Справочная

" - 1 2 4 b N O S А Б В Г Д Е Ж З И К Л м Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э

АТОМ

АТОМ (от греч. atomos — неделимый), наименьшая частица хим. элемента,носитель его св-в. Каждому хим. элементу соответствует совокупность определенныхатомов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют болеесложные частицы, напр. молекулы. Все многообразие хим. в-в (твердых, жидкихи газообразных) обусловлено разл. сочетаниями атомов между собой. Атомы могутсуществовать и в своб. состоянии (в газе, плазме). Св-ва атома, в т. ч. важнейшаядля химии способность атома образовывать хим. соед., определяются особенностямиего строения.

Общая характеристика строения атома. Атом состоит из положительно заряженногоядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры атомав целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнениюс размерами _ядра атома (линейные размеры атома ~ 10~8см, его ядра~ 10" -10" 13 см). Электронное облако атома не имеет строго определенныхграниц, поэтому размеры атома в значит. степени условны и зависят от способових определения (см. Атомные радиусы). Ядро атома состоит из Z протонови N нейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное).Положит. заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абс.величине и равны е= 1,60*10-19 Кл; нейтрон не обладает элек-трич.зарядом. Заряд ядра +Ze — осн. характеристика атома, обусловливающая его принадлежностьк определенному хим. элементу. Порядковый номер элемента в периодич. системеМенделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.

В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числупротонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединятьэлектроны, превращаясь соотв. в положит. или отрицат. ион, напр. Li+,Li2+ или О-, О2-. Говоря об атомах определенногоэлемента, подразумевают как нейтральные атомы, так и ионы этого элемента.

Масса атома определяется массой его ядра; масса электрона (/images/enc2/001963.jpg9,109*10-28г) примерно в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона (/images/enc2/001964.jpg1,67*10-24 г), поэтому вклад электронов в массу атома незначителен.Общее число протонов и нейтронов А = Z + N наз. массовым числом.Массовое число и заряд ядра указываются соотв. верхним и нижним индексамислева от символа элемента, напр. 2311Na. Вид атомоводного элемента с определенным значением N наз. нуклидом. Атомы одногои того же элемента с одинаковыми Z и разными N наз. изотопами этогоэлемента. Различие масс изотопов мало сказывается на их хим. и физ. св-вах.Наиболее значит, отличия (изотопные эффекты)наблюдаются у изотоповводорода вследствие большой относит. разницы в массах обычного атома/images/enc2/001965.jpg(протия), дейтерия D/images/enc2/001966.jpgи трития Т/images/enc2/001967.jpg.Точные значения масс атомов определяют методами масс-спектрометрии.

Квантовые состояния атома. Благодаря малым размерам и большой массеядро атома можно приближенно считать точечным и покоящимся в центре масс атомаи рассматривать атом как систему электронов, движущихся вокруг неподвижногоцентра — ядра. Полная энергия такой системы Е равна сумме кинетич.энергий Т всех электронов и потенциальной энергии U, к-рая складываетсяиз энергии притяжения электронов ядром и энергии взаимного отталкиванияэлектронов друг от друга. Атом подчиняется законам квантовой механики; егоосн. характеристика как квантовой системы — полная энергия Е — можетпринимать лишь одно из значений дискретного ряда Е12 < Е3 < ...; промежут. значениями энергииатом обладать не может. Каждому из "разрешенных" значений Е соответствуетодно или неск. стационарных (с не изменяющейся во времени энергией) состоянийатома. Энергия Е может изменяться только скачкообразно — путем квантовогоперехода атома из одного стационарного состояния в другое. Методами квантовоймеханики можно точно рассчитать Е для одноэлектронных атомов — водородаи водородоподобных: Е= —hcRZ2/n2, где h- постоянная Планка, с-скорость света, целое число п =1, 2, 3, ... определяет дискретные значения энергии и наз. главным квантовымчислом; R-постоянная Ридберга (hcR = 13,6 эВ). При использованииСИ ф-ла для выражения дискретных уровней энергии одноэлектронных атомов записываетсяв виде:
/images/enc2/001968.jpg

