Слоисто-оболочечная структура атома : Пургаторий (Ф)
Предлагается гипотеза о слоисто-оболочечной структуре атома, состоящая из множества сферических оболочек, вложенных друг в друга и имеющих общий центр. Такая слоисто-оболочечная структура атома была представлена мной в сообщении на научно-техническом форуме SciTecLibrary 6 февраля 2015 г [1].Основные постулаты предлагаемой слоисто-оболочечной структуры атома:
1. Атомы и их составные части, нуклоны (протоны и нейтроны) и электроны, состоят из некоторых квантов энергии-массы и имеют слоисто-оболочечную структуру в виде сферических (концентрических) оболочек, вложенных друг в друга и имеющих общий центр. Такая слоисто-оболочечная структура простираются от центра атома на расстояние на много порядков больше, чем общепринятый «размер» атома 10 в степени (-8) см. Под атомом будем подразумевать тут атом водорода, состоящий из одного протона и одного электрона, как наиболее простой вариант атома, но все допущения принятые тут к атому, относятся ко всем известным типам атомов.
2. Электрон в атоме не вращается по орбите вокруг ядра атома, а находится на одном из слоев такой структуры атома, равномерно заполняя соответствующую оболочку.
3. Энергия-масса атома (нуклона и электрона) распределяется по слоям такой структуры аналогично спектру распределения энергии излучения абсолютно черного тела по закону Планка, т.е. есть слои с наибольшей плотностью энергии-массы, а по мере удаления от центра атома, плотность энергии-массы в слоях такой структуры снижается.
4. Все взаимодействия атомов, нуклонов и электронов происходят путем взаимодействия их слоисто-оболочечных структур. Внутренние слои такой структуры атома отвечают за сильное взаимодействие, следующие слои – за слабое, еще дальше – за гравитационное.
5. При сближении атомов, их слоисто-оболочечные структуры начинают «сливаться», при этом часть энергии слоев высвобождается и конвертируется в кинетическую энергию атомов или излучается.
Некоторые выводы из предложенной слоисто-оболочечной структуры атома:
– Все взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, ядерные, имеют одну природу и являются взаимодействием слоисто-оболочечных структур атомов (нуклонов, электронов), которые имеют одну природу, но разные свойства.
– Корпускулярно-волновые свойства «элементарных частиц», являются следствием их принципиальной не локальности и взаимодействия их слоисто-оболочечных структур с подобными структурами других «частиц».
– При сближении тел (атомов), сначала «сливаются» внешние слои, ответственные за гравитационное взаимодействие. При дальнейшем сближении, на расстоянии порядка 10 в степени (-8) см, начинают сливаться более близкие к центру атома слои, ответственные за слабое взаимодействие. На расстояниях порядка 10 в степени (-12) см начинают сливаться слои с наибольшей плотностью энергии-массы (происходит синтез нуклонов).
На рисунке представлены так называемые «кольца Ньютона», которые показывают, как примерно можно представить слоисто-оболочечную структуру атома, если ее как бы разрезать плоскостью, проходящей через центр такой структуры.
Предлагается посмотреть на все известные законы, явления и взаимодействия с такой точки зрения на строение атома. Возможно, это поможет и упростит понимание устройства и взаимодействия окружающего нас мира.
[1] – Н.Михайлов «Слоисто-оболочечная модель атома», сообщение на научно-техническом форуме SciTecLibrary от 6 февраля 2015 г.
[code][/code]
dxdy.ru
3.6 Атомная структура
Атом – представляет собой один из структурных уровней организации материи и наименьшую часть химических элементов, являющихся носителями его свойств. Атомы различного вида в различных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Строение атома раздел физики (атомная физика), изучающий структуру атома. Атомизм – общепринятая концепция микромира, которая возникла с открытием радиоактивности А.Беккерелем в 1896 году, которому предшествовало открытие в 1895 г В. Рентгеном катодных (электронных) лучей, впоследствии названных рентгеновскими. Эти работы стимулировали стремительное исследование этих явлений Дж. Томсоном, П. Кюри и М. Кюри. В 1905 г после работы А.Эйнштейна по анализу броуновского движения, наличие самих атомов по косвенному влиянию на частицы в жидкости, стало уже очевидностью их существования. Но затем ученым понадобилось 20 лет для развития теории атомного строения, что привело к созданию квантовой механики. И только еще после 30-летних усилий физики и технологий Э.Мюллеру удалось с помощью микроскопа создать первые изображения атомов. Но и с помощью современных приборов атомы не удается рассмотреть в деталях. В описании внутреннего строения атомного ядра до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые служат предметом интенсивных исследований.
Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. Первым атомы за всеобщие начала признал Левкипп (V в. д. э ). Его идеи развивал Демокрит. У них мы находим предположения о том, что окружающий нас мир состоит из корпускул, атомов, которые и определяют предельную делимость материи. Другими словами микромир как бы пронизывает все сущее макромира.
Левкипп рассуждал: я делю какую-то часть вещества пополам, каждую половинку еще пополам и так до тех пор, пока разделенные частицы уже не могут быть обнаружены, а, следовательно, разделены на более мелкие. Вот эти частицы, которые не могут быть разделены, поскольку невидимы, но они существуют, и были названы атомами (атом – неделимый).
Демокрит (V-IV в.д.н.э.) полагал, что эти крохотные частицы, которые уже разделить нельзя, носятся в пустом бесконечном пространстве.А свойства того или иного вещества определяются формой и массой. По его представлениям у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды – гладки, поэтому она способна течь. Даже душа согласно Демокриту, состоит из атомов.
В XVII и XVIII вв химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX. начале ХХ веков были открыты субатомные частицы и составная структура атома. Стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».
Атомизм или атомистика как учение о прерывном, дискретном существовании материи просуществовал до конца XIX века.
С открытием рентгеновского излучения (1895) немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845 – 1923) и радиоактивности (1896) Антуаном Анри Беккерелем (1852 – 1908) началась эра интенсивного познания микромира в живом и неживом веществе. Хотя к этому времени учёные уже знали многое, что определяло само понятие микромира.
Концепция атомистического (дискретного, квантового) строения материи на самом деле пронизывает все естествознание на протяжении всей его истории.
История исследования модели строения атома основана на следующих концепциях.
Модель атома Дж.Дж. Томсона представляется как модель «пудинга с изюмом». Он предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость и была им опровергнута после проведённого им же опыта по рассеиванию альфа-частиц.
В 1904 году японский физик Х. Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбиталям вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалось ошибочной, но некоторые важные её положения вошли в модель Резерфорда.
В 1911 году Э. Резерфорд на основе экспериментальных исследований пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системе, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой, согласно которой электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а следовательно, терять энергию. Стало быть, он просто должен упасть на ядро за очень малое время.
Для объяснения стабильности атомов Н. Бору пришлось ввести так называемые постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов в строении атома. Квантовая механика не допускает, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям. Неопределённость координаты электрона согласно принципу неопределённости Гейзенберга и дополнительности Бора в атоме может быть сравнима с размерами самого атома. В этой связи возникло представление о дуализме частиц, слагающих атом, обладающие одновременно свойствами частицы и волны.
Химический элемент представляет собой совокупность атомов определенного сорта. Это та грань, которая отделяет невидимый микромир от макромира, поскольку совокупность атомов дает возможность нам, например, наблюдать графит и алмаз, золото и серебро, платину и самородную медь, состоящие из совокупности атомов одного сорта.
Каковы же свойства атома?
Атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), которые удерживаются в ядре сильным ядерными взаимодействиями. Протон обладает положительным зарядом. Масса протона (1,6726×10−24 г) в 1836 раз тяжелее электрона. Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Его масса (1,6929×10−24 г) в 1839 раз тяжелее электрона. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, но размеры этих частиц определены недостаточно точно .
Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10
Вокруг ядра электрон формирует «облако вероятности». Это состояние описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми. Каждой орбитали соответствует свой уровень. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях.
