Атом

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Атом (від грец. άτομοσ – неділимий)- найменша частинка хімічного елементу, яка зберігає всі його хімічні властивості.

Зміст 1 Загальна характеристика будови атома 1.1 Розмір атома 1.2 Модель Бора 1.3 Ізотопи 1.4 Енергія атому та її квантування 1.5 Электронні оболонки складних атомів 1.6 Квантові переходи в атомі 2 Хімічні та фізичні властивості атома 3 Історія поняття атом 3.1 Перші проповідники атомістичного вчення 3.2 Поняття атома в індійській філософії 3.3 Атомістична теорія в римській науці 3.4 Перші теорії про будову атома 3.5 Наукові основи

[ред.] Загальна характеристика будови атома

Найпоширенішою моделлю атома на сьогодні є хвильова модель. Вона базується на моделі Бора, але враховує також останні відкриття в галузі квантової механіки.

Відповідно до цієї моделі:

• Атоми складаються із елементарних частинок (протонів, електронів, та нейтронів), хоча більша частина об'єму атома є порожньою. Ядро оточене електронами, кількість електронів дорівнює кількості протонів у ядрі, кількість протонів дорівнює порядковому номеру елементу в періодичній системі. Сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному зарядові протонів. У нейтральному атомі ядро оточене такою ж кількістю електронів як і кількість протонів, що знаходиться в ядрі. Атоми одного елемента, що мають різну кількість нейтронів, називаються ізотопами.
• В центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається із протонів та нейтронів.
  • Ядро атому приблизно в 10,000 разів менше ніж сам атом. Таким чином, якщо збільшити атом до розмірів аеропорту Бориспіль, розмір ядра буде меншим від розміру кульки для настільного тенісу.
• Більшу частину об'єму атома займають орбіталі що містять електрони у певній конфігурації.
  • Кожна орбіталь може містити до двох електронів, що характеризуються трьома квантовими числами: основним, азимутальним і магнітним.
  • Кожен електрон на орбіталі має унікальне значення четвертого квантового числа: спіну.
  • Орбіталі не є фізичним об'єктом, а є ймовірностями розподілу того, де саме два електрони із однаковими значеннями перших трьох квантових чисел можуть перебувати. "Границею" орбіталі вважається відстань, на котрій імовірність того що електрон може перебувати поза нею є меншою 90%.
• Коли електрони приєднуються до атому, вони опускаються на орбіталь із найнижчою енергією. Лишень електони на зовнішній орбіталі можуть брати участь в утворенні атомних зв'язків. Атоми можуть віддавати і приєднувати електрони, стаючи негативно або позитивно зарядженими іонами. Хімічні властивості елемента визначаються тим, з якою легкістю ядро може віддавати або здобувати електрони. Це залежить як від числа електронів, зв'язаних з ядром, так і від сили заряду, що притягає їх.

[ред.] Розмір атома

Розмір атома є величиною, що важко піддається вимірюванню, оскільки орбіталі електронів із збільшенням відстані від ядра прямують до нуля. Для атомів, що утворюють тверді кристали, відстань між суміжними вузлами кристалічної решітки може слугувати наближеним значенням їх розміру. Для атомів що кристалів не формують, використовують інші техніки оцінки, включаючи теоретичні розрахунки. Наприклад, розмір атому водню оцінюють як 1.2×10^-10m. Порівняйте це значення із розміром протону (що є ядром атому водню: 0.87×10^-15m. Таким чином, ядро атому водню в 100,000 разів менше ніж сам атом. Атоми інших елементів зберігають приблизно те саме співвідношення в межах коефіцієнту поправки 2. Причиною цього є те, що елементи із більшим позитивно зарядженим ядром притягують електрони сильніше.

[ред.] Модель Бора

Модель Бора, це фізична модель що описує атом як маленьке позитивно заряджене ядро із негативно щарядженими електронами на орбітах на різних рівнях, що нагадує структуру сонячної системи. Завдяки своїй простоті, модель Бора досі широко використовується та викладається.

