Содержание

1. История атома

- Научные основы

- Проблемы интерпретации

 - Современная точка зрения

2. Модели атомов

- Кусочки материи

- Корпускулярно-кинетическая теория тепла

- Модель атома Томсона

- Ранняя планетарная модель атома Нагаоки

- Планетарная модель атома бура-Резерфорда

3. Строение атома

- Субатомные частицы

- Электронное облако

4. Свойства атомов

- Масса

- Размер

- Радиоактивный распад

- Магнитный момент

- Энергетические уровни

- Пример линейного спектра поглощения

5. Валентность

Атом — это микроскопическая электронейтральная частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Атом (от греч. atomos – неделимый) - это наименьшая возможная частица любого из простейших химических веществ, называемых элементами.

Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

 История атома

Понятие атома, как и само слово, – древнегреческого происхождения, но только в 20 в. истинность атомной гипотезы была твердо установлена. Основная идея, остававшаяся привлекательной для научного и поэтического воображения во все века, состоит в том, что за непрерывными изменениями наблюдаемого мира кроется некий неизменный мир. Этот мир прост, ибо каждый из атомов в точности тождествен всем остальным атомам того же рода, обладает сравнительно простой структурой и существовал от начала времен. Эти идеи с некоторыми оговорками можно рассматривать как концентрированное выражение самой сути даже абстрактной и изощренной современной теории. Подобно самим атомам, они являются наиболее стойкими из всех идей античной науки.

По-видимому, первыми начали проповедовать атомистическое учение философ Левкипп с острова Милет в 5 в. до н.э. и его более известный ученик Демокрит из Абдеры. И хотя их работы не сохранились, за исключением отдельных фрагментов, все же ясно, что они исходили из небольшого числа простых физических гипотез, а соображения, которые их привели к этим гипотезам, были достаточно абстрактными. По Демокриту, вся природа состоит из атомов, мельчайших частиц вещества, покоящихся или движущихся в абсолютно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы одного сорта тождественны; разнообразие природы отражает разнообразие форм атомов и разнообразие способов, которыми атомы могут сцепляться между собой. И Демокрит, и Левкипп учили, что, начав двигаться, атомы затем движутся по законам природы. Эта мысль, если ее последовательно придерживаться, приводит к строго детерминистскому взгляду на природу, в которой случай и свобода воли не играют никакой роли, хотя нет никаких документальных подтверждений того, что учредители атомистической теории доходили до такого вывода.

Наиболее трудным для древних греков был вопрос о физической реальности основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности пустоты, если она, лишенная вещества, не может обладать никакими физическими свойствами? Ответ Левкиппа был безоговорочен: «то, что есть, не более реально, чем то, чего нет». Аристотель и многие другие находили это утверждение логически неприемлемым. Идеи Левкиппа и Демокрита не могли служить удовлетворительной основой теории вещества и в принципиальном физическом плане, поскольку не объясняли, ни из чего сделаны атомы, ни почему атомы неделимы. В «Тимее», написанном через поколение после Демокрита, Платон предложил чисто платоново решение этих проблем: «мельчайшие частицы» (из осторожности он не называл их атомами) принадлежат не царству материи, а царству геометрии; они представляют собой различные телесные геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками. Хотя платоново решение может показаться метафизической уверткой, попыткой избежать ответа на физический вопрос, Платон, как увидим, с его поразительным чутьем на научный факт подошел к современным идеям гораздо ближе, чем Демокрит.

Через тысячу лет умозрительные построения древних греков проникли в Индию и были восприняты некоторыми школами индийской философии, правда, с одной характерной и важной поправкой. В западной философии вплоть до конца 1920-х годов считалось, что атомистическая теория должна стать конкретной, объективной основой теории материального мира. Индийская же философия всегда воспринимала объективный материальный мир как иллюзию, и когда атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой реальностью в мире обладает процесс, а не субстанция, что мы присутствуем в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества, и что атомистическими являются именно процессы, особенно порождающие наши ощущения. Хотя для западного ума воспринимать индийские тексты, понимать их и тем более соглашаться с тем, что в них написано, – занятие трудное, все же, как мы увидим, восточные идеи содержат в себе зародыши современного научного образа мыслей. Как бы то ни было, и Платон, и индийские философы имели ответы на центральный вопрос атомистического учения Демокрита: если природа в конечном счете состоит из мельчайших, но имеющих конечные размеры частиц, то почему их нельзя разделить, по крайней мере мысленно, на еще более мелкие части, которые стали бы предметами дальнейшего рассмотрения? Ответ в обоих случаях гласил, что атомистическая реальность не лежит в царстве обычной субстанции. Минули многие века, прежде чем эти альтернативы стало возможно исследовать научными средствами. Но и сегодня мы имеем довольно туманные представления о том, каковы должны быть характер и содержание удовлетворительной теории материи.

Идеи Демокрита дошли до нас главным образом через сочинение римского поэта Тита Лукреция Кара (ок. 96 – 55 до н.э.) – обширную поэму О природе вещей (De rerum natura), содержательно и красочно повествующую о происхождении и природе земных вещей. Лукреций подробно излагает атомистическую теорию, дошедшую до него от Левкиппа и Демокрита через учение Эпикура Самосского (ок. 341–270 до н.э.). Он выстраивает факты, свидетельствующие в пользу атомистической теории; смерч, дующий с огромной силой, хотя никто не может видеть его, должно быть, состоит из частиц, слишком малых для того, чтобы их можно было видеть. Мы можем ощущать вещи на расстоянии по запахам, звукам и теплу, хотя все это распространяется, оставаясь невидимым.