«Облако вероятности» находится внутри потенциального барьера, окружающее ядро, а взаимодействие с ним определяется электромагнитным взаимодействием. Чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию извне. Следовательно, чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо затратить.
Статистическая физика – раздел физики, исследующий методами теории вероятностей поведение систем частиц в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии
Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона как и всех фермионов подчиняться правилу (запрет Паули), по которому два электрона не могут находится в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны формируют пару: один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой – состояние со спином вниз. В этом случае магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.
В ферромагнетиках нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле.Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.
Несмотря на то, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, его масса меньше суммы масс составляющих ядро частиц, что приводит к нарушению принципа суперпозиции. Разность между суммой масс частиц, находящихся вне ядра, и массой ядра называют дефектом масс, который характеризует энергию связи нуклонов в ядре. Наибольшей энергией связи обладают ядра атомов с магическими числами протонов и нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82.
Ядро атома характеризуется электрическим зарядом (Z- заряд протона), массой mp и массовым числом А, равным числу нуклонов в ядре. Z – измеряемый в единицах e, равен числу электронов в нейтральном атоме и определяет химические свойства элемента. К настоящему времени известны ядра с Z от 1 до 107 и с А от 1 до 260. Ядра с одинаковым Z, но разным числом нейтронов, называют изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z называются изобарами.
Радиус ядра для разных атомов лежит в пределах 2∙10-15– 10∙10-15 м и не имеет чёткой границы, которая определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Электронная оболочка также не имеет строго определенной границы и составляет около 10∙10-10м и представляет собой «электронную атмосферу» ядра атома, толщина которой на 5 порядков (в 100000 раз) больше диаметра ядра. Радиус атома зависит от его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства (спина), от положения в периодической системе.
Размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу периодической системы и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус , а самый большой — атом цезия. Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Ученые из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков ученые использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля. Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра
В ядре атома отчетливо различают внутреннюю область (керн) и поверхностный слой. Плотность числа нуклонов во внутренней области для ядер с А>10 примерно постоянна и равна 1,68∙1038 нуклонов/см3. Поверхностный слой имеет толщину 1,5∙10-15 м. Радиус ядра увеличивается с ростом числа нуклонов. Возбужденные уровни ядра атомов свидетельствуют о наличии в нем оболочек стационарных орбит нуклонов относительно ядра (керна). Нуклоны ядер сильно взаимодействуют с мезонами, поэтому процессы виртуального рождения и поглощения мезонов нуклонами происходит непрерывно. Таким образом, в результате сильных взаимодействий ядро все время окружено атмосферой, состоящей из мезонов (шубы). Наряду с облаком виртуальных мезонов ядра атома окружают электромагнитные и гравитационные поля и физический вакуум, образуя физическое поле ядра атома.
Пространство физического поля вокруг ядра атома формирует электронное облако, а между ним и ядром атома располагается тонкая структура, названная структурой альфа.
Именно с целью описания внутреннего строения атома А.Зоммерфельдом в 1916 г была введена постоянная тонкой структуры альфа. Значение постоянной структуры альфа состоит в описании электромагнитного взаимодействия. Оно характеризует силу, с которой атомное ядро притягивает окружающие электроны и вероятность, с которой происходит поглощение фотона атомом.
Спин ядра атома – внутренний (собственный) момент количества движения – складывается из спинов входящих в него нуклонов и из орбитальных моментов количества движения нуклонов и может принимать только целые числа от 1/2 до 9/2 значения постоянной Планка ћ. Все ядра с четным количеством нейтронов и протонов имеют спин J = 0.
Из известных около 2230 ядер атомов 250 из них представляют собой стабильные нуклиды и содержатся только до элементов с Z = 82. Остальные нуклиды нестабильны.
Физические и химические свойства атомов элементов и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра Z (атомных весов). Определяются фундаментальным периодическим законом Д.И.Менделеева.
Международная группа ученых из России, Швейцарии и Польши сумела химическим способом подтвердить образование 112-го элемента таблицы Менделеева. Первое сообщение о синтезе 112-го элемента с массой 283 в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) им. Г. Н. Флерова ОИЯИ группа авторов во главе с Юрием Оганесяном опубликовала еще в 1999 году. В 2000 и 2001 годах сообщили о синтезе 114-го и 116-го элементов.