где те- масса электрона,/images/enc2/001969.jpg-электрич.постоянная,/images/enc2/001970.jpgВозможные "разрешенные" значения энергии электронов в атоме изображают в видесхемы уровней энергии — горизонтальных прямых, расстояния между к-рымисоответствуют разностям этих значений энергий (рис. 1). наиб. низкий уровеньE1, отвечающий минимально возможной энергии, наз. основным,все остальные — возбужденными. Аналогично наз. состояния (основное и возбужденныеХк-рым соответствуют указанные уровни энергии. С ростом п уровнисближаются и при/images/enc2/001971.jpgэнергия электрона приближается к значению, отвечающему своб. (покоящемуся)электрону, удаленному из атома. Квантовое состояние атома с энергией Е полностьюописывается волновой ф-цией/images/enc2/001972.jpg,где r-радиус-вектор электрона относительно ядра. Произведение/images/enc2/001973.jpgравно вероятности нахождения электрона в объеме dV, то есть/images/enc2/001974.jpg-плотность вероятности (электронная плотность). Волновая ф-ция/images/enc2/001975.jpgопределяется уравнением Шрёдингера/images/enc2/001976.jpg=/images/enc2/001977.jpg,где R-оператор полной энергии (гамильтониан).

Наряду с энергией движение электрона вокруг ядра (орбитальное движение)характеризуется орбитальным моментом импульса (орбитальным мех. моментом)М1; квадрат его величины может принимать значения, определяемыеорбитальным квантовым числом l = 0, 1, 2, ...;/images/enc2/001978.jpg, где/images/enc2/001979.jpg . Призаданном и квантовое число l может принимать значения от 0 до (и — 1).Проекция орбитального момента на нек-рую ось z также принимает дискретныйряд значений Мlz =/images/enc2/001980.jpg,где ml-магнитное квантовое число, имеющее дискретные значенияот — l до +l(-l,... — 1, О, 1, ... + l), всего 2l + 1 значений.Ось z для атома в отсутствие внеш. сил выбирается произвольно, а в магн. полесовпадает с направлением вектора напряженности поля. Электрон обладаеттакже собственным моментом импульса -спином и связанным с ним спиновыммагн. моментом. Квадрат спинового мех. момента МS2=/images/enc2/001981.jpgS(S ++ 1) определяется спиновым квантовым числом S = 1/2, а проекцияэтого момента на ось z Msz = =/images/enc2/001982.jpg-квантовымчислом ms, принимающим полуцелые значения ms=1/2и ms = -1/2.
/images/enc2/001983.jpg

Рис. 1. Схема уровней энергии атома водорода (горизонтальные линии)и оптич. переходов (вертикальные линии). Внизу изображена часть атомногоспектра испускания водорода — две серии спектральных линий; пунктиром показаносоответствие линий и переходов электрона.

Стационарное состояние одноэлектронного атома однозначно характеризуетсячетырьмя квантовыми числами: п, l, ml и ms. Энергияатома водорода зависит только от п, и уровню с заданным п соответствуетряд состояний, отличающихся значениями l, ml, ms.Состояния с заданными п и l принято обозначать как 1s, 2s, 2p,3s и т.д., где цифры указывают значения л, а буквы s, p, d, f идальше по латинскому алфавиту соответствуют значениям д = 0, 1, 2,3, ... Число разл. состояний с заданными п и д равно 2(2l+ 1) числукомбинаций значений ml и ms. Общее число разл. состоянийс заданным п равно/images/enc2/001984.jpg, т. е. уровням со значениями п = 1, 2, 3, ... соответствуют 2,8, 18, ..., 2n2 разл. квантовых состояний. Уровень, к-рому соответствуетлишь одно квантовое состояние (одна волновая ф-ция), наз. невырожденным.Если уровню соответствует два или более квантовых состояний, он наз. вырожденным(см. Вырождение энергетических уровней). В атоме водорода уровни энергиивырождены по значениям l и ml; вырождение по ms имеетместо лишь приближенно, если не учитывать взаимод. спинового магн. моментаэлектрона с магн. полем, обусловленным орбитальным движением электронав электрич. поле ядра (см. Спин-орбитальное взаимодействие). Это- релятивистский эффект, малый в сравнении с кулоновским взаимод., однакоон принципиально существен, т.к. приводит к дополнит. расщеплению уровнейэнергии, что проявляется в атомных спектрах в виде т. наз. тонкой структуры.