И хотя сегодня обычно никто не мыслит звук и тепло как состоящие из атомов, другие примеры, приводимые Лукрецием, и с современной точки зрения служат вполне приемлемым подтверждением гипотезы существования атомов.

Лукреций связывает свойства вещей со свойствами составляющих их атомов: атомы жидкости малы и округлы, поэтому жидкость течет так легко и проникает сквозь пористое вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют крючки, которыми они сцеплены между собой. Совершенно точно так же различные вкусовые ощущения и звуки различной громкости и тембра состоят из атомов соответствующих форм – от простых и гармоничных до извилистых и нерегулярных.

Лукреций, один из немногих римлян, питавших интерес к чистой науке, был к тому же первым из великих римских поэтов. Но его идеи, как и идеи его учителя Эпикура, допускают интерпретацию, которую можно было бы назвать материалистической: например, представление о том, что Бог, запустив единожды атомный механизм, более не вмешивается в его работу или что душа умирает вместе с телом. Поэтому учения Лукреция и Эпикура были осуждены церковью и оставались почти неизвестными в средние века. Никаких известных рукописей Лукреция, датированных 9–15 вв., не сохранилось, а те немногие фрагменты атомистической философии, которые дошли до нас с того времени, скорее всего представляют плод собственных умозаключений средневековых мыслителей, опирающихся на туманную традицию.

В конце 16 в. итальянский философ Дж.Бруно (ок. 1548–1600) странствовал по Европе, проповедуя картину мироздания, в основе которой лежали взгляды Коперника и Лукреция. В союзе, все еще находившемся под сильным влиянием церкви, проповеди Бруно звучали необычайно новаторски и дерзко, и Бруно был приговорен к сожжению на костре. Однако его взгляды не оказали большого влияния на современную науку. Что же касается атомов Бруно, то они имели мало общего с атомами Лукреция, представляя собой философские абстракции, более напоминающие монады Лейбница.

Некоторые из первых атомистических представлений, носящих уже современную окраску, появились в сочинении Галилея (1564–1642) Пробирных дел мастер (Il Saggiatore, 1623). Переход был кратким, но явственно ощутимым: вещество состоит из частиц, которые не пребывают в состоянии покоя, а под воздействием тепла движутся во все стороны; тепло – не что иное, как движение частиц. Структура частиц сложна, и если лишить любую частицу ее материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто, хотя и в фантастической форме, представил строение атома, и первым, кто интуитивно угадал важную связь между теориями света и атома, – связь, давшую много открытий в 20 в.

Относительным забвением сочинений Лукреция, возможно, объясняется, почему Лукрецию уделялось мало внимания как в эпоху Возрождения. Но есть еще одна причина, связанная с утверждением более высокого стандарта знания. Древние не оставили нам в наследство никакого учения о том, что представляют собой атомы, а с пробуждением интереса к этому предмету данный вопрос приобрел первостепенное значение. Первые сведения о свойствах отдельных атомов были почерпнуты из химических опытов в начале 18 в.

В античности широкое хождение имела теория, традиционно приписываемая Эмпедоклу (492–432 до н.э.), согласно которой вся материя в конечном счете сводится к четырем элементам (земле, воздуху, огню и воде), смешанным в разных пропорциях. Но такая теория отнюдь не была химической; элементы в античности были придуманы для объяснения таких физических свойств, как влажность и сухость, тепло и холод, стремление к подъему и падению. Никто никогда не рассматривал всерьез возможность того, что существуют только четыре разновидности атомов. Античное представление об атоме, когда его удалось сформулировать явно со всеми подробностями, оказалось более близким нашему представлению о молекуле, ибо в древности предполагалось, что каждое вещество с его особыми свойствами состоит из атомов своего вида.

В средние века алхимики (бывшие почти единственными представителями той категории людей, которых ныне называли бы чистыми учеными) правильно идентифицировали такие химические элементы, как сера и ртуть, и ошибочно некоторые другие. Но атомистическая теория в мышлении алхимиков занимала весьма незначительное место, оставаясь в основном достоянием философов.

 Научные основы 

Научные основы современной атомистической теории были заложены к середине 17 в.; возрождением и распространением эпикурейской философии активно занимался П.Гассенди (1592–1655) в институте Коллеж-де-Франс. В 1758 итальянский иезуит Р.Боскович (1711–1787) высказал плодотворную идею, согласно которой каждый из атомов испытывает со стороны других атомов силы двух типов: короткодействующую гравитационную силу (половинки сломанной палки уже не притягивают друг друга) и еще более короткодействующую и более интенсивную силу отталкивания (большинство твердых тел сопротивляется сжатию сильнее, чем растяжению). Между тем в 1738 швейцарский математик и физик Д.Бернулли (1700–1782) использовал атомистическую теорию для объяснения одного из известных свойств газов: если газ сжимать при постоянной температуре, то его давление Р повышается, а объем V уменьшается, причем так, что произведение PV остается постоянным. В своих рассуждениях Бернулли исходил из того, что атомы газа очень малы, что они очень быстро и хаотически движутся и что давление газа есть следствие многочисленных очень слабых ударов атомов о стенки сосуда. Доказательство Бернулли сегодня можно было бы усовершенствовать, но его основные идеи остались бы неизменными.