Свои усилия объединили химики из ЛЯР ОИЯИ (Дубна, Россия) и их коллеги из П.Шеррер института и Бернского университета (Швейцария), а также Варшавского института электронных технологий (Польша). Заместитель директора ЛЯР по научной работе профессор Сергей Дмитриев сообщил, что 112-й элемент согласно периодическому закону Менделеева – гомолог ртути и должен быть таким же легколетучим и образовывать амальгамы с золотом. Также он мог оказаться сходен по химическим свойствам с благородным газом радоном. Поэтому ученые параллельно изучали и поведение этих элементов в условиях эксперимента. В ходе эксперимента в Дубнинском циклотроне У400 ученые бомбардировали мишень из плутония-242 ионами кальция-48. В итоге синтезировались ядра элемента 114. После альфа-распада они образовывали элемент 112 с атомной массой 283 и временем жизни около четырех секунд. В течение опыта детекторами зарегистрирован распад двух ядер, полностью соответствующий по своим свойствам распаду изотопа элемента 112 с массовым числом 283, синтезированного в физическом эксперименте. Распад наблюдался 11 мая 2006 года в 02.40.50 и 25 мая 2006 года в 08.37.11 (время московское). Ядра элемента 112 после испускания альфа-частицы с энергией 9,5 млн. электроновольт превращались в ядра изотопа элемента 110 с массовым числом 279, которые спустя примерно полсекунды спонтанно делились на два осколка. Зарегистрированные энергии осколков были существенно выше хорошо известных энергий осколков при делении урана с массой 235, которое происходит в ядерных реакторах.
Химические элементы могут иметь один или несколько изотопов со стабильными или нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду. В результате атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса влияния сильных взаимодействий. Выделяют три основные формы радиоактивного распада.
Альфа распад возникает в условиях, когда ядро испускает альфа-частицу (ядро атома гелия). В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий. В результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В случае распада нейтрона происходит испускание электрона и антинейтрино, а в случае протона – испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.
Гамма-излучение наблюдается из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа – или бета-частицы после радиоактивного распада.
Любой радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада (временем, за которое распадается половина его ядер). Это процесс экспоненциального порядка, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада.
Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре атома удерживаются вместе ядерными силами. По своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром. Природа изобрела потрясающий механизм устойчивости, в котором центр является «диктатором» устойчивости не только микромира, но и макромира (Солнечной системы, галактики). Какова структура устойчивости или неустойчивости мира вселенной (Метагалактики) и супермира – множества вселенных? Или всё это – выражение неустойчивости во времени, являющейся причиной развития и перманентно сменяющих друг друга простоты и сложности окружающего реального мира?…
Молекулярная физика
Соединение атомов химических элементов приводит к образованию молекул. Молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются как материальные точки и в которой атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов.
Особенность физики молекулярных соединений, что количество частиц, участвующих в образовании вещества слишком велико чтобы свести решение задач взаимодействия молекул к точечным телам. В то же время количество частиц не настолько велико, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики 4. В результате в молекулярной физике выделяются направления исследования вещества: физика атомных кластеров физика сложных молекул физика ридберговских атомов – высоковозбуждённых состояний атомов, физика атомов и молекул при сверхнизких температурах и бозе-эйнштейновская конденсация.
Таким образом, молекулы являются объектом изучения теории строения молекул квантовой химией. Развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает методами электронной спектроскопии, колебатьельной спектроскопии, ядерным магнитным резонансом и т.д. Единственными прямыми методами исследования молекул являются дифракционные методы рентгеноструктурного анализа и дифракции нейтронов.
Молекула конкретного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых главными взаимодействиями – химическими связями .Химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качестве критерия индивидуальности свойств молекулы не учитываются. Допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда – четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами. Природа химической связи в классической теории не рассматривается – учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии.
