Атом - это микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в поле ядра.

Атом – микросистема, потому что реальный размер любого атома имеет порядок 10^-10 м.

 

Модели атомов

Наши знания существуют в виде моделей. Модель есть объект-заменитель объекта-оригинала, сохраняющий некоторые его свойства. Существенными преимуществами модели перед оригиналом являются её доступность, обозримость, удобство в обращении.

Первой моделью атома можно считать модель греческого натурфилософа Демокрита (ок. 460 – 370 г. до н. э.). В его представлении атом – предел делимости всего сущего [др.-греч. atomoV неделимый]. Атомы невидимы из-за своих ничтожных размеров, не разрушаются и не гибнут, а по естественной необходимости образуют отдельные тела и весь мир с его множеством свойств.

Так силой ума, воображения была представлена умозрительная модель, которая просуществовала более двух тысячелетий и послужила хорошим основанием для поиска количественных характеристик неделимых микрочастиц.

Именно свойство неделимого атома было положено в основу определения относительных атомных масс химических элементов. Такое представление об атомах просуществовало вплоть до конца ХIХ в.

Первый шаг в раскрытии тайны строения атомов сделал английский физик Дж.Дж. Томсон (1856-1940), который в 1897 г. открыл электрон. Его масса оказалась в 1837 раз меньше массы атома водорода. Следовательно, атом делится на части, причем эти части заряжены. Электроны – отрицательно заряженные частицы. Положительно заряженная часть атома делает в целом атом электронейтральным.

Дальнейшие исследования вещества привели нобелевского лауреата, английского физика Э. Резерфорда (1871-1937) к созданию планетарной (ядерной) модели атома.

Экспериментальные доказательства такой модели у Э.Резерфорда были. Его молодой сотрудник Э. Марсден изучал движение потока положительно заряженных a-частиц сквозь тончайшую фольгу из золота и других металлов. Он обнаружил, что очень редко a-частицы отклонялись от прямолинейного движения сквозь фольгу, «отскакивали» от нее. Отскоки означали, что a-частицы «налетают» на массивные тела. Редкие отскоки означали, что массивные тела имеют ничтожно малые размеры и находятся на большом расстоянии друг от друга. Следовательно, атомы в металле устроены так, что их масса неравномерно распределена по всему объему атома. Положительно заряженные a-частицы могут отклоняться при своем движении только при сближении с положительно заряженной частью атома – ядром.

Но как удерживаются на расстоянии и не падают на ядро в результате притяжения отрицательно заряженные электроны? Ответа на этот вопрос Э. Резерфорд не знал. Вот что он писал в статье, опубликованной в 1911 г.: «Вопрос об устойчивости предлагаемого атома на этой стадии не следует подвергать рассмотрению. Устойчивость окажется, очевидно, зависящей от тонких деталей структуры атома и движения составляющих его заряженных частей».

По законам электростатики, чтобы сохранить устойчивость, электроны должны двигаться. По законам электродинамики, ускоренно двигаясь вокруг ядра, электроны должны излучать энергию и упасть на ядро. Получался замкнутый круг: движение электронов обеспечивает устойчивость, но оно же делает атом неустойчивым.

Теоретическое обоснование устойчивости атома дал в 1913 г. датский физик-теоретик Нильс Бор (1885-1962). Сущность его идеи заключалась в следующем. Спектры излучения возбужденных атомов (они по внешнему виду напоминают штрих-код на товаре) натолкнули его на идею о дискретности энергетических состояний атомов [ лат. discretus разделенный, прерывистый ]. Электроны «заселяют» энергетические уровни подобно тому, как это делают жильцы, заселяя квартиры на этажах многоквартирного дома (заметим, что между этажами никто не живет).

Законы, такого заселения еще не известны. Так рассуждал Бор. Если законы не известны – их следует искать. А пока можно сформулировать постулаты (утверждения, принимаемые за истинные, хотя и не доказанные), которые соответствуют тому факту, что атомы – устойчивые микросистемы. Постулаты Бора соответствовали квантовой модели водородоподобного атома и совершенно не согласовывались с представлениями классической физики:

в атоме существуют стационарные, разрешенные орбиты, двигаясь по которым, электроны не излучают энергию и не падают на ядро;

поглощение (или излучение) энергии атомом происходит только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

Двадцатисемилетний Нильс Бор говорил о движении электронов по орбитам в поле ядра без потери энергии. Чем дальше от ядра расположены электроны, тем больше должна быть энергия движения электрона, противодействующая притяжению ядра. На вопрос, почему такие свойства проявляют движущиеся противоположно заряженные заряды, тогда можно было дать только один ответ: «так устроен мир микрочастиц».

В настоящее время доказано, что в атоме не существует траекторий, но есть область, где чаще или реже можно обнаружить движущиеся электроны. Это не орбита, а орбиталь – отрицательно заряженная область атома, в которой вероятность обнаружить движущийся электрон (или электроны) уменьшается по мере удаления от ядра.

На рис. 2 представлены модели атомов водорода и гелия, а стрелками обозначено количество электронов на орбитали. Точками обозначено «электронное облако». Электронное облако - это не наглядный образ самого электрона или электронов, «размытых» в пространстве, а наглядное изображение области возможного местонахождения электронов по отношению к ядру. Пунктиром отмечена сферическая область - орбиталь, где сосредоточена подавляющая часть электронной плотности. Центральная точка – атомное ядро, стрелками обозначены спины электронов.

Электронное облако характеризует состояние движения электрона. Такое состояние движения напоминает движение футбольного вратаря. Чаще всего он находится в штрафной площадке, и чем дальше от ворот, тем меньше вероятность встретить его там. Но если движение вратаря во время матча все-таки можно изобразить некоторой траекторией, то для электрона такой возможности не существует в принципе.