Величайший ученый той эпохи И.Ньютон (1643–1727) проявлял живой интерес к атомной гипотезе, хотя разработкой детальной атомистической теории не занимался. На первый взгляд это кажется удивительным, но не следует забывать, что Ньютон обладал необычайно развитой интуицией, позволявшей ему безошибочно выбирать то, что наиболее существенно и чем в науке надлежит в первую очередь заниматься. Ньютон несомненно сознавал, что без качественного улучшения экспериментальной техники физический подход в атомистике (в отличие от химического) позволит получить лишь скудные и разрозненные обрывки знаний. К концу жизни он резюмировал свои взгляды в следующем отрывке из четвертого издания Оптики (Optics, 1730):

«При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении. Так как частицы продолжают оставаться целыми, они могут составлять тела той же природы и сложения на века. Если бы они изнашивались или разбивались на куски, то природа вещей, зависящая от них, изменялась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и их обломков, не имели бы той же природы и строения теперь, как вода и земля, составленные из целых частиц вначале. Поэтому природа их должна быть постоянной, изменения телесных вещей должны проявляться только в различных разделениях и новых сочетаниях частиц; сложные тела могут разбиваться не в середине твердых частиц, но там, где эти частицы расположены рядом и только касаются в немногих точках».

Многое здесь заимствовано из учения Лукреция, но есть одно важное отличие: если Лукреций и его предшественники объясняли сцепление между атомами крючками и другими особенностями внешней формы атомов, то Ньютон, следуя Гассенди, объясняет сцепление силами взаимного притяжения, аналогичными в общих чертах гравитационной силы, но гораздо более интенсивными. Ньютон высказал также гипотезу о корпускулярной природе света. И хотя эти взгляды Ньютона полностью согласуются с современными представлениями, его аргументы по существу были ложными. Тем не менее интуиция, которая привела Ньютона к размышлениям о материи и свете как о взаимосвязанных сущностях и к осознанию того, что если одна из этих сущностей имеет корпускулярную природу, то и другая тоже должна состоять из корпускул, по праву может считаться примером высочайшего взлета научной интуиции. Связав воедино «атомы Демокрита и корпускулы света Ньютона», У.Блейк, отнюдь не бывший поклонником ньютоновской науки, проник в ее логику глубже, чем многие дружественно настроенные оппоненты.

Систематическое развитие точных знаний об атомах началось в химии и, можно сказать, с работы Р.Бойля (1627–1691) Скептический химик (Sceptical Chymist, 1661). Бойлю мы обязаны осознанием важной роли химических элементов, «некоторых первообразных и простых, или совершенно не смешанных, тел, которые не состоят ни из каких других тел или друг из друга, но служат ингредиентами, из которых состоит все, что принято называть идеально смешанными телами, и на которые эти тела могут быть разложены в конечном счете».

В работе Бойля впервые в истории химии была сформулирована программа – систематическая идентификация элементов и анализ соединений, и через полстолетия Дж.Дальтон (1766–1844) в Новой системе химической философии (A New System of Chemical Philosophy, 1808–1827) изложил общую атомистическую теорию химии, во многом соответствующую современным представлениям. В теории Дальтона считалось, что всякое чистое химическое соединение состоит из одинаковых молекул. (Как мы уже отмечали, эти молекулы до некоторой степени соответствуют атомам древнегреческих философов.) Каждая молекула состоит из атомов определенных химических элементов, но физические свойства соединений, как правило, имеют мало общего со свойствами составляющих их элементов. В работе Дальтона связь между традиционными представлениями об атоме и элементе была сформулирована явно.

Постепенное накопление химических знаний и усовершенствование техники эксперимента в 18 и 19 вв. привели к получению и исследованию многочисленных образцов, состоящих из самых различных атомов, известных ныне; но свойства атомов как индивидуальных объектов практически не были известны. Все, что можно было получить, сводилось к грубым оценкам масс и размеров атомов (первые – в интервале 10–24–10–22 г, вторые – порядка 10–8 см; первая хорошая оценка размеров молекул была получена в 1805 Т.Юнгом (1773–1829) на основе молекулярной теории капиллярного притяжения). Почти невообразимую малость этих размеров можно проиллюстрировать следующим примером. Если бы молекулы одного грамма воды можно было каким-нибудь способом пометить, а затем размешать во всей воде, имеющейся на земном шаре, то каждый грамм воды содержал бы несколько десятков меченых молекул.

Непостижимо малые величины и сугубо косвенные аргументы были способны убедить лишь тех, кто и без того был убежден в правильности атомно-молекулярной теории, и еще в 1900 такие выдающиеся консерваторы, как физик Э.Мах (1838–1916) и химик В.Оствальд (1853–1932), могли отрицать, что атомистическая гипотеза отвечает некоей реальной истине. Решающий аргумент пришел с совершенно неожиданной стороны, когда в 1905 молодой немецкий физик А.Эйнштейн (1879–1955) показал, что наблюдаемые количественные особенности лабораторного курьеза, известного под названием броуновского движения, могут быть полностью объяснены атомной теорией.

