy z nich może zawierać tylko określoną liczbę elektronów. Jeśli energii jest wystarczająco dużo, elektron może przeskoczyć z jednej powłoki na drugą, wyższą. Kiedy ponownie uderzy w dolną powłokę, emituje promieniowanie w postaci fotonu. Elektron należy do klasy cząstek zwanych leptonami, a jego antycząstka nazywa się pozytonem.

REAKCJA ŁAŃCUCHOWA JĄDROWA. Podczas eksplozji jądrowej, takiej jak eksplozja nuklearna, neutron uderza w jądro uranu 23b (to znaczy jądro o całkowitej liczbie protonów i neutronów równej > 35). Podczas absorpcji neutronu powstaje uran 236. Jest on bardzo niestabilny i rozpada się na dwa mniejsze jądra, co uwalnia ogromną ilość energii i kilka neutronów. Każdy z tych neutronów może z kolei uderzyć w inne jądro uranu. Jeśli powstanie w tak zwane warunki krytyczne (ilość uranu-235 przekracza masę krytyczną), wówczas liczba zderzeń neutronów będzie wystarczająca, aby reakcja przebiegała z szybkością błyskawicy, tj. zachodzi reakcja łańcuchowa. W reaktorze jądrowym ciepło powstające podczas procesu wykorzystywane jest do podgrzewania pary, która napędza generator turbinowy wytwarzający energię elektryczną.

Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny.

Zobacz, co „ATOM” znajduje się w innych słownikach:

atom- atom i... Słownik ortografii rosyjskiej

- (Greckie atomos, od części negatywnej i księga, dział tomos, segment). Nieskończenie mała, niepodzielna cząstka, której całość tworzy dowolne ciało fizyczne. Słownik słów obcych zawartych w języku rosyjskim. Chudinov A.N., 1910. ATOM grecki ... Słownik obcych słów języka rosyjskiego

atom- a m. atom m. 1. Najmniejsza niepodzielna cząstka materii. Atomy nie mogą być wieczne. Cantemir O naturze. Ampere wierzy, że każda niepodzielna cząstka materii (atom) zawiera integralną ilość energii elektrycznej. OZ 1848 56 8 240. Niech się stanie... ... Historyczny słownik galicyzmów języka rosyjskiego

- (od greckiego atomos - niepodzielny) najmniejsze cząstki składowe materii, z których składa się wszystko, co istnieje, w tym dusza, utworzona z najdrobniejszych atomów (Leucyppos, Demokryt, Epikur). Atomy są wieczne, nie powstają i nie znikają, będąc w ciągłym... ... Encyklopedia filozoficzna

Atom- Atom ♦ Atom Etymologicznie atom jest cząstką niepodzielną, czyli cząstką podlegającą jedynie podziałowi spekulatywnemu; niepodzielny element (atomos) materii. Demokryt i Epikur rozumieją atom w tym sensie. Współcześni naukowcy doskonale zdają sobie sprawę, że to... ... Słownik filozoficzny Sponville'a

- (z greckiego atomos niepodzielny) najmniejsza cząsteczka pierwiastka chemicznego, która zachowuje swoje właściwości. W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, w którym skoncentrowana jest prawie cała masa atomu; elektrony poruszają się, tworząc elektron... Wielki słownik encyklopedyczny

Samiec, Grek niepodzielny; substancja w skrajnych granicach jej podzielności, niewidzialny pyłek kurzu, z którego rzekomo składają się wszystkie ciała, każda substancja jakby z ziarenek piasku. | Niezmierzona, nieskończenie mała cząstka kurzu, znikoma ilość. | Chemicy mają swoje słowo... Słownik wyjaśniający Dahla

Cm … Słownik synonimów

ATOM- (od greckiego atomos niepodzielny). Słowo A. jest używane we współczesnej nauce w różnych znaczeniach. W większości przypadków A. nazywa się maksymalną ilością substancji chemicznej. elementu, dalsze rozdrobnienie elementu prowadzi do utraty indywidualności elementu, czyli do ostrego... ... Wielka encyklopedia medyczna

atom- atom Atom to część mowy, która jest najmniejszym nośnikiem mocy chemicznej pojedynczego pierwiastka chemicznego. Istnieje wiele rodzajów atomów, a także pierwiastków chemicznych i izotopów. Elektrycznie obojętny, złożony z jąder i elektronów. Promień atomowy... ... Słownik encyklopedyczny Girnichy