	Н
				Не

 

Рис. 2. Модели атомов водорода и гелия

 

Уже будучи нобелевским лауреатом, Н. Бор часто с улыбкой вспоминал, как в 1950-х гг. к нему подошел после лекции студент и спросил: «Неужели действительно были такие идиоты, которые думали, что электрон вращается по орбите?».

В многоэлектронных атомах, кроме сферической s- орбитали, существуют p- орбитали (рис. 3), а также d- и f -орбитали, отличающиеся по форме и пространственному расположению.

 

Рис. 3. Модель атома кислорода. Указаны 2 р _х, 2 р _у и 2 р _z-орбитали и спины электронов. Пунктиром обозначены 1 s - и 2 s -орбитали, но электронные пары на них не изображены

 

Итак, атом - это микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в поле ядра.

Любое определение, включая и приведенное выше, отражает лишь ограниченное число свойств оригинала. Например, следует принять во внимание структуру ядра атома.

Ядро атома – это тоже микросистема, которая состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра (Z_я), а число нейтронов (N) в сумме с числом протонов выражают массовое число атома (А):

А = Z_я + N

 

Взаимодействия в атомах

Энергия притяжения электронов к ядру, а также энергия движения электронов, стремящаяся оторвать электрон от атома, уравновешены, и атом сохраняет устойчивое состояние. Только воздействие внешней среды способно вывести атом из этого состояния. В роли внешней среды выступают микрочастицы вещества (атомы, молекулы, электроны) и поля (фотоны).

Рассмотрим атом водорода. По законам классической механики и электродинамики атом водорода – неустойчивая система. По законам квантовой механики, это устойчивая система, и сближение электрона с ядром не должно привести к его «падению» на ядро.

В 1927 г. В. Гейзенберг сформулировал действующий в квантовой механике принцип неопределенности: объект микромира невозможно одновременно с наперед заданной точностью характеризовать координатой и импульсом. Если неопределенность в определении координаты х составляет D х, а неопределенность в определении импульса mu составляет D(mu), то неопределенности этих величин удовлетворяют условию (1.1)

, (1.1)

где m – масса; u – скорость микрочастицы, движущейся вдоль координаты х; h – постоянная Планка.

 

Уравнение (1.1) получило название соотношения неопределенности Гейзенберга.

Потенциальная энергия (Е) атома водорода складывается из кинетической энергии электрона (U):

U =

и энергии притяжения электрона ядром (V). Заряды ядра (в данном случае протона) и электрона равны по величине и противоположны по знаку (заряд е):

Е = U + V = , (1.2)

где u - скорость движения электрона массой m; r – радиус орбитали.

Состояние электрона с точно установленными значениями координаты r и импульса mu означало бы нарушение соотношения неопределенности Гейзенберга. Допустим, что неопределенность в определении координаты имеет порядок самой координаты (D r» r), а неопределенность в определении импульса имеет порядок самого импульса (D mu» mu). Согласно соотношению неопределенности получим:

r × mu = (1.3)

Подставляя значение u из уравнения (1.3) в выражение потенциальной энергии (1.2), получим:

Е = (1.4)

Устойчивому состоянию атома соответствует минимум потенциальной энергии . Продифференцировав выражение (1.4) по r и приравняв , получим:

_{- + = 0.}

Отсюда (1.5)

Полученное значение r _min совпадает с радиусом первой боровской орбиты атома водорода. Подставив r _min из уравнения (1.5) в уравнение (1.4), найдем энергию основного состояния атома водорода:

Эта величина соответствует минимальной энергии атома водорода (рис. 4).

 

 

 

		V ~ -

 

 

Свойства атомов

Свойство – это качество, постоянно присущее объекту. Это качество проявляется не само по себе, а в отношении данного объекта с другим. Например, для того, чтобы атом проявлял свойство отдавать электроны, необходим партнер, способный принимать электроны. Такая картина повторяется при описании любых свойств. Поэтому свойство иногда называют «свернутым отношением», подразумевая, что результат отношения объектов приписываем одному из них в качестве свойства, «забывая» о другом объекте.

Атомы проявляют свойство обмениваться энергией с окружающей средой. Рассмотрим изменения энергетического состояния атома водорода при взаимодействии с электромагнитным излучением. Стационарное состояние атома соответствует положению электрона на низшем энергетическом уровне Е ₁. Переход электрона на более высокий энергетический уровень Е ₂ означает поглощение фотона (кванта электромагнитного излучения ) и переход атома в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом пребывает крайне короткое время (~ 10^-8 с). В соответствии с законом сохранения энергии возбужденный атом излучает квант поглощенной энергии и возвращается в устойчивое состояние. Квантовые переходы фиксируются приборами в виде линейчатых спектров атома водорода. Один из них представлен на рис. 5.

 

 

Рис. 5. Спектральная серия Бальмера в спектре атома водорода

 

А томы проявляют свойство отдавать и присоединять электроны. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от атома, называется энергией ионизации (Е_и, кДж/моль), например:

Е_и

Li ® Li⁺ + е^-

Сродство атомов к электрону (Е_сэ, кДж/моль) характеризуется энергией, необходимой для отрыва электрона от соответствующего отрицательного иона (аниона), например:

Е _сэ

Cl^- ® Cl + е^-

Способность атомов участвовать в образовании химических связей включает в себя реакции образования и разрыва между атомами ковалентных, ионных или металлических связей:

H + H ® H₂ (H-H ковалентная связь)

Li + F ® LiF (Li⁺F^- ионная связь)

Cu²⁺ + 2e^- ⇄ Cu⁰ (Cu⁰ отражает образование металлической связи)