Броуновское движение наблюдается, когда взвешенный в воде или воздухе очень тонкий (мелкодисперсный) порошок (например, цветочная пыльца) рассматривается в микроскоп. Частицы порошка «пляшут», совершая хаотические движения, что объясняется столкновениями частиц с молекулами среды. Как показал Эйнштейн, в действительности картина не столь проста; даже микроскопическая частица порошка столь велика, что за секунду успевает претерпеть миллионы столкновений с молекулами среды, и наблюдаемая картина в действительности представляет собой статистические флуктуации усредненной силы, действующей на частицы при столкновениях с молекулами. Тем не менее явление в целом поддается теоретическому анализу. Было показано, что формулы Эйнштейна, выведенные на основе атомистической теории, полностью соответствуют действительности. Особая важность броуновского движения заключается в том, что оно представляет собой один из редких случаев, когда наблюдаемый мир пересекается с атомным миром и характерный атомный процесс становится непосредственно или почти непосредственно доступным органам чувств. Понадобилось много лет, чтобы открыть такое явление, но вскоре после того, как его возможность была осознана, были открыты другие сходные явления и сторонники атомистической теории получили целый ряд убедительных, прямых и согласующихся между собой доказательств правильности атомистической теории. Такие приборы, как сцинтилляционный детектор, счетчик Гейгера – Мюллера, камера Вильсона, разными способами решают проблему наблюдаемости явлений на уровне атомных масштабов.

Следует также упомянуть об экспериментальных результатах спектрального анализа света. Было установлено, что если атомы газа бомбардировать быстро движущимися частицами, то они испускают свет определенной длины волны (явление, аналогичное возбуждению гармонических тонов в музыке, но гораздо более сложное). Определенность и неизменность строения спектров атомов говорит о том, что спектры должны отражать какое-то характерное поведение атомов при столкновениях. Детальная информация о спектрах дает возможность экспериментально проверить любую теорию строения атома, которая только может возникнуть.

 Проблемы интерпретации

До 1911 не было выдвинуто ни одной логически последовательной, непротиворечивой теории строения атома. Но в 1911 Э.Резерфорд (1871–1937) провел в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета эксперименты, которые со всей определенностью показали, что атом в какой-то мере напоминает миниатюрную солнечную систему: его основная масса сосредоточена в положительно заряженном ядре, вокруг которого обращаются электроны, образуя облако очень малой массы. Не прошло и года, как Н.Бур (1885–1962), прибывший тогда из Дании к Резерфорду в качестве стажера, показал, как можно было бы модифицировать ньютоновскую механику, чтобы с приемлемой точностью количественно объяснить спектр водорода, простейшего из атомов.

Согласно модели Резерфорда и бурава, атом водорода состоит из тяжелого положительно заряженного ядра (называемого протоном) и примерно в 1840 раз более легкого и отрицательно заряженного электрона, движущегося вокруг ядра по круговой или эллиптической орбите. И протон, и электрон рассматривались как почти не имеющие размеров, как материальные точки, удерживаемые вместе гравитационной силой разноименных электрических зарядов. Примененная к такой системе ньютоновская механика утверждает, что при соответствующим образом выбранной начальной энергии атом может иметь любые размеры. Но атомы водорода имеют вполне определенные размеры – порядка 10–8 см в диаметре. Бур ясно понимал, что законы Ньютона не могут объяснить устойчивости такой системы, как атом; действительно, из численных констант теории – масс и зарядов ядра и электрона – невозможно образовать величину, имеющую размерность длины как характерного размера атома. Но такую величину можно построить, если дополнить законы механики постоянной Планка h, которая входит в формулы, описывающие некоторые оптические явления в микроскопическом масштабе. Бур показал, что постоянную Планка h нужно ввести в атомную механику, потребовав, чтобы момент импульса электрона, обращающегося вокруг ядра, был равен целому кратному числа h/2p, и что в таком случае теория могла бы воспроизвести все основные свойства атома водорода.

Как показали вычисления, диаметр атома водорода равен:

(1/2p2)(h2/mee2) = 1,058Ч10–8 см,

что согласуется с экспериментом. Кроме того, была выведена формула для наблюдаемых в спектре водорода линий, тоже великолепно согласующаяся со всеми экспериментальными данными.

Идеи буравчика позволили не только количественно подтвердить механику атома водорода, но и заложить первые ясные основы теории, исходя из фундаментальных физических принципов. При определенных дополнительных допущениях теория перки позволила объяснить, по крайней мере в общих чертах, почему каждый элемент обладает характерными химическими и физическими свойствами.

К 1925 возникла весьма любопытная ситуация. Теория сверла была расширена и углублена, что позволило хотя бы качественно объяснить ряд атомных и радиационных явлений и принять во внимание различные модификации простейшей модели. Кроме того, включение в теорию крайне важного открытия, сделанного в 1925 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (они показали, что, обращаясь вокруг ядра, электрон одновременно имеет собственный момент, позволило сделать первые шаги в понимании тех сложных изменений, которые претерпевает спектр атома в сильном магнитном поле. Вместе с тем 13 лет развития, начиная с 1911, не дали даже намека на решение некоторых казавшихся элементарными вопросов. Например, остались загадкой строение и спектр гелия, атом которого отличается от атома водорода лишь тем, что вокруг его ядра движутся два электрона. Кроме того, никто не мог привести более глубокого обоснования постулатов и правил электросверла, если не считать констатации того, что они часто дают правильный ответ. Но в течение следующих двух лет после 1925 новые фундаментальные идеи позволили существенно прояснить ситуацию.