Атомы, составляющие молекулу, формируют структуру. Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров. Однако не все химические вещества построены из молекул, равно как отнюдь не все молекулы отвечают химическим веществам, которые могут быть выделены
Ссылки
www.avkokin.ru
Глава 2. Атомная Структура
Home / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 2. Атомная Структура
Строение атома
Известно, что все вещества вокруг нас (железо, камень, соль, хлеб, жидкости и т.д.) состоят из молекул – мельчайших частиц, которые в свою очередь состоят из атомов.
Существует хронологическая история научного процесса, с помощью которого ученые (в основном химики) пришли к выводу, что химические соединения состоят из определенного числа различных атомов. Такие факты описаны во многих учебниках, включая занимательную книгу «Основные законы химии» Ричарда Е. Дикерсона, Гарри Б. Грея и Гилберта П. Хейта, мл. В том, что касается данной книги, необходимо отметить, что именно химики, и в первую очередь Антуан Лавуазье, Джон Дальтон, и Станислао Каннизаро в своих работах впервые предложили концепцию, что вещества состоят из атомов. А. Лавуазье заложил фундамент новейшей химии доказав, что действительно масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся при химических реакциях. Дж. Дальтон превратил философское понятие относительно атомов в реальность. С. Каннизаро предложил метод определения атомной массы на основе гипотезы А. Авогадро. В 1912 году Э. Резерфорд обнаружил, что положительный заряд атома концентрируется в ядре.
Теперь давайте посмотрим, как Резерфорд смог исследовать размеры атома и ядра. Ассистенты Резерфорда (Гейгер и Марсден) пропустили α-частицы (ядра атома гелия) через тонкую металлическую фольгу. Более 99% этих частиц прошли через фольгу без изменения своей прямой траектории, а 1% ушел в сторону, и незначительная часть (менее 0,1%) отскочила назад. Это свидетельствовало о том, что альфа-частицы должны были удариться обо что-то массивное и заряженное положительно.
На основании опытов по прохождению α-частиц через фольгу, Резерфорд предложил планетарную модель атома, где атом был представлен как система, аналогичная нашей Солнечной системе: ядро в центре атома, вокруг которого вращаются электроны. Эти электроны были заряжены отрицательно, в то время как ядро заряжено положительно. Общий отрицательный заряд электронов был равен положительному заряду ядра, т. е., атом был электрически нейтральным.
Дальнейшие исследования показали, что ядро состоит из протонов. Заряд ядра атома равен сумме зарядов протонов ядра. Положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона (в абсолютном значении). Количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов. В ядре могут быть еще и нейтроны – электрически нейтральные частицы.
Атомная структура
Химические элементы >>
Структура атома водорода >>
Гелий-подобные атомы >>
Энергия ионизации атома >>
Первая энергия ионизации атомов >>
Экспериментальные данные по энергии ионизации >>
itchem.ru
Структура атома. Энергетические уровни атома. Протоны, нейтроны, электроны
Название «атом» с греческого переводится как «неделимый». Все вокруг нас – твердые вещества, жидкости и воздух – построено из миллиардов этих частиц.
Появление версии об атоме
Впервые об атомах стало известно в V столетии до нашей эры, когда греческий философ Демокрит предположил, что материя состоит из движущихся крошечных частичек. Но тогда не было возможности проверить версию их существования. И хотя никто не мог увидеть эти частицы, идея обсуждалась, ведь только так ученые могли объяснить процессы, происходящие в реальном мире. Поэтому они верили в существование микрочастиц задолго до того времени, когда смогли доказать этот факт.
Только в XIX в. они стали анализироваться как мельчайшие составляющие химических элементов, имеющие конкретные свойства атомов — способность вступать в соединения с другими в строго назначенном количестве. Вначале XX века считалось, что атомы – минимальные частички материи, пока не было доказано, что они состоят из еще меньших единиц.
Из чего состоит химический элемент?