При заданных n, l и ml квадрат модуля волновой ф-ции/images/enc2/001985.jpgопределяет для электронного облака в атоме среднее распределение электроннойплотности. Разл. квантовые состояния атома водорода существенно отличаютсядруг от друга распределением электронной плотности (рис. 2). Так, при l= 0 (s-состояния) электронная плотность отлична от нуля в центре атома и независит от направления (т.е. сферически симметрична), для остальных состоянийона равна нулю в центре атома и зависит от направления.
/images/enc2/001986.jpg

Рис. 2. Форма электронных облаков для различных состояний атома водорода.

В многоэлектронных атомах вследствие взаимного электростатич. отталкиванияэлектронов существенно уменьшается прочность их связи с ядром. Напр., энергияотрыва электрона от иона Не+ равна 54,4 эВ, в нейтральном атомеНе она значительно меньше — 24,6 эВ. Для более тяжелых атомов связь внеш. электроновс ядром еще слабее. Важную роль в многоэлектронных атомах играет специфич.обменное взаимодействие, связанное с неразличимостью электронов,и тот факт, что электроны подчиняются Паули принципу, согласно к-ромув каждом квантовом состоянии, характеризуемом четырьмя квантовыми числами,не может находиться более одного электрона. Для многоэлектронного атома имеетсмысл говорить только о квантовых состояниях всего атома в целом. Однако приближенно,в т. наз. одноэлектронном приближении, можно рассматривать квантовые состоянияотдельных электронов и характеризовать каждое одноэлектронное состояние(определенную орбиталъ, описываемую соответствующей ф-цией) совокупностьючетырех квантовых чисел n, l, ml и ms. Совокупность2(2l+ 1) электронов в состоянии с данными п и l образует электроннуюоболочку (наз. также подуровнем, подоболочкой); если все эти состояниязаняты электронами, оболочка наз. заполненной (замкнутой). Совокупность2п2 состояний с одним и тем же n, но разными l образуетэлектронный слой (наз. также уровнем, оболочкой). Для п= 1, 2, 3,4, ... слои обозначают символами К, L, M, N, ... Число электроновв оболочках и слоях при полном заполнении приведены в таблице:
/images/enc2/001987.jpg

Прочность связи электрона в атоме, т. е. энергия, к-рую необходимо сообщитьэлектрону, чтобы удалить его из атома, уменьшается с увеличением п, а приданном п — с увеличением l. Порядок заполнения электронами оболочеки слоев в сложном атоме определяет его электронную конфигурацию, т.е. распределениеэлектронов по оболочкам в основном (невозбужденном) состоянии этого атомаи его ионов. При таком заполнении последовательно связываются электроныс возрастающими значениями и и /. Напр., для атома азота (Z = 7) и его ионовN+, N2+, N3+, N4+, N5+и N6+ электронные конфигурации имеют вид соотв.: Is22s22p3;Is22s22p2; Is22s22p;Is22s2; Is22s; Is2; Is (числоэлектронов в каждой оболочке указывается индексом справа сверху). Такиеже электронные конфигурации, как и у ионов азота, имеют нейтральные атомыэлементов с тем же числом электронов: С, В, Be, Li, He, Н (Z = 6, 5, 4,3, 2, 1). Начиная с n = 4 порядок заполнения оболочек изменяется: электроныс большим п, но меньшим l оказываются связанными прочнее, чем электроныс меньшим п и большим l (правило Клечковского), напр. 4s-электронысвязаны прочнее 3d-электронов, и сперва заполняется оболочка 4s, а затем3d. При заполнении оболочек 3d, 4d, 5d получаются группысоответствующих переходных элементов; при заполнении 4f- и 5f-оболочек- соотв. лантаноиды и актиноиды. Порядок заполнения обычно соответствуетвозрастанию суммы квантовых чисел (п + l); при равенствеэтих сумм для двух или более оболочек сначала заполняются оболочки с меньшими. Имеет место след. последовательность заполнения электронных оболочек:
/images/enc2/001988.jpg

Для каждого периода указаны электронная конфигурация благородного газа,макс. число электронов, а в последней строке приведены значения п +l. Имеются, однако, отступления от этого порядка заполнения (подробнеео заполнении оболочек см. Периодическая система химических элементов).