Її поява була спричинена нагальною потребою пояснити на початку 20-го століття результати експериментів Ернеста Резерфорда. Він встановив, що атом складається із ядра навколо котрого обертаються електрони. Що було незбагненним для тогочасних фізиків, це те, чому електрони що обертаються навколо ядра не падають по спіралі на нього. Справді, відповідно до класичної теорії електромагнетизму, електрон що обертається навколо ядра повинен випромінювати електромагнітні хвилі (світло), що призведе до поступової втрати ним енергії та падіння на ядро, тому яким чином атом може взагалі існувати? Більш того, дослідження електромагнітного спектру атомів показали, що електрони в атомі можуть випромінювати світло лишень певної частоти.

Ці труднощі були подолані в моделі запропонованій Нільсом Бором в 1913, котра припускає що:

• (1) Електрони можуть знаходитись лише на орбітах що мають дискретні квантовані енергії. Тобто можливими є не будь-які орбіти, а лише деякі специфічні. Точні значення енергій допустимих орбіт залежать від атому.

• (2) Закони класичної механіки незастосовні коли електрони переходять із однієї допустимої орбіти на іншу.

• (3) Коли електрон переходить із однієї орбіти на іншу, різниця в енергії випромінюється (або поглинається) єдиним квантом світла (фотоном), частота якого напряму залежить від енергетичної різниці між двома орбітими.

де ν це частота фотону, E це різниця енергій, і h константа пропорційності, також відома як стала Планка. Визначивши, що можна записати

де ω це кутова частота фотону.

• (4) Допустимі орбіти залежать від квантованих значень кутового орбітального моменту L, що описується рівнянням

деn = 1,2,3,… та називається квантове число кутового моменту.

Ці припущення дозволили пояснити результати тогочасних спостережень, наприклад, чому спектр складається із дискретних ліній. Припущення (4) стверджує що найменше значення n це 1. Відповідно, найменший допустимий радіус атому це 0.526 Å (0.0529 нм = 5.28 · 10^-11 м), що також відомий як радіус Бора, та пояснює чому атоми стабільні. Часами модель Бора називають напівкласичною, через те, що хоча вона включає деякі ідеї квантової механіки, вона не є повним квантовомеханічним описом атому.

[ред.] Ізотопи

В загальному випадку атоми характеризуються їхнім атомним номером, що відповідає кількості протонів в атомі. Атомний номер визначає якому елементові належить атом. Наприклад, атоми вуглецю містять 6 протонів. Всі атоми із таким самим атомним номером посідають багато таких же фізичних характеристик та демонструють такі ж хімічні властивості. Елементи перелічені в періодичній таблиці в порядку зростання атомного номеру.

Атомна маса це загальна кількість протонів та нейтронів в атомі елементу, оскільки протон та нейтрон мають масу 1 amu. Нейтрони в ядрі не впливають на те, якому елементові належить атом, та кожен елемент може мати атоми із однаковою кількістю протонів та різною кількістю нейтронів. Вони матимуть такий же атомний номер, але різну атомну масу, та називаються ізотопами елементу. Коли пишуть назву ізотопу, після неї пишуть атомну масу. Наприклад, вуглець-14 містить 6 протонів та 8 8 нейтронів, що в сумі складає атомну масу 14.

Атомна маса елементу наведена в періодичній таблиці є усередненим значенням маси ізотопів що зустрічаються в природі, усереднені відповідно до частоти із якою вони зустрічаються в природі.

[ред.] Енергія атому та її квантування

[ред.] Электронні оболонки складних атомів

[ред.] Квантові переходи в атомі

[ред.] Хімічні та фізичні властивості атома

[ред.] Історія поняття атом

Поняття атом, як і саме слово, має давньогрецьке походження, хоча істиність гіпотези про існування атомів знайшла своє підтвердження лише в 20 сторіччі. Основною ідеєю, яка стояла за даним поняттям на протязі всіх сторічь, було уявлення про світ як про набір величезної кількості неподільних елементів, які є дуже простими за своєю структурою і існують від початку часів.

[ред.] Перші проповідники атомістичного вчення

Першим почав проповідувати атомістичне вчення в 5 ст. до н.е філософ Левкіпп. Потім естафету підхопив його учень Демокріт. Збереглися лише окремі фрагменти їх робіт, з яких стає зрозумілим, що вони виходили з невеликої кількості досить абстрактних фізичних гіпотез:

"Солодкість і гіркота, спека і холод смисл визначення, насправді ж [тільки] атоми і пустота".