Атом химического элемента – микроскопический строительный кирпичик материи. Определяющим признаком этой микрочастицы стала молекулярная масса атома. Только открытие периодического закона Менделеева обосновало, что их виды представляют собой разнообразные формы единой материи. Они настолько малы, что их невозможно увидеть, применяя обычные микроскопы, только самые мощные электронные приборы. Для сравнения, волосок на руке человека в миллион раз шире.
Электронная структура атома имеет ядро, состоящее из нейтронов и протонов, а также электронов, которые совершают обороты вокруг центра на постоянных орбитах, как планеты вокруг своих звезд. Все они скреплены электромагнитной силой, одной из четырех главных во вселенной. Нейтроны – это частички с нейтральным зарядом, протоны наделены положительным, а электроны – отрицательным. Последние притягиваются к положительно заряженным протонам, поэтому им свойственно оставаться на орбите.
Структура атома
В центральной части имеется ядро, заполняющее минимальную часть всего атома. Но исследования показывают, что почти вся масса (99.9%) расположена именно в нем. Каждый атом содержит протоны, нейтроны, электроны. Число вращающихся электронов в нем равняется положительному центральному заряду. Частицы с одинаковым зарядом ядра Z, но различными атомной массой А и числом нейтронов в ядре N именуются изотопами, а с одинаковой А и разными Z и N – изобарами. Электрон — минимальная частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10-19 кулона. Заряд иона определяет количество утраченных или прибавленных электронов. Процесс метаморфозы нейтрального атома в заряженный ион именуется ионизацией.
Новая версия модели атома
Физики открыли на сегодняшний день множество других элементарных частичек. Электронная структура атома имеет новую версию.
Считается, что протоны и нейтроны, какими бы маленькими они не были, состоят из наименьших частичек, которые называются – кварки. Они составляют новую модель построения атома. Как раньше ученые собирали доказательства для существования предыдущей модели, так и сегодня пытаются доказать существование кварков.
РТМ – прибор будущего
Современные ученые могут увидеть на мониторе компьютера атомные частички вещества, а также двигать их по поверхности, используя специальный инструмент, который носит название растровый туннельный микроскоп (РТМ).
Это компьютеризированный инструмент с наконечником, который очень осторожно движется возле поверхности материала. Когда наконечник движется, электроны перемещаются сквозь зазор между наконечником и поверхностью. Хотя материал выглядит совершенно гладким, на самом деле он неровный на атомном уровне. Компьютер делает карту поверхности вещества, создавая образ его частичек, и ученые, таким образом, могут увидеть свойства атома.
Радиоактивные частицы
Отрицательно заряженные ионы кружатся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Структура атома такая, что целый он действительно нейтральный и не имеет электрического заряда, потому что все его частицы (протоны, нейтроны, электроны) находятся в балансе.
Радиоактивный атом – это элемент, который можно легко расщепить. Центр его состоит из множества протонов и нейтронов. Исключение являет собой только схема атома водорода, который имеет один единственный протон. Ядро окружает облако электронов, именно их притяжение заставляет вращаться вокруг центра. Протоны одинаковым зарядом отталкивают друг друга.
Это не проблема для большинства небольших частиц, у которых их несколько. Но некоторые из них нестабильны, особенно это касается крупных по размеру, таких как уран, который имеет 92 протона. Иногда его центр не выдерживает такой нагрузки. Радиоактивным они называются из-за того, что выбрасывают несколько частиц из своего ядра. После того, как нестабильное ядро избавилось от протонов, оставшиеся образовывают новое дочернее. Оно может быть стабильным в зависимости от количества протонов в новом ядре, а может делиться дальше. Этот процесс длится до тех пор, пока не останется стабильное дочернее ядро.
Свойства атомов
Физико-химические свойства атома закономерно изменяются от одного элемента к другому. Они определяются следующими основными параметрами.
Атомная масса. Так как основное место микрочастицы занимают протоны и нейтроны, то сумма их обусловливает число, которую выражают в атомных единицах массы (а.е.м.) Формула: A = Z + N.
Атомный радиус. Радиус находится в зависимости от расположения элемента в системе Менделеева, химической связи, количества атомов-соседей и квантовомеханического действия. Радиус ядра в сто тысяч раз меньше радиуса самого элемента. Структура атома может лишаться электронов и превращаться в положительный ион или добавлять электроны, и становиться отрицательным ионом.