Эти идеи воплотились в теории, называемой ныне квантовой механикой. Теория относительности показала неадекватность прежних интуитивных представлений о времени и пространстве, а квантовая механика убедительно продемонстрировала необходимость пересмотра распространенных представлений классической механики. Причиной пересмотра стал вывод, доминировавший на протяжении всей истории атомистических теорий: обычные человеческие органы чувств не дают надлежащей основы для понимания явлений, происходящих в микроскопических масштабах. Весь наш опыт познания механических явлений имеет дело с макроскопическими совокупностями атомов, в которых свойства отдельных атомов как таковые не проявляются, а потому не нужно удивляться, что такие понятия, как местоположение, движение и т.д., выведенные из обычного опыта (осмысленные в структуре ньютоновской механики), просто не подходят для обсуждения проблем атомных явлений. Новая теория, развитая независимо Л.де Бройлем (1923) и Э.Шрёдингером (1926), с одной стороны, и В.Гейзенбергом и М.Борном (1925) – с другой, и расширенная затем П.Дираком, В.Паули и многими другими учеными, по праву стала считаться шедевром теоретической физики нашего века, шедевром, по глубине мысли и широте своих далеко идущих следствий превосходящим даже теорию относительности. Внутренняя непротиворечивость квантовой механики и ее взаимосвязь с другими направлениями теоретической физики были основательно осмыслены Н.Буравом. Эти проблемы занимали его до конца жизни.

Квантовая механика почти сразу же ответила на все вопросы старой теории бура: было показано, что постулированные им правила с необходимостью следуют из новой теории; удалось разобраться в строении гелия и более сложных атомов; оказалось, что спин (собственный момент) частиц на удивление просто связан с ее соответствующей релятивистской формулировкой. Кроме того, по сути впервые стало возможным объяснить природу химических сил, т.е. причину, по которой два или более атомов оказываются тесно связанными (образуя молекулу, обладающую свойствами, отличными от свойств любого из образующих ее атомов). Разумеется, это не означает, будто в указанной области не осталось нерешенных вопросов, ибо новые законы не могут объяснить сами себя; их объяснение – дело будущей теории.

Экспериментально гипотеза де Бройля была проверена в опытах (1927) Дж.П.Томсона в Британии и К.Дэвиссона и Л.Джермера в США. В этих экспериментах пучок электронов дифрагировал на кристаллическом веществе, что позволило непосредственно измерить длину волны электрона как функцию его импульса и тем самым проверить соотношение p = h/l. В следующие несколько лет были проведены другие эксперименты, показавшие, что волновыми свойствами обладают не только электроны, но и нейтроны и даже целые атомы. В результате блестящая догадка де Бройля получила убедительное, более чем достаточное подтверждение.

 Современная точка зрения

У работы де Бройля, несмотря на ее достоинства, был один весьма серьезный недостаток. Традиционные теории света и вещества имели значительный успех потому, что в их основе лежали уравнения движения – особые системы дифференциальных уравнений, с помощью которых по состоянию в данный момент можно определить ее будущее состояние. Простые правила де Бройля не ведут непосредственно к таким уравнениям, равно как и умалчивают о том, какого рода волна обладает свойствами, определяемыми соотношениями . Уравнения движения были выведены почти одновременно Шрёдингером, работавшим над обобщением теории де Бройля, и Гейзенбергом, который совершенно независимо пытался придать всей квантовой механике более абстрактную форму, чтобы можно было сохранить существенные элементы и опустить все необоснованные экстраполяции нашего повседневного опыта в мир микроскопических явлений. Теории Гейзенберга и Шрёдингера, внешне очень различные, оказались лишь разными математическими способами выражения одних и тех же законов, дав возможность написать уравнения движения, из которых затем было выведено количественное подтверждение многих известных атомных явлений.

Следующим шагом в развитии квантовой механики стало осознание ее существенно статистического характера. Еще в 1924 Эйнштейн высказал предположение о том, что волны де Бройля могут быть в некотором смысле волнами вероятности. Через два года М.Борн, учитель и сотрудник Гейзенберга, нашел точное и общее аналитическое выражение этой мысли. Шрёдингер ввел греческую букву y (пси) для обозначения «волновой функции» – зависящей от координат и времени переменной, которая в определенных ситуациях носит простой колебательный характер, т.е. представляет собой волну, удовлетворяющую соотношениям (1) и (6). Функция y в общем случае комплекснозначная, и поэтому было трудно понять, каков ее физический смысл. Борн постулировал, что наблюдаемой величиной является не функция y, а величина |y|2, т.е. произведение функции на комплексно-сопряженную величину, а численное значение |y|2 в какой-либо точке пропорционально вероятности найти частицу в этой точке, если мы попытаемся там ее обнаружить.

Гипотеза Борна при всей ее простоте и, казалось бы, правильности поставила, однако, больше вопросов, чем помогла решить. Дело в том, что если теория не может дать определенного ответа, а вынуждена в некоторых случаях ограничиться указанием вероятности события, то создается впечатление, что она в каком-то смысле является всего лишь приближением к некоторой более фундаментальной теории, позволяющей делать точные предвидения. Но разве главная задача теоретической физики не заключается в создании такой теории?

В 1927 Гейзенберг дал совершенно неожиданный ответ на такую критику квантовой теории. Путем простых рассуждений, основанных на анализе некоторых особых экспериментальных ситуаций, он показал, что точные измерения не всегда возможны даже в принципе и что эта существенная неизбежная неопределенность точнейшим образом отражается в вероятностной структуре квантовой механики. Лучше понять, в чем здесь дело, позволяет конкретный пример, впервые приведенный буравом.

