Строение атомов

ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Все химические системы состоят из различных химических веществ разной степени сложности. Единичными составляющими любого вещества являются химические молекулы, особенности которых определяются составляющими их атомами.

Строение атомов

Атом– наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома представляет собой систему из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которое, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и в меньшей степени зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае, т. е. число протонов не равно числу электронов, атом 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.

Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента, содержащих одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов в ядре. Понятие изотопа предложил в начале XX века английский ученый Фредерик Содди. Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов, поэтому у них идентичные химические свойства и наблюдаются лишь различия физических свойств. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ⁴⁰Ca). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (дейтерий, актинон).

В XIX в. в результате развития физической атомистики (одного из направлений термодинамики) появились первые гипотезы о строении атомов. В 1859 г. было сделано важное открытие в оптике, физик Густав Кирхгоф (1824–1887) и химик Роберт Бунзен (1811–1899) открыли спектральный анализ, давший в руки ученым новое мощное средство исследования веществ на основе изучения процессов излучения и поглощения света. Каждый химический элемент образует в спектрах набор дискретных линий, каждая их которых соответствуют определенной длине волны.

В 1897 г. английский ученый Джозеф Томсон экспериментально открыл частицу, которая несет элементарный электрический заряд – электрон. Томсон предложил первую модель атома: атом представляет собой положительно заряженный шарик, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны (модель «кекса с изюмом»). Эта модель не объясняла устойчивость атомов и происхождение их оптических спектров. Его ученик, Э. Резерфорд, пытался экспериментально проверить эту гипотезу, но в результате знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц в 1911 г. предложил планетарную модель атома, по которой электроны движутся вокруг тяжелого положительно заряженного ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Однако эта модель противоречила классической электродинамике, в соответствии с которой электрон, двигаясь по орбите, должен был бы излучать электромагнитные волны, за счет чего потерял бы всю энергию и упал на ядро. Для доказательства этой модели в 1913 г. работавший с Резерфордом датский ученый Нильс Бор предложил два постулата:

1) электроны в атоме длительное время могут находиться только на определенных орбитах с определенной энергией, в это время атом стационарен, т. е. не излучает и не поглощает энергию;

2) электроны могут переходить на другие орбиты, при этом атом излучает или поглощает кванты с определенной энергией (длиной волны).

В 1913-1914 гг. немецкие физики Джеймс Франк и Густав Герц поставили опыты по соударению атомов с электронами и подтвердили истинность модели Бора. Теория Резерфорда-Бора позволила установить строение атома водорода (протон+электрон) и подобных ему атомов, объяснила закономерности образования линейчатых спектров излучения и поглощения различных веществ, также она стала основой физического объяснения таблицы Менделеева.

Квантовомеханическая теория строения атома рассматривает атом как систему микрочастиц, не подчиняющихся законам классической механики. С точки зрения квантовой механики, можно говорить лишь об определенном состоянии атома, характеризующемся некоторой энергией, которая, в соответствии с принципом дискретности, может измениться только при переходе атома из одного такого состояния в другое. В настоящее время благодаря методам квантовой механики известно электронное строение всех существующих атомов. Атом элемента имеет определенную электронную конфигурацию (электронную формулу), зная которую, можно сделать предположения о химических свойствах этого элемента.

Каждая орбита (уровень) соответствует определенному состоянию электронной оболочки атома. Промежуточные состояния не существуют. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается в виде фотона с длиной волны, которая соответствует разности энергий между уровнями; при переходе с нижнего уровня на верхний энергия поглощается, т. е. атом поглощает энергию кванта (например, фотона), пришедшего из внешней среды. В последнем случае за счет добавления энергии атом переходит в более высокое неустойчивое состояние, такой процесс называется возбуждением атома. В случае, когда пришедшая в систему энергия оказывается слишком большой, то получивший эту энергию электрон покидает атом и переходит в свободное состояние - происходит ионизация атома. Ионизация происходит также при захвате дополнительного электрона с выбросом эквивалентной энергии в окружающую среду.