Между стационарными состояниями в атоме возможны квантовые переходы.При переходе с более высокого уровня энергии Еi на болеенизкий Ek атом отдает энергию (Ei — Ek),при обратном переходе получает ее. При излучательных переходах атом испускаетили поглощает квант электромагн. излучения (фотон). Возможны и безызлучательныепереходы, когда атом отдает или получает энергию при взаимод. с др. частицами,с к-рыми он сталкивается (напр., в газах) или длительно связан (в молекулах,жидкостях и твердых телах). В атомарных газах в результате столкновениясвоб. атома с др. частицей он может перейти на др. уровень энергии — испытатьнеупругое столкновение; при упругом столкновении изменяется лишь кинетич.энергия постулат. движения атома, а его полная внутр. энергия Е остаетсянеизменной. Неупругое столкновение своб. атома с быстро движущимся электроном,отдающим этому атому свою кинетич. энергию, — возбуждение атома электронным ударом- один из методов определения уровней энергии атома.

Строение атома и свойства веществ. Хим. св-ва определяются строениемвнеш. электронных оболочек атомов, в к-рых электроны связаны сравнительно слабо(энергии связи от неск. эВ до неск. десятков эВ). Строение внеш. оболочекатомов хим. элементов одной группы (или подгруппы) периодич. системы аналогично,что и обусловливает сходство хим. св-в этих элементов. При увеличении числаэлектронов в заполняющейся оболочке их энергия связи, как правило, увеличивается;наиб. энергией связи обладают электроны в замкнутой оболочке. Поэтому атомыс одним или неск. электронами в частично заполненной внеш. оболочке отдаютих в хим. р-циях. Атомы, к-рым не хватает одного или неск. электронов дляобразования замкнутой внеш. оболочки, обычно принимают их. Атомы благородныхгазов, обладающие замкнутыми внеш. оболочками, при обычных условиях невступают в хим. р-ции.

Строение внутр. оболочек атомов, электроны к-рых связаны гораздо прочнее(энергия связи 102-104 эВ), проявляется лишь привзаимод. атомов с быстрыми частицами и фотонами высоких энергий. Такие взаимод.определяют характер рентгеновских спектров и рассеяние частиц (электронов,нейтронов) на атомах (см. Дифракционные методы). Масса атома определяеттакие его физ. св-ва, как импульс, кинетич. энергия. От механических исвязанных с ними магн. и электрич. моментов ядра атома зависят нек-рые тонкиефиз. эффекты (ЯМР, ЯКР, сверхтонкая структура спектральных линий, см Спектроскопия).

Более слабые по сравнению с хим. связью электростатич. взаимод. двухатомов проявляются в их взаимной поляризуемости — смещении электронов относительноядер и возникновении поляризац. сил притяжения между атомами (см. Межмолекулярныевзаимодействия). Атом поляризуется и во внеш. электрич. полях; в результатеуровни энергии смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни расщепляются(см. Штарка эффект). Атом может поляризоваться также под действиемэлектрич. поля волны электромагн. излучения; поляризация зависит от частотыизлучения, что обусловливает зависимость от нее показателя преломленияв-ва, связанного с поляризуемостью атома. Тесная связь оптич. св-в атома с егоэлектрич. св-вами особенно ярко проявляется в оптич. спектрах.

Внеш. электроны атома определяют и магн. св-ва в-ва. В атоме с заполненнымивнеш. оболочками его магн. момент, как и полный момент импульса (мех. момент),равен нулю. Атом с частично заполненными внеш. оболочками обладают, как правило,постоянными магн. моментами, отличными от нуля; такие в-ва парамагнитны(см. Парамагнетики). Во внеш. магн. поле все уровни энергии атомов,для к-рых магн. момент не равен нулю, расщепляются (см. Зеемана эффект).Все атомы обладают диамагнетизмом, к-рый обусловлен возникновением у нихиндуцированного магн. момента под действием внеш. магн. поля (см. Диэлектрики).

Св-ва атома, находящегося в связанном состоянии (напр., входящего в составмолекул), отличаются от св-в своб. атома. Наиб. изменения претерпевают св-ва,определяемые внеш. электронами, принимающими участие в хим. связи; св-ва,определяемые электронами внутр. оболочек, могут при этом практически неизменяться. Нек-рые св-ва атома могут испытывать изменения, зависящие от симметрииокружения данного атома. Примером может служить расщепление уровней энергииатомов в кристаллах и комплексных соед., к-рое происходит под действием электрич.полей, создаваемых окружающими ионами или лигандами.


===
Исп. литература для статьи «АТОМ»: Карапетьянц М. X., Дракин С.И., Строение вещества, 3 изд., М., 1978; Шло лье кий Э. В., Атомная физика, 7 изд., т. 1-2, М., 1984.М. А. Ельяшевич.

Страница «АТОМ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.