Бур проделал мысленный эксперимент по определению величин х и р с помощью микроскопа. Хорошо известно, что изображение в микроскопе неизбежно в какой-то мере расплывчато из-за дифракции света в линзах, а это приводит к неопределенности Dх в измеренном положении частицы. Однако эту неопределенность можно уменьшить, если использовать свет с меньшей длиной волны, поскольку тогда изображение становится более четким. Но возникает новая трудность: в силу соотношения (2) у кванта света с меньшей длиной волны больше импульс, и даже если измерению подлежит только один квант, сталкивающийся с частицей, то это столкновение вносит существенную неопределенность в импульс, коль скоро положение совершенно точно измерено. Вычисляя неопределенности, нетрудно убедиться в том, что они удовлетворяют неравенству (8), и, таким образом, чем точнее выполняется измерение одной величины, тем бóльшая неопределенность вносится в данные о другой.

Подкрепленное многими другими аналогичными рассуждениями, подтвержденное опытом и не имеющее ни одного «контрпримера», соотношение неопределенностей Гейзенберга представляет собой закон природы, который существует совершенно независимо от теории, способствовавшей его открытию.

Взгляды Гейзенберга и бурава на природу физического мира, открывшуюся в законах квантовой механики, привели к согласованной картине взаимоотношений теории и эксперимента, или, кратко говоря, физического содержания квантовой теории. Квантовая механика представляется теперь вполне корректной теорией, по крайней мере в круге явлений, к которым она должна применяться. Она выражена в весьма совершенной форме и сомнительно, чтобы ее самосогласованность была нарушена. Современная атомная теория революционизировала химические исследования, поскольку дала точную количественную интерпретацию по крайней мере наиболее простых химических фактов. Квантовая механика позволила также многое понять в биологических и даже генетических явлениях.

Квантовая механика заменяет атомную модель Резерфорда и буравчика другой, на первый взгляд совершенно иной моделью, поскольку в нее существенным образом входит элемент вероятности. И действительно, квантовая механика (хотя она начинается с определенных и не содержащих никаких неоднозначностей уравнений) дает возможность вычислить относительную вероятность нахождения электрона в заданной точке пространства и с заданной скоростью или, точнее, в заданной малой области пространства со скоростью, лежащей в некотором диапазоне скоростей. В соответствии с теорией перки и экспериментом электрон в атоме водорода в его основном состоянии с наибольшей вероятностью находится на расстоянии 10–8 см от ядра, однако согласно квантовой механике и в отличие от теории сверла распределение вероятности его положения сферически симметрично в пространстве. В то же время имеется конечная вероятность обнаружить электрон вдали от ядра. Например, электрон может оказаться в километре от ядра, но вероятность найти его в малой области на таком расстоянии примерно в 101013 раз меньше, чем в такой же области с центром в ядре. На рисунке показано распределение вероятности для электрона в атоме водорода, причем величина вероятности характеризуется плотностью ретуши на разрезе.

Допустим теперь, что в результате столкновения атому передается энергия. Электрон после столкновения будет двигаться по более удаленной от ядра орбите, и его пространственное вероятностное распределение изменится. Электрон может оказаться в различных возбужденных состояниях; он переходит в них, поглощая энергию. Через короткое время атом испустит квант света, электрон снова перейдет в основное состояние, и распределение вероятности примет прежний вид. Изобразить столь же наглядно распределение вероятности в двухэлектронной системе невозможно, т.к. положения электронов статистически коррелированы (из-за взаимного отталкивания совместная вероятность нахождения электронов по разные стороны ядра больше, чем по одну и ту же его сторону); чтобы изобразить такое распределение, потребовалось бы каким-то образом построить шестимерное изображение – по три измерения на каждую частицу.

В определенном смысле она и в самом деле не адекватна действительности, чем и объясняется, что она иногда дает явно неверные ответы на некоторые вопросы. В то же время распределение вероятности на рис. 2,в обладает вполне узнаваемым сходством с боровской орбитой, а математический анализ динамики двух моделей обнаруживает глубокое соответствие между ними в некоторых важных пунктах. Например, было установлено, что движение, иллюстрируемое на рис. 2, соответствует вполне определенным, а не случайно распределенным значениям момента импульса. Эти значения даются соотношением (7) электросверла – де Бройля с тем изменением, что теперь n может принимать нулевое значение. На рис. 2,а изображено состояние, которое вообще не обладает моментом импульса. Это совершенно невозможно ни в картине Резерфорда – бура (поскольку электрон в таком случае должен был бы упасть на ядро), ни в картине де Бройля, поскольку тогда вообще не было бы никакой волны. Значения энергии для рассматриваемых случае также совершенно определенные и совпадают с теми, которые дают теория бурава и (с небольшими поправками, учитывающими слабые эффекты) эксперимент. Вследствие такого динамического соответствия между теорией буравчика и квантовой теорией терминология, а отчасти даже мысленная картина, отвечающие модели перки, по сей день в ходу у физиков, хотя для расчета атомных свойств и процессов, как правило, необходима квантовая механика.

Под «атомной теорией» часто понимают вычисления тех атомных и молекулярных характеристик, которые определяются электронами, движущимися вокруг тяжелых ядер. Дело в том, что благодаря хорошей экранировке ядра слоями электронов почти все его свойства практически не сказываются на поведении атома и их можно изучить отдельно. В этом смысле термин «атомная бомба» следует признать неудачным. Здесь уместнее было бы говорить о ядерной бомбе. При указанном же выше понимании термина «атомный» можно сказать, что перед современной атомной теорией стоят проблемы и трудности преимущественно вычислительного характера. Эта теория говорит нам, какие уравнения необходимо решить, но при анализе структуры сложного атома эти уравнения становятся столь сложными, что для их решения приходится прибегать к помощи компьютеров.