В периодической системе Менделеева любой химический элемент занимает свое установленное место. В таблице размер атома возрастает при перемещении сверху вниз и убавляется при перемещении слева направо. Следуя из этого, наименьший элемент — это гелий, а наибольший — цезий.
Валентность. Наружная электронная оболочка атома именуется валентной, а электроны в ней получили соответственное название – валентные электроны. Их количество устанавливает то, как атом соединяется с остальными с помощью химической связи. Способом создания последней микрочастицы пытаются наполнить свои наружные валентные оболочки.
Гравитация, притяжение – это сила, которая держит планеты на орбите, из-за нее выпущенные из рук предметы падают на пол. Человек больше замечает гравитацию, но электромагнитное действие во много раз мощнее. Сила, которая притягивает (или отталкивает) заряженные частицы в атоме, в 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз мощнее, чем гравитация в нем. Но в центре ядра существует еще более могучая сила, способная удерживать протоны и нейтроны вместе.
Реакции в ядрах создают энергию как в ядерных реакторах, где атомы расщепляются. Чем тяжелее элемент, тем из большего количеств частиц построены его атомы. Если сложить общее количество протонов и нейтронов в элементе, узнаем его массу. Например, Уран, самый тяжелый элемент, имеющийся в природе, имеет атомную массу 235 или 238.
Деления атома на уровни
Энергетические уровни атома – это величина пространства вокруг ядра, где в движении находится электрон. Всего существует 7 орбиталей, соответствующих числу периодов в таблице Менделеева. Чем более отдаленное расположение электрона от ядра, тем более значительным резервом энергии он владеет. Номер периода указывает на число атомных орбиталей вокруг его ядра. Например, Калий — элемент 4 периода, значит, он имеет 4 энергетические уровни атома. Номер химического элемента отвечает его заряду и числу электронов вокруг ядра.
Атом – источник энергии
Наверное, самая знаменитая научная формула открыта немецким физиком Эйнштейном. Она утверждает, что масса есть не что иное, как форма энергии. Исходя из этой теории, можно превратить материю в энергию и рассчитать по формуле, сколько ее можно получить. Первым практическим результатом такого превращения стали атомные бомбы, которые сначала были испытаны в пустыне Лос-Аламос (США), а затем взорвались над японскими городами. И хотя только седьмая часть взрывчатого вещества превратилась в энергию, разрушающая сила атомной бомбы была ужасной.
Для того чтобы ядро освободило свою энергию, оно должно разрушится. Чтобы расщепить его, необходимо подействовать нейтроном снаружи. Тогда ядро распадается на два других, более легких, обеспечивая при этом огромный выброс энергии. Распад приводит к освобождению других нейтронов, а они продолжают расщеплять другие ядра. Процесс превращается в цепную реакцию, в результате создавая огромное количество энергии.
Плюсы и минусы использования ядерной реакции в наше время
Разрушающую силу, которая освобождается при превращении материи, человечество пытается приручить на атомных станциях. Здесь ядерная реакция происходит не в виде взрыва, а как постепенная отдача тепла.
Производство атомной энергии имеет свои плюсы и минусы. По мнению ученых, чтобы поддерживать нашу цивилизацию на высоком уровне, необходимо использовать этот огромный источник энергии. Но следует учитывать и то, что даже самые современные разработки не могут гарантировать полной безопасности атомных электростанций. Кроме того, полученные в процессе производства энергии радиоактивные отходы при ненадлежащем хранении могут сказываться на наших потомках на протяжении десятков тысяч лет.
После аварии на Чернобыльской АЭС все больше людей считает производство атомной энергии очень опасным для человечества. Единственной безопасной электростанцией такого рода является Солнце со своей ядерной энергией огромной мощности. Ученые разрабатывают всевозможные модели солнечных батарей, и, возможно, в недалеком будущем человечество сможет обеспечить себя безопасной атомной энергией.
fb.ru