Характеристика атома¶
Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства; фундаментальная структурная единица вещества. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его электронного облака. Масса атома сосредоточена в ядре (более 99,9 %), при этом объём ядра составляет лишь около 10⁻¹⁵ от объёма всего атома. Характеристика атома включает массу, заряд, размеры, энергию связей и квантовые числа электронов.
¶Состав атома
Атом состоит из трёх типов элементарных частиц:
| Частица | Масса | Заряд | Расположение |
|---|---|---|---|
| Протон | 1,6726×10⁻²⁷ кг | +1,602×10⁻¹⁹ Кл | Ядро |
| Нейтрон | 1,6749×10⁻²⁷ кг | 0 | Ядро |
| Электрон | 9,109×10⁻³¹ кг | −1,602×10⁻¹⁹ Кл | Электронная оболочка |
Число протонов в ядре (атомный номер Z) определяет принадлежность атома к химическому элементу. Число нейтронов N определяет изотоп. Сумма Z + N называется массовым числом A. Электронов в нейтральном атоме столько же, сколько протонов.
¶Размеры и масса
Радиус атома большинства элементов лежит в пределах 0,1–0,5 нм (1–5 Å). Радиус ядра оценивается по формуле R ≈ 1,2×A^(1/3) фм. Отношение объёма ядра к объёму атома составляет порядка 10⁻¹⁵ — атом в основном состоит из «пустоты», но именно это определяет его химическую активность через поведение электронов.
Атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа ¹²C ≈ 1,6605×10⁻²⁷ кг. Химическая атомная масса элемента — средняя масса атомов природной смеси изотопов, отнесённая к 1/12 массы атома углерода-12.
¶Электронное строение
Электроны в атоме распределены по энергетическим уровням (оболочкам), подуровням и орбиталям. Заполнение орбиталей подчиняется принципам:
- принцип Паули — не более двух электронов с противоположными спинами на одной орбитали;
- принцип минимальной энергии (правило Клечковского) — электроны занимают орбитали с наименьшей энергией;
- правило Хунда — на вырожденных орбиталях электроны сначала занимают разные орбитали с параллельными спинами.
Электронные конфигурации записываются в виде 1s² 2s² 2p⁶ и т. д. Химические свойства атома определяются прежде всего валентными электронами — электронами внешнего уровня.
¶Квантовые числа
Состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами:
- Главное квантовое число n — номер энергетического уровня (n = 1, 2, 3 …).
- Орбитальное квантовое число l — форма орбитали (s, p, d, f); принимает значения от 0 до n−1.
- Магнитное квантовое число m — ориентация орбитали в пространстве; значения от −l до +l.
- Спиновое квантовое число ms — внутренний момент импульса электрона; значения +½ или −½.
¶Модели атома
Развитие представлений об атоме прошло несколько этапов:
- Демокрит (V в. до н. э.) — атом как неделимая частица.
- Дальтон (1803) — атом как неделимая шаровидная частица, различающаяся массой.
- Томсон (1904) — «пудинг с изюмом»: положительно заряженная сфера с встроенными электронами.
- Резерфорд (1911) — планетарная модель: маленькое положительно заряженное ядро и электроны на значительном расстоянии.
- Бор (1913) — квантовая модель с дискретными орбитами и стационарными состояниями.
- Квантово-механическая модель (1920-е) — вероятностное распределение электронов в виде облака (орбитали), описываемое уравнением Шрёдингера.
¶Изотопы и изобары
Атомы одного элемента с разным числом нейтронов называются изотопами (например, ¹²C, ¹³C, ¹⁴C). Изотопы имеют одинаковые химические свойства, но различаются массой и ядерными свойствами. Изобары — атомы разных элементов с одинаковым массовым числом (например, ⁴⁰Ar и ⁴⁰Ca).
¶Основные характеристики атома (сводка)
- Атомный номер Z — число протонов.
- Массовое число A — сумма протонов и нейтронов.
- Атомный радиус — характерный размер электронного облака.
- Ионизационная энергия — энергия, необходимая для удаления электрона.
- Электроотрицательность — способность атома притягивать электроны в химической связи.
- Радиус ионизации — размер иона.
Эти величины периодически изменяются в зависимости от положения элемента в периодической таблице, что отражает закономерности строения атома, сформулированные Д. И. Менделеевым в 1869 году.
Источники:
- Ландсберг Г. С. Общая физика. Том 3. Атомная физика.
- Смит Ф. Химия: молекулярные основы строения вещества.
- Менделеев Д. И. Опыт системы элементов (1869).
- Энциклопедический словарь физики / под ред. Б. А. Введенского.
- Гуревич А. Г., Осокина Е. В. Физика атома и атомных ядер.