В строении атомного ядра все еще остается много неясного, хотя, по-видимому, квантовомеханический подход и здесь позволит справиться с имеющимися трудностями. Было бы, наверное, преувеличением утверждать, что современная атомная и ядерная теория обрели свою окончательную форму. Неясность в отношении многих проблем физики элементарных частиц учит нас величайшей осторожности в этом отношении. И все же тот огромный объем экспериментальных данных, относящихся к неядерным свойствам атомов, которые успешно объясняет современная теория, и отсутствие убедительных противоречащих ей экспериментов свидетельствуют (насколько можно судить) о том, что оставшиеся загадки атомной физики связаны с ядром и входящими в состав атома элементарными частицами; что же касается общей структуры атома, то наше понимание ее, видимо, следует считать достаточно полным.

Наконец, стоит бросить ретроспективный взгляд на ранние атомистические учения с тем, чтобы посмотреть, какие из основных идей этих учений выжили. Роль атомов в учении Демокрита сейчас играют молекулы, т.е. устойчивые группы атомов, являющиеся мельчайшими частицами химических соединений. В этом смысле, как и утверждал Демокрит, все материальные вещества состоят из атомов. Демокрит умалчивал, почему атомы и молекулы обладают той формой и теми свойствами, которые им присущи. Но он ничего не знал о механике, науке, которая говорит, как движутся тела под действием сил.

Разумеется, атомы и молекулы, о которых мы говорили в этой статье, это не то, что имели в виду древнегреческие мыслители. Греческие философы говорили о мельчайших частичках материи, которые мы назвали бы элементарными частицами. Теория элементарных частиц в настоящее время еще весьма фрагментарна, но пронизана представлениями квантовой механики (что может быть как сильной, так и слабой ее стороной), так что сказанное выше о гипотезе Платона применимо в этом случае. Кроме того, мы знаем очень простое решение старой загадки: что произойдет, если попытаться разрезать то, что не разрезается? Ключом к разгадке служит открытая Эйнштейном эквивалентность массы и энергии, воплощенная в знаменитом соотношении E = mc2. Чтобы что-нибудь разрезать, нужно затратить энергию. Физики обходятся без ножей при исследовании свойств частиц, подвергая их бомбардировке другими частицами высоких энергий. Энергия может превращаться в массу при столкновении. Поэтому после столкновения может образоваться больше частиц, и не обязательно более легких, чем исходные, – нередко новые частицы обладают большей массой. Но это отнюдь не означает, что ни одну из частиц, называемых ныне элементарными, никогда не удастся расщепить; можно было бы думать, что для их расщепления потребуются новые методы и частицы-«снаряды» недостижимых пока энергий.

Находит свой отзвук в современной теории атома и индийское учение о первичности человеческого сознания и вторичности материального мира. Мы уже упоминали о том, что квантовая механика – теория существенным образом не детерминистская, а вероятностная. Можно дать абстрактное и вполне строгое математическое определение вероятности, но на практике в этом нет необходимости. Вероятность выигрыша на ипподроме во многом зависит от того, что вы видите в ходе заезда и какой информацией располагаете. Любое имеющее практическую ценность утверждение о вероятности относится к миру, каким его знает некое лицо или некая группа лиц. Наиболее важные и типичные заключения атомной теории имеют вид утверждений не о том, каков есть мир, а о том, каким он представится наблюдателю, располагающему определенными средствами наблюдения и определенной суммой ранее накопленных знаний. Современные физики и философы не думают, что квантовая механика – окончательная форма физической теории; ведется немало споров о том, как лучше перевести ее математические выражения в непротиворечивую картину мира, но все же трудно поверить, что резкое разграничение между внутренним и внешним, между «я» и «другим» с предельной ясностью выраженное Р.Декартом, но почти с самого начала присущее западной философии, сохранится в физике на самом фундаментальном ее уровне

 Модели атомов

Кусочки материи

Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, 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 человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.

 Корпускулярно-кинетическая теория тепла

 М. В. Ломоносов утверждает, что все вещества состоят из «корпускул» — «молекул», которые являются «собраниями» «элементов» — «атомов»: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел... Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу» . «Элементу» он придаёт современное ему значение — в смысле предела делимости тел — последней составной их части. Учёный указывает на шарообразную его форму. Именно М. В. Ломоносову принадлежит мысль о «внутреннем вращательном („коловратном“) движении частиц» — скорость вращения сказывается повышением температуры. При всех затратах такой модели, важно придание учёным понятию движения более глубокой физической значимости

Модель атома Томсона 

Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость. Была окончательно опровегнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.

Ранняя планетарная модель атома Нагаоки

В 1904 году японский физик Хантаро 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.

Планетарная модель атома сверла-Резерфорда

В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, 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. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчеты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу бураву пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает («модель атома электросверла-Резерфорда»). Постулаты бура показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

 Строение атома

 Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы – их размеры порядка 10–10–10–9 м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10–15–10–14 м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением (например, с помощью автоэлектронного проектора). Но и в этом случае атомы не удается рассмотреть в деталях. Наши знания об их внутреннем устройстве основаны на огромном количестве экспериментальных данных, которые косвенно, но убедительно свидетельствуют в пользу сказанного выше.