За Демокрітом, вся природа складається з атомів, найдрібніших часток речовини, які спочивають чи рухаються в абсолютно пустому просторі. Всі атоми мають просту форму, а атомы одного сорту є тотожними; різноманіття природи відображає різноманіття форм атомів і різноманіття способів, в які атоми можуть зчіплювтись між собою. І Демокріт, і Левкіп вважали, що атоми, почавши рухатись, продовжують рухатись по законам природи.

Найбільш важким для давніх греків було питання про фізичну реальність основних понять атомізму. В якому розумінні можна було говорити про реальність пустоти, якщо вона, не маючи матерії, не може мати ніяких фізичних властивостей? Ідеї Левкіпа та Демокрита не могли служити задовільною основою теорії речовини в фізичному плані, оскільки не пояснювали, ні з чого складаються атоми, ні чому атоми неділимі.

Через покоління після Демокрита, Платон запропонував своє рішення цієї проблеми: «найдрібніші частки належать не царству матерії, а царству геометрії; вони являють собою різні тілесні геометричні фігури, обмежені плоскими трикутниками».

[ред.] Поняття атома в індійській філософії

Через тисячу років абстрактні міркування давніх греків проникли в Індію і були сприйняті деякими школами індійської філософії. Але тоді як західна філософія вважала, що атомістична теорія повинна стати конкретною і об'єктивною основою теорії матеріального світу, індійська філософія завжди сприймала об'єктивний матеріальний світ як іллюзію. Коли атомізм з'явився в Індії, то він прийняв форму теорії, згідно якої реальність в світі має процес, а не субстанція, і що ми присутні в світі як ланки процесу, а не як згустки речовини.

Тобто і Платон, і індійські філософи вважали приблизно так: якщо природа складається з дрібних, але таких, що мають кінцеві розміри часток, то чому їх не можна розділити, хоча б в уяві, на ще дрібніші часточки, які б стали предметом подальшого розгляду?

[ред.] Атомістична теорія в римській науці

Римський поет Лукрецій (96 – 55 рок до н.е.) був одним з небагатьох римлян, які проявляли інтерес до чистої науки. В своїй поемі Про природу речей (De rerum natura) він детально вибудовав факти, які свідчать на користь атомістичної теорії. Наприклад, вітер, який дує з великою силою, хоча ніхто не може його бачити, напевне складається з часток, замалих щоб їх розгледіти. Ми можемо відчувати речі на відстані по запаху, звуку і теплу, які поширюються, залишаючись невидимими.

Лукрецій пов'язує властивості речей з всластивостями їх складових, тобто атомів: атоми рідини малі і мають округлу форму, тому рідина тече так легко і просочується через пористу речовину, тоді як атоми твердих речовин мають крючки, якими вони зчеплені між собою. Так само і різноманітні смакові відчуття і звуки різної гучності складаються з атомів відповідних форм – від простих і гармонійних до звивистих та нерегулярних.

Але вчення Лукреція були засуджені церквою, оскільки він дав досить матеріалістичну їх інтерпретацію: наприклад, уявлення про те, що Бог, запустивши один раз атомний механізм, більш не втручається в його роботу, чи те, що душа помирає разом з тілом.

[ред.] Перші теорії про будову атома

Одна з перших теорій про будову атома, яка має вже сучасні обриси була описана Галілеєм (1564–1642). Згідно його теорії речовина складається з часток, які не перебувають в стані спокою, а під впливом тепла рухаються у всі сторони; тепло – є нічим іншим аніж рухом часток. Структура часток є складною, і якщо позбавити будь-яку частку її матеріальної оболонки, то зсередини бризне світло. Галілей був першим, хто, хоча і в фантастичній формі, представив будову атома.

[ред.] Наукові основи

В 19 столітті Джон Дальтон одержав свідчення існування атомів, але припускав, що вони неподільні. Ернест Резерфорд показав експериментально, що атом складається з ядра, оточеного негативно зарядженими частками - електронами.

Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.