Książki

• Atom wodoru i geometria nieeuklidesowa, V.A. Fok. Książka ta zostanie wyprodukowana zgodnie z Państwa zamówieniem w technologii Print-on-Demand. Reprodukcja w oryginalnej pisowni autorskiej wydania z 1935 roku (wydawnictwo „Wydawnictwo...
• Atom wodoru jest najprostszym z atomów. Kontynuacja teorii Nielsa Bohra. Część 5. Częstotliwość promieniowania fotonowego pokrywa się ze średnią częstotliwością promieniowania elektronowego w przejściu, A. I. Shidlovsky. Bohrowska teoria atomu wodoru była kontynuowana („równolegle” do podejścia mechaniki kwantowej) wzdłuż tradycyjnej ścieżki rozwoju fizyki, gdzie w teorii współistnieją wielkości obserwowalne i nieobserwowalne. Dla…

Atom to najmniejsza, chemicznie niepodzielna część pierwiastka chemicznego, będąca nośnikiem jego właściwości. Atom składa się z elektronów i jądra atomowego, które z kolei składa się z nienaładowanych neutronów, a także dodatnio naładowanych protonów. Jeżeli liczba elektronów i protonów jest taka sama, wówczas atom jest elektrycznie obojętny. W przeciwnym razie ma ładunek ujemny lub dodatni i w takim przypadku nazywa się go jonem.

Atomy klasyfikuje się według liczby neutronów i protonów w jądrze: liczba neutronów określa przynależność do dowolnego izotopu pierwiastka chemicznego, liczba protonów - bezpośrednio do tego pierwiastka. Atomy różnego typu w różnych ilościach, połączone pewnymi wiązaniami międzyatomowymi, tworzą cząsteczki.

Pojęcie atomu zostało po raz pierwszy sformułowane przez filozofów starożytnej Grecji i starożytnych Indii. W XVII i XVIII wieku chemikom udało się potwierdzić hipotezę, że niektórych substancji nie można później rozłożyć na mniejsze pierwiastki za pomocą specjalnych metod chemicznych, eksperymentalnie. Jednak pod koniec XIX i na początku XX wieku fizycy odkryli cząstki subatomowe, po czym stało się jasne, że atom w rzeczywistości nie jest „cząstką niepodzielną”. W 1860 roku w niemieckim mieście Karlsruhe odbył się międzynarodowy kongres chemików, na którym podjęto szereg decyzji w sprawie definicji pojęć atomu i cząsteczki. W rezultacie atom jest najmniejszą cząsteczką pierwiastka chemicznego wchodzącego w skład substancji złożonych i prostych.

Modele atomu

Model atomu Thomsona. Zaproponował rozważenie atomu jako ciała naładowanego dodatnio zawierającego elektrony. Hipotezę tę ostatecznie obalił słynny naukowiec Rutherford po przeprowadzeniu swojego słynnego eksperymentu, w którym rozproszył cząstki alfa.

Kawałki materii. Starożytny grecki naukowiec Demokryt uważał, że właściwości substancji można określić na podstawie jej masy, kształtu i podobnych cech atomów, z których się składa. Na przykład ogień ma ostre atomy, w wyniku czego można go spalić, a w ciałach stałych są szorstkie, dlatego ściśle przylegają do siebie, w wodzie są gładkie i dzięki temu mogą płynąć. Demokrti wierzył również, że dusza ludzka składa się z atomów.

Wczesny planetarny model atomu Nagaoki. Fizycy z Japonii Hantaro Nagaoka w 1904 roku zaproponowali taki model atomu, który został zbudowany w bezpośredniej analogii do Saturna. W tym modelu elektrony obracały się po orbitach wokół małego dodatniego jądra i były łączone w pierścienie. Ale ten model był błędny.

Planetarny model atomu Bohra-Rutherforda. Ernest Rutherford przeprowadził w 1911 roku kilka eksperymentów, po których doszedł do wniosku, że atom jest rodzajem układu planetarnego, w którym elektrony poruszają się po orbitach wokół ciężkiego, dodatnio naładowanego jądra, które znajduje się w centrum atomu. Ale taki opis był sprzeczny z klasyczną elektrodynamiką. Według tego ostatniego elektron poruszając się z przyspieszeniem dośrodkowym musi emitować fale elektromagnetyczne, w wyniku czego traci część energii. Jego obliczenia wykazały, że czas potrzebny elektronowi na opadnięcie na jądro takiego atomu jest absolutnie pomijalny.

Aby wyjaśnić stabilność atomów, Niels Bohr musiał wprowadzić szereg specjalnych postulatów, które sprowadzono do tego, że elektron atomu, znajdujący się w określonych stanach energetycznych, nie emituje energii („Bohr-Rutherford model atomu”). Postulaty Bohra wykazały, że mechanika klasyczna nie ma zastosowania do opisu właściwości atomu i jego definicji. Późniejsze badania promieniowania atomowego doprowadziły do ​​​​powstania takiej gałęzi fizyki, jak mechanika kwantowa, która umożliwiła wyjaśnienie ogromnej liczby zaobserwowanych faktów.

Kwantowo-mechaniczny model atomu

Współczesny model atomu jest rozwinięciem modelu planetarnego. Jądro atomu zawiera nienaładowane neutrony i dodatnio naładowane protony i jest otoczone elektronami o ładunku ujemnym. Jednak koncepcje mechaniki kwantowej nie pozwalają na stwierdzenie, że elektrony poruszają się wokół jądra po jakichkolwiek określonych trajektoriach.
Właściwości chemiczne atomu opisuje mechanika kwantowa i określa konfiguracja jego powłoki elektronowej. Położenie atomu w układzie okresowych pierwiastków chemicznych Mendelejewa określa się na podstawie ładunku elektrycznego jego jądra, tj. liczba protonów i liczba neutronów nie ma zasadniczego wpływu na właściwości chemiczne. Większa część atomu jest skoncentrowana w jądrze. Masę atomu mierzy się w specjalnych jednostkach masy atomowej równych.

Właściwości atomu

Dowolne dwa atomy, które mają tę samą liczbę protonów, należą do tego samego pierwiastka chemicznego. Atomy o tej samej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów nazywane są izotopami tego pierwiastka. Na przykład atom wodoru zawiera jeden proton, ale istnieją izotopy, które nie zawierają neutronów lub jeden neutron (deuter) lub dwa neutrony (tryt). Począwszy od atomu wodoru, który ma jeden proton, a kończąc na atomie ununoctium, który zawiera 118 protonów, pierwiastki chemiczne tworzą ciągły naturalny szereg zgodny z liczbą protonów w jądrze. Izotopy promieniotwórcze pierwiastków zaczynają się od 83. liczby układu okresowego.

Masę spoczynkową atomu wyraża się w jednostkach masy atomowej (daltonach). Masa atomu jest w przybliżeniu równa iloczynowi jednostki masy atomowej i liczby masowej. Najcięższym izotopem jest ołów-208, którego masa wynosi 207,976 a. jeść.
Zewnętrzna powłoka elektronowa powłoki atomowej, jeśli nie jest całkowicie wypełniona, nazywana jest powłoką walencyjną, a jej elektrony nazywane są elektronami walencyjnymi.

Tworząc między sobą wiązania, atomy łączą się w cząsteczki i duże ciała stałe.

Ludzkość podejrzewała istnienie najmniejszych cząstek materii już od czasów starożytnych, jednak potwierdzenie istnienia atomów otrzymano dopiero pod koniec XIX wieku. Ale niemal natychmiast stało się jasne, że atomy z kolei mają złożoną strukturę, która determinuje ich właściwości.

Pojęcie atomu jako najmniejszej niepodzielnej cząstki materii zostało po raz pierwszy zaproponowane przez starożytnych filozofów greckich. W XVII i XVIII wieku chemicy odkryli, że chemikalia reagują w określonych proporcjach, które wyraża się małymi liczbami. Ponadto wyizolowali pewne proste substancje, które nazwali pierwiastkami chemicznymi. Odkrycia te doprowadziły do ​​odrodzenia idei niepodzielnych cząstek. Rozwój termodynamiki i fizyki statystycznej pokazał, że właściwości termiczne ciał można wyjaśnić ruchem takich cząstek. Ostatecznie rozmiary atomów określono eksperymentalnie.

Na przełomie XIX i XX wieku fizycy odkryli pierwszą z cząstek subatomowych – elektron, a nieco później jądro atomowe, pokazując w ten sposób, że atom nie jest niepodzielny. Rozwój mechaniki kwantowej pozwolił wyjaśnić nie tylko budowę atomów, ale także ich właściwości: widma optyczne, zdolność wchodzenia w reakcje i tworzenia cząsteczek, tj.

Ogólna charakterystyka budowy atomu

Współczesne koncepcje dotyczące budowy atomu opierają się na mechanice kwantowej.

Na popularnym poziomie budowę atomu można przedstawić w kategoriach modelu falowego, który opiera się na modelu Bohra, ale uwzględnia także dodatkowe informacje z mechaniki kwantowej.

Według tego modelu:

Atomy składają się z cząstek elementarnych (protonów, elektronów i neutronów). Masa atomu koncentruje się głównie w jądrze, więc większość jego objętości jest stosunkowo pusta. Jądro jest otoczone elektronami. Liczba elektronów jest równa liczbie protonów w jądrze; liczba protonów określa liczbę atomową pierwiastka w układzie okresowym. W atomie obojętnym całkowity ładunek ujemny elektronów jest równy dodatniemu ładunkowi protonów. Atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów nazywane są izotopami.
W centrum atomu znajduje się maleńkie, dodatnio naładowane jądro zbudowane z protonów i neutronów.
Jądro atomu jest około 10 000 razy mniejsze od samego atomu. Zatem jeśli powiększymy atom do rozmiarów lotniska Boryspol, rozmiar jądra będzie mniejszy niż rozmiar piłki do tenisa stołowego.
Jądro otoczone jest chmurą elektronów, która zajmuje większość jego objętości. W chmurze elektronów można wyróżnić powłoki, dla każdej z nich istnieje kilka możliwych orbitali. Wypełnione orbitale stanowią konfigurację elektroniczną charakterystyczną dla każdego pierwiastka chemicznego.
Każdy orbital może zawierać maksymalnie dwa elektrony, charakteryzujące się trzema liczbami kwantowymi: podstawową, orbitalną i magnetyczną.
Każdy elektron na orbicie ma unikalną wartość czwartej liczby kwantowej: spin.
Orbitale są określane na podstawie określonego rozkładu prawdopodobieństwa tego, gdzie dokładnie można znaleźć elektron. Przykłady orbitali i ich symbole pokazano na rysunku po prawej stronie. Za „granicę” orbitalu uważa się odległość, przy której prawdopodobieństwo, że elektron znajdzie się poza nią, jest mniejsze niż 90%.
Każda powłoka może zawierać nie więcej niż ściśle określoną liczbę elektronów. Przykładowo na powłoce najbliżej jądra mogą znajdować się maksymalnie dwa elektrony, następny – 8, trzeci od jądra – 18 i tak dalej.
Kiedy elektrony przyłączają się do atomu, wpadają na orbital niskoenergetyczny. W tworzeniu wiązań międzyatomowych mogą brać udział tylko elektrony powłoki zewnętrznej. Atomy mogą oddawać i zyskiwać elektrony, stając się jonami naładowanymi dodatnio lub ujemnie. Właściwości chemiczne pierwiastka zależą od łatwości, z jaką jądro może oddawać lub zyskiwać elektrony. Zależy to zarówno od liczby elektronów, jak i od stopnia wypełnienia powłoki zewnętrznej.
Rozmiar atomu

Rozmiar atomu jest wielkością trudną do zmierzenia, ponieważ jądro centralne jest otoczone rozproszoną chmurą elektronów. W przypadku atomów tworzących stałe kryształy odległość między sąsiednimi miejscami sieci krystalicznej może służyć jako przybliżona wartość ich wielkości. W przypadku atomów kryształy nie powstają, stosuje się inne techniki oceny, w tym obliczenia teoretyczne. Przykładowo wielkość atomu wodoru szacuje się na 1,2 × 10-10 m. Wartość tę można porównać z wielkością protonu (który jest jądrem atomu wodoru): 0,87 × 10-15 m i sprawdzić że jądro atomu wodoru jest 100 000 razy mniejsze od samego atomu. Atomy innych pierwiastków zachowują w przybliżeniu ten sam stosunek. Dzieje się tak dlatego, że pierwiastki o większym, dodatnio naładowanym jądrze silniej przyciągają elektrony.

Inną cechą wielkości atomu jest promień van der Waalsa – odległość, na jaką inny atom może zbliżyć się do danego atomu. Odległości międzyatomowe w cząsteczkach charakteryzują się długością wiązań chemicznych lub promieniem kowalencyjnym.

Rdzeń

Większość atomu koncentruje się w jądrze, które składa się z nukleonów: protonów i neutronów, połączonych siłami oddziaływania jądrowego.

Liczba protonów w jądrze atomu określa jego liczbę atomową i to, do jakiego pierwiastka należy atom. Na przykład atomy węgla zawierają 6 protonów. Wszystkie atomy o określonej liczbie atomowej mają te same właściwości fizyczne i wykazują te same właściwości chemiczne. Układ okresowy pierwiastków wymienia pierwiastki w kolejności rosnącej liczby atomowej.

Całkowita liczba protonów i neutronów w atomie pierwiastka określa jego masę atomową, ponieważ proton i neutron mają masę w przybliżeniu 1 amu. Neutrony w jądrze nie wpływają na to, do jakiego pierwiastka należy atom, ale pierwiastek chemiczny może mieć atomy o tej samej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów. Takie atomy mają tę samą liczbę atomową, ale różną masę atomową i nazywane są izotopami pierwiastka. Wpisując nazwę izotopu, należy po niej wpisać masę atomową. Na przykład izotop węgla-14 zawiera 6 protonów i 8 neutronów, co daje masę atomową 14. Inną popularną metodą notacji jest poprzedzanie masy atomowej indeksem górnym przed symbolem pierwiastka. Na przykład węgiel-14 jest oznaczony jako 14C.

Masa atomowa pierwiastka podana w układzie okresowym jest średnią wartością masy izotopów występujących w przyrodzie. Uśrednianie przeprowadza się w zależności od liczebności izotopu w przyrodzie.

Wraz ze wzrostem liczby atomowej wzrasta ładunek dodatni jądra, a w konsekwencji wzrasta odpychanie Coulomba między protonami. Aby utrzymać razem protony, potrzeba coraz więcej neutronów. Jednak duża liczba neutronów jest niestabilna, a ta okoliczność narzuca ograniczenie możliwego ładunku jądra i liczby pierwiastków chemicznych występujących w przyrodzie. Pierwiastki chemiczne o dużej liczbie atomowej mają bardzo krótki czas życia, powstają jedynie w wyniku bombardowania jąder lekkich pierwiastków jonami i są obserwowane jedynie podczas eksperymentów z użyciem akceleratorów. Według stanu na luty 2008 r. ciężkim syntetyzowanym pierwiastkiem chemicznym jest ununoctium

Wiele izotopów pierwiastków chemicznych jest niestabilnych i z czasem ulega rozkładowi. Zjawisko to wykorzystywane w badaniach radiopierwiastków do określenia wieku obiektów ma ogromne znaczenie dla archeologii i paleontologii.

modelu Bohra

Model Bohra jest pierwszym modelem fizycznym, który potrafił poprawnie opisać widma optyczne atomu wodoru. Po opracowaniu precyzyjnych metod mechaniki kwantowej model Bohra ma jedynie znaczenie historyczne, ale ze względu na swoją prostotę jest nadal szeroko nauczany i stosowany do jakościowego zrozumienia budowy atomu.

Model Bohra opiera się na modelu planetarnym Rutherforda, który opisuje atom jako małe, dodatnio naładowane jądro z ujemnie naładowanymi elektronami krążącymi na różnych poziomach, co przypomina strukturę Układu Słonecznego. Rutherford zaproponował model planetarny, aby wyjaśnić wyniki swoich eksperymentów dotyczących rozpraszania cząstek alfa na folii metalowej. Według modelu planetarnego atom składa się z ciężkiego jądra, wokół którego krążą elektrony. Ale to, w jaki sposób elektrony krążące wokół jądra nie spadają na nie spiralnie, było dla ówczesnych fizyków niezrozumiałe. Rzeczywiście, zgodnie z klasyczną teorią elektromagnetyzmu, elektron krążący wokół jądra powinien emitować fale elektromagnetyczne (światło), co doprowadziłoby do stopniowej utraty energii i opadania na jądro. Jak zatem atom może w ogóle istnieć? Co więcej, badania widma elektromagnetycznego atomów wykazały, że elektrony w atomie mogą emitować światło jedynie o określonej częstotliwości.

Trudności te zostały przezwyciężone w modelu zaproponowanym przez Nielsa Bohra w 1913 roku, który postuluje, że:

Elektrony mogą znajdować się tylko na orbitach, które mają dyskretne skwantowane energie. Oznacza to, że nie wszystkie orbity są możliwe, ale tylko niektóre określone. Dokładne energie dozwolonych orbit zależą od atomu.
Prawa mechaniki klasycznej nie mają zastosowania, gdy elektrony przemieszczają się z jednej dopuszczalnej orbity na drugą.
Kiedy elektron przemieszcza się z jednej orbity na drugą, różnica energii jest emitowana (lub pochłaniana) przez pojedynczy kwant światła (foton), którego częstotliwość zależy bezpośrednio od różnicy energii pomiędzy dwiema orbitami.

gdzie ν to częstotliwość fotonu, E to różnica energii, a h to stała proporcjonalności, znana również jako stała Plancka.
Po ustaleniu, co można zapisać

gdzie ω jest częstotliwością kątową fotonu.
Dozwolone orbity zależą od skwantowanych wartości pędu orbitalnego L, opisanych równaniem

gdzie n = 1,2,3,...
i nazywana jest liczbą kwantową momentu pędu.
Założenia te pozwoliły wyjaśnić wyniki ówczesnych obserwacji, na przykład dlaczego widmo składa się z dyskretnych linii. Założenie (4) stwierdza, że ​​najmniejsza wartość n wynosi 1. W związku z tym najmniejszy dopuszczalny promień atomowy wynosi 0,526 Å (0,0529 nm = 5,28 · 10-11 m). Wartość ta znana jest jako promień Bohra.

Model Bohra jest czasami nazywany modelem półklasycznym, ponieważ chociaż zawiera pewne idee mechaniki kwantowej, nie jest pełnym opisem atomu wodoru w mechanice kwantowej. Jednak model Bohra był znaczącym krokiem w kierunku stworzenia takiego opisu.

W ścisłym kwantowo-mechanicznym opisie atomu wodoru poziomy energii wyznacza się z rozwiązania stacjonarnego równania Schrödingera. Poziomy te charakteryzują się trzema liczbami kwantowymi wskazanymi powyżej, wzór na kwantowanie pędu jest inny, liczba kwantowa pędu wynosi zero dla sferycznych s-orbitali, jedność dla wydłużonych p-orbitali w kształcie hantli itp. (patrz zdjęcie powyżej).

Energia atomowa i jej kwantyzacja

Wartości energii, jakie może mieć atom, są obliczane i interpretowane w oparciu o zasady mechaniki kwantowej. W tym przypadku brane są pod uwagę takie czynniki, jak elektrostatyczne oddziaływanie elektronów z jądrem i elektronami między sobą, spiny elektronów i zasada identycznych cząstek. W mechanice kwantowej stan, w jakim znajduje się atom, opisuje się funkcją falową, którą można wyznaczyć z rozwiązania równania Schrödingera. Istnieje określony zestaw stanów, z których każdy ma określoną wartość energetyczną. Stan o najniższej energii nazywany jest stanem podstawowym. Inne stany nazywane są podekscytowanymi. Atom znajduje się w stanie wzbudzonym przez skończony czas, prędzej czy później emitując kwant pola elektromagnetycznego (foton) i przechodząc do stanu podstawowego. Atom może pozostawać w stanie podstawowym przez długi czas. Aby się podniecić, potrzebuje energii zewnętrznej, która może przyjść do niego tylko ze środowiska zewnętrznego. Atom emituje lub pochłania światło tylko o określonych częstotliwościach odpowiadających różnicy energii pomiędzy jego stanami.

Możliwe stany atomu są indeksowane za pomocą liczb kwantowych, takich jak spin, liczba kwantowa orbitalnego momentu pędu i liczba kwantowa całkowitego momentu pędu. Więcej szczegółów na temat ich klasyfikacji znajdziesz w artykule Terminy elektroniczne

Powłoki elektronowe złożonych atomów

Złożone atomy mają dziesiątki, a w przypadku bardzo ciężkich pierwiastków nawet setki elektronów. Zgodnie z zasadą cząstek identycznych stany elektronowe atomów tworzą wszystkie elektrony i nie da się określić, gdzie każdy z nich się znajduje. Jednakże w tzw. przybliżeniu jednoelektronowym możemy mówić o pewnych stanach energetycznych poszczególnych elektronów.

Zgodnie z tymi koncepcjami istnieje pewien zestaw orbitali wypełnionych elektronami atomu. Orbitale te tworzą specyficzną konfigurację elektroniczną. Każdy orbital może zawierać nie więcej niż dwa elektrony (zasada wykluczenia Pauliego). Orbitale są pogrupowane w powłoki, z których każda może mieć tylko określoną liczbę orbitali (1, 4, 10 itd.). Orbitale dzielą się na wewnętrzne i zewnętrzne. W stanie podstawowym atomu wewnętrzne powłoki są całkowicie wypełnione elektronami.

Na orbitaliach wewnętrznych elektrony znajdują się bardzo blisko jądra i są z nim silnie związane. Aby usunąć elektron z wewnętrznego orbitalu, należy zapewnić mu wysoką energię, sięgającą kilku tysięcy elektronowoltów. Elektron na wewnętrznej powłoce może uzyskać taką energię jedynie poprzez absorpcję kwantu promieniowania rentgenowskiego. Energie wewnętrznych powłok atomów są indywidualne dla każdego pierwiastka chemicznego, dlatego atom można zidentyfikować za pomocą widma absorpcji promieniowania rentgenowskiego. Okoliczność ta jest wykorzystywana w analizie rentgenowskiej.

W powłoce zewnętrznej elektrony znajdują się daleko od jądra. To właśnie te elektrony biorą udział w tworzeniu wiązań chemicznych, dlatego powłoka zewnętrzna nazywana jest wartościowością, a elektrony w powłoce zewnętrznej nazywane są elektronami walencyjnymi.

Przejścia kwantowe w atomie

Możliwe są przejścia pomiędzy różnymi stanami atomów, wywołane zaburzeniem zewnętrznym, najczęściej polem elektromagnetycznym. Ze względu na kwantyzację stanów atomowych widma optyczne atomów składają się z pojedynczych linii, jeśli energia kwantu światła nie przekracza energii jonizacji. Przy wyższych częstotliwościach widma optyczne atomów stają się ciągłe. Prawdopodobieństwo wzbudzenia atomu światłem maleje wraz z dalszym wzrostem częstotliwości, ale gwałtownie wzrasta przy pewnych częstotliwościach charakterystycznych dla każdego pierwiastka chemicznego w zakresie promieniowania rentgenowskiego.

Wzbudzone atomy emitują kwanty światła z tymi samymi częstotliwościami, przy których zachodzi absorpcja.

Przejścia między różnymi stanami atomów mogą być również spowodowane oddziaływaniami z szybko naładowanymi cząstkami.

Właściwości chemiczne i fizyczne atomu

O właściwościach chemicznych atomu decydują głównie elektrony walencyjne – elektrony znajdujące się na zewnętrznej powłoce. Liczba elektronów na powłoce zewnętrznej określa wartościowość atomu.

Atomy ostatniej kolumny układu okresowego pierwiastków mają całkowicie wypełnioną powłokę zewnętrzną i aby elektron mógł przejść na następną powłokę, atom musi być zaopatrzony w bardzo dużą energię. Dlatego atomy te są obojętne i nie mają tendencji do wchodzenia w reakcje chemiczne. Gazy obojętne rozrzedzają się i krystalizują dopiero w bardzo niskich temperaturach.

Atomy w pierwszej kolumnie układu okresowego pierwiastków mają jeden elektron na swojej zewnętrznej powłoce i są aktywne chemicznie. Ich wartościowość wynosi 1. Charakterystycznym rodzajem wiązania chemicznego dla tych atomów w stanie skrystalizowanym jest wiązanie metaliczne.

Atomy drugiej kolumny układu okresowego w stanie podstawowym mają na zewnętrznej powłoce elektrony o wartości 2 s. Ich zewnętrzna skorupa jest wypełniona, więc muszą być obojętne. Aby jednak przejść ze stanu podstawowego o konfiguracji powłoki elektronowej s2 do stanu o konfiguracji s1p1, potrzeba bardzo mało energii, zatem atomy te mają wartościowość 2, ale wykazują mniejszą aktywność.

Atomy w trzeciej kolumnie układu okresowego pierwiastków mają w stanie podstawowym konfigurację elektronową s2p1. Mogą wykazywać różne wartościowości: 1, 3, 5. Ostatnia możliwość powstaje, gdy powłoka elektronowa atomu zostanie dodana do 8 elektronów i zostanie zamknięta.

Atomy w czwartej kolumnie układu okresowego pierwiastków mają wartościowość 4 (na przykład dwutlenek węgla CO2), chociaż możliwa jest również wartościowość 2 (na przykład tlenek węgla CO). Przed tą kolumną należy węgiel, pierwiastek tworzący szeroką gamę związków chemicznych. Specjalna gałąź chemii poświęcona jest związkom węgla - chemia organiczna. Pozostałe pierwiastki w tej kolumnie to krzem, a german jest w normalnych warunkach półprzewodnikiem półprzewodnikowym.

Elementy w piątej kolumnie mają wartościowość 3 lub 5.

Elementy szóstej kolumny układu okresowego w stanie podstawowym mają konfigurację s2p4 i całkowity spin 1. Dlatego są dwuwartościowe. Istnieje również możliwość przejścia atomu do stanu wzbudzonego s2p3s” o spinie 2, w którym wartościowość wynosi 4 lub 6.

Pierwiastkom siódmej kolumny układu okresowego brakuje jednego elektronu w zewnętrznej powłoce, który mógłby go wypełnić. Są przeważnie jednowartościowe. Mogą jednak wchodzić w związki chemiczne w stanach wzbudzonych, wykazując wartościowości 3,5,7.

Elementy przejściowe zazwyczaj wypełniają zewnętrzną powłokę S, zanim powłoka D zostanie całkowicie wypełniona. Dlatego najczęściej mają wartościowość 1 lub 2, ale w niektórych przypadkach jeden z d-elektronów uczestniczy w tworzeniu wiązań chemicznych, a wartościowość staje się równa trzy.

Kiedy powstają związki chemiczne, orbitale atomowe ulegają modyfikacji, deformacji i stają się orbitalami molekularnymi. W tym przypadku zachodzi proces hybrydyzacji orbitali – powstawanie nowych orbitali, jako określonej sumy orbitali podstawowych.

Historia pojęcia atomu

Więcej szczegółów w artykule Atomizm
Pojęcie atom, podobnie jak samo słowo, ma korzenie starożytnej Grecji, chociaż prawdziwość hipotezy o istnieniu atomów została potwierdzona dopiero w XX wieku. Główną ideą, która stała za tą koncepcją na przestrzeni wieków, była idea świata jako zbioru ogromnej liczby niepodzielnych elementów, które mają bardzo prostą budowę i istnieją od zarania dziejów.

Pierwsi głosiciele doktryny atomistycznej

Pierwszym, który głosił nauki atomistyczne, był filozof Leucippos w V wieku p.n.e. Następnie jego uczeń Demokryt przejął pałeczkę. Zachowały się jedynie pojedyncze fragmenty ich prac, z których wynika, że ​​opierały się one na niewielkiej liczbie raczej abstrakcyjnych hipotez fizycznych:

„Słodycz i gorycz, ciepło i zimno to znaczenie tej definicji, ale w rzeczywistości [tylko] atomy i pustka”.

Według Demokryta cała przyroda składa się z atomów, najmniejszych cząstek materii, które znajdują się w spoczynku lub poruszają się w całkowicie pustej przestrzeni. Wszystkie atomy mają prostą formę, a atomy tego samego rodzaju są identyczne; Różnorodność natury odzwierciedla różnorodność kształtów atomów i różnorodność sposobów, w jakie atomy mogą przylegać do siebie. Zarówno Demokryt, jak i Leucypus wierzyli, że atomy, gdy zaczęły się poruszać, nadal poruszają się zgodnie z prawami natury.

Najtrudniejszą kwestią dla starożytnych Greków była fizyczna rzeczywistość podstawowych pojęć atomizmu. W jakim sensie można mówić o rzeczywistości pustki, jeśli ta, nie mając materii, nie może mieć żadnych właściwości fizycznych? Idee Leucyposa i Demokryta nie mogły służyć jako zadowalająca podstawa dla teorii materii na płaszczyźnie fizycznej, ponieważ nie wyjaśniały, z czego składają się atomy ani dlaczego atomy są niepodzielne.

Pokolenie po Demokrycie Platon zaproponował swoje rozwiązanie tego problemu: „najmniejsze cząstki nie należą do królestwa materii, ale do królestwa geometrii; przedstawiają różne stałe figury geometryczne ograniczone płaskimi trójkątami.

Pojęcie atomu w filozofii indyjskiej

Tysiąc lat później abstrakcyjne rozumowanie starożytnych Greków przeniknęło do Indii i zostało przyjęte przez niektóre szkoły filozofii indyjskiej. Jeśli jednak filozofia zachodnia uważała, że ​​teoria atomowa powinna stać się konkretną i obiektywną podstawą teorii świata materialnego, o tyle filozofia indyjska zawsze postrzegała świat materialny jako iluzję. Kiedy w Indiach pojawił się atomizm, przybrał formę teorii, że rzeczywistość w świecie ma charakter procesu, a nie substancji, i że jesteśmy obecni w świecie jako ogniwa w procesie, a nie jako grudki materii.

Oznacza to, że zarówno Platon, jak i filozofowie indyjscy myśleli mniej więcej tak: skoro przyroda składa się z małych, ale skończonych rozmiarów udziałów, to dlaczego nie można ich podzielić, przynajmniej w wyobraźni, na jeszcze mniejsze cząstki, co stało się przedmiotem do dalszego rozważenia?

Teoria atomistyczna w nauce rzymskiej

Rzymski poeta Lukrecjusz (96 - 55 p.n.e.) był jednym z nielicznych Rzymian, którzy wykazali zainteresowanie czystą nauką. W swoim wierszu O naturze rzeczy (De rerum natura) szczegółowo przedstawił fakty świadczące na korzyść teorii atomowej. Na przykład wiatr, który wieje z wielką siłą, chociaż nikt go nie widzi, prawdopodobnie składa się z cząstek, które są zbyt trudne do zobaczenia. Rzeczy możemy wyczuć na odległość za pomocą zapachu, dźwięku i ciepła, które przemieszczają się, pozostając niewidzialnymi.

Lukrecjusz łączy właściwości rzeczy z właściwościami ich składników, tj. Atomy: Atomy cieczy są małe i mają okrągły kształt, dlatego ciecz tak łatwo przepływa i przenika przez porowatą substancję, podczas gdy atomy ciał stałych mają haczyki, które utrzymują je razem. Podobnie różne doznania smakowe i dźwięki o różnej objętości składają się z atomów o odpowiednich kształtach - od prostych i harmonijnych po kręte i nieregularne.

Jednak nauki Lukrecjusza zostały potępione przez Kościół, ponieważ przedstawił je raczej materialistycznie interpretując: na przykład pogląd, że Bóg, raz uruchomiwszy mechanizm atomowy, nie zakłóca już jego pracy lub że dusza umiera wraz z ciało.

Pierwsze teorie dotyczące budowy atomu

Jedną z pierwszych teorii na temat budowy atomu, która ma już współczesne zarysy, opisał Galileusz (1564-1642). Według jego teorii materia składa się z cząstek, które nie znajdują się w spoczynku, ale poruszają się we wszystkich kierunkach pod wpływem ciepła; ciepło to nic innego jak ruch cząstek. Struktura cząstek jest złożona i jeśli pozbawisz jakąkolwiek część jej materialnej powłoki, światło rozpryśnie się od wewnątrz. Galileusz jako pierwszy przedstawił, choć w fantastycznej formie, budowę atomu.

Podstawy naukowe

W XIX wieku John Dalton uzyskał dowody na istnienie atomów, ale założył, że są one niepodzielne. Ernest Rutherford wykazał eksperymentalnie, że atom składa się z jądra otoczonego ujemnie naładowanymi cząstkami - elektronami.