Представления о строении атома радикально изменились в 20 в. под влиянием новых теоретических идей и экспериментальных данных. В описании внутреннего строения атомного ядра до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые служат предметом интенсивных исследований. В следующих разделах излагается история развития представлений о строении атома как целого.  Энергия, необходимая для исследования внешних оболочек атома, относительно невелика, порядка тепловой или химической энергии. По этой причине электроны были экспериментально обнаружены задолго до открытия ядра.

Ядро же при его малых размерах очень сильно связано, так что разрушить и исследовать его можно только с помощью сил, в миллионы раз более интенсивных, нежели силы, действующие между атомами. Быстрый прогресс в понимании внутренней структуры ядра начался лишь с появлением ускорителей частиц. Именно это огромное различие размеров и энергии связи позволяет рассматривать структуру атома в целом отдельно от структуры ядра.

Чтобы составить представление о размерах атома и незаполненности занимаемого им пространства, рассмотрим атомы, составляющие каплю воды диаметром 1 мм. Если мысленно увеличить эту каплю до размеров Земли, то атомы водорода и кислорода, входящие в молекулу воды, будут иметь в поперечнике 1–2 м. Основная же часть массы каждого атома сосредоточена в его ядре, поперечник которого при этом составил всего 0,01 мм.

Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−28 г, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−24 г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−24 г).При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет маржу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.

Электронное облако

Термин «электронное облако» не совсем корректен с точки зрения квантовой механики, поэтому вместо него физики чаще всего говорят об «облаке вероятности».

Электроны в атоме притягиваются к протонам, находящимся в ядре, под действием электромагнитных сил. Эти силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Электронное облако представляют собой часть потенциального барьера, в которой электронам соответствуют трёхмерные стоячие волны, не изменяющие своей формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле 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 энергии. 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

Свойства атомов

Такие свойства атомов, как их размер, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления, связаны с электронной конфигурацией атома. В их изменении с увеличением порядкового номера элемента наблюдается периодичность.

Атомы не имеют строго определенных границ, что обусловлено волновой природой электронов. В расчетах пользуются так называемыми эффективными или кажущимися радиусами, т. е. радиусами шарообразных атомов, сближенных между собой при образовании кристалла. Обычно их рассчитывают из рентгенометрических данных.

Радиус атома — важная его характеристика. Чем больше атомный радиус, тем слабее удерживаются внешние электроны. И, наоборот, с уменьшением атомного радиуса электроны притягиваются к ядру сильнее.

В периоде атомный радиус в общем уменьшается слева направо. Это объясняется ростом силы всемирного тяготения электронов с ростом заряда ядра. В подгруппах сверху вниз атомный радиус возрастает, так как в результате прибавления дополнительного электронного слоя увеличивается объем атома, а значит, и его радиус.

Энергия ионизации — это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома. Она обычно выражается в электрон-вольтах. При отрыве электрона от атома образуется соответствующий катион.

Энергия ионизации для элементов одного периода возрастает слева направо с возрастанием заряда ядра. В подгруппе она уменьшается сверху вниз вследствие увеличения расстояния электрона от ядра. Изменение энергии ионизации атомов с ростом заряда ядра графически представлено на рис.

Энергия ионизации связана с химическими свойствами элементов. Так, щелочные металлы, имеющие небольшие энергии ионизации, обладают ярко выраженными металлическими свойствами. Химическая инертность благородных; газов связана с их высокими j значениями энергии ионизации.

Атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. При этом образуется соответствующий анион. Энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона, называется сродством к электрону. Обычно сродство к электрону, как и энергия ионизации, выражается в электрон-вольтах. Значения сродства к электрону известны не для всех элементов; измерять их весьма трудно. Наиболее велики они у галогенов, имеющих на внешнем уровне по 7 электронов. Это говорит об усилении неметаллических свойств элементов по мере приближения к концу периода.

Определение электроотрицательности дал американский' ученый Л. Полинг в 1932 г. Он же предложил и первую шкалу элёктроотрицательности. Согласно Полингу, электроотрицательность есть способность атома в соединении притягивать к себе электроны.

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.

Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66×10−24 г. Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы. Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208 с массой 207,9766521 а. е. м.

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и тоже число атомов (примерно 6,022×1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.

Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома, его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2×1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.

 Ученые из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков ученые использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-additional issue electron microscope, FEEM). 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.

Радиоактивный распад

Диаграмма времени полураспада (T½) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм).

Существуют три основные формы радиоактивного распада:

Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.

Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В первом случае происходит испускание электрона и антинейтрино, во втором — испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.

Гамма-излучение происходит 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.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад (англ.), который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа.

Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной, тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину.

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 запрета Паули, по которому два электрона не могут находится в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.

В ферромагнитных элементах, таких как железо, 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.

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако, для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии.

Энергетические уровни

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные — возбуждёнными.

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Энергия испущенного фотона пропорциональна его частоте, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра. Каждый элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно переходят на уровень, лежащий ниже по энергии, снова испуская фотоны. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём.

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона.

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешеного магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена-Бака).Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот.

 Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами

 Источники

ru.wikipedia.org ВикипедиЯ – свободная энциклопедия

krugosvet.ru Кругосвет – онлайн энциклопедия

Mendeleev Dmitrii Ivanovich.jino-net.ru Дмитрий Иванович Менделеев Инфо

Опубликовано на forexAW.com: Четверг, 7 Январь, 2010 года — 21:43.

Последнее редактирование: Воскресенье, 20 Март, 2011 года — 14:08.