ATOM(z řeckého atomos – nedělitelný), nejmenší částice chemické látky. prvek, jeho svatý. Každá chem. Prvek odpovídá souboru konkrétních atomů. Vzájemnou vazbou tvoří atomy stejných nebo různých prvků například složitější částice. . Všechny různé chemikálie. in-in (pevný, kapalný a plynný) v důsledku rozkladu. kombinace atomů mezi sebou. Atomy mohou existovat i volně. stát (v , ). Vlastnosti atomu, včetně nejdůležitější schopnosti atomu tvořit chemikálie. spoj., jsou určeny vlastnostmi jeho struktury.
Obecná charakteristika struktury atomu. Atom se skládá z kladně nabitého jádra obklopeného oblakem záporně nabitých jader. Rozměry atomu jako celku jsou určeny rozměry jeho elektronového oblaku a jsou velké ve srovnání s rozměry atomového jádra (lineární rozměry atomu jsou ~ 10~8 cm, jeho jádro ~ 10" -10" 13 cm). Elektronový mrak atomu nemá přesně definované hranice, takže znamená velikost atomu. stupně jsou podmíněné a závisí na způsobech jejich stanovení (viz). Jádro atomu se skládá ze Z a N, které drží pohromadě jaderné síly (viz). Pozitivní náboj a zápor. poplatek je stejný abs. velikost a jsou rovny e = 1,60*10-19 C; nemá elektrický proud. nabít. Jaderný náboj +Ze - zákl. charakteristika atomu, která určuje jeho příslušnost k určité chemické látce. živel. prvek v periodickém periodický systém () se rovná číslu v jádře.
V elektricky neutrálním atomu se počet v oblaku rovná číslu v jádře. Za určitých podmínek však může ztrácet nebo přidávat, resp. v pozitivním nebo popřít. , např. Li+, Li2+ nebo O-, O2-. Když mluvíme o atomech určitého prvku, máme na mysli neutrální atomy i tento prvek.
Hmotnost atomu je určena hmotností jeho jádra; hmotnost (9,109*10 -28 g) je přibližně 1840 krát menší než hmotnost nebo (1,67*10 -24 g), takže příspěvek k hmotnosti atomu je nevýznamný. Celkový počet a A = Z + N volaných. . a jaderný náboj jsou označeny. horní a dolní index vlevo od symbolu prvku, např. 23 11 Na. Typ atomů jednoho prvku s určitou hodnotou N se nazývá. . Nazývají se atomy stejného prvku se stejným Z a různým N. tento prvek. Rozdíl v hmotnosti má malý vliv na jejich chemii. a fyzické Svatý Váh. Nejdůležitější je, že rozdíly () jsou pozorovány kvůli velkému příbuznému. rozdíly v hmotnostech běžného atomu (), D a T. Přesné hodnoty hmotností atomů jsou určeny metodami.
Stacionární stav jednoelektronového atomu je jednoznačně charakterizován čtyřmi kvantovými čísly: n, l, ml a m s. Energie atomu závisí pouze na n a hladina s daným n odpovídá řadě stavů lišících se v hodnotách l, m l, m s. Stavy s daným n a l se obvykle označují jako 1s, 2s, 2p, 3s atd., kde čísla označují hodnoty l a písmena s, p, d, f a dále v latině odpovídají hodnotám d = 0, 1, 2, 3, ... Počet dek. stavy s daným p a d se rovná 2 (2l+ 1) počet kombinací hodnot m l a m s. Celkový počet potápěčů. stavy s daným n se rovná 
, tj. úrovně s hodnotami n = 1, 2, 3, ... odpovídají 2, 8, 18, ..., 2n 2 dekomp. . Zavolá se úroveň, které odpovídá pouze jedna (jedna vlnová funkce). nedegenerované. Pokud úroveň odpovídá dvěma nebo více, je volána. degenerovat (viz). V atomu jsou energetické hladiny degenerované v hodnotách l a ml; degenerace v m s nastává pouze přibližně, pokud se nebere v úvahu interakce. rotující magnet moment s magnetickým pole způsobené orbitálním pohybem v el. jaderné pole (viz). To je relativistický efekt, malý ve srovnání s Coulombovou interakcí, ale je zásadně významný, protože vede k dodatečnému štěpení energetických hladin, které se projevuje v podobě tzv. jemná struktura.
Pro dané n, la m l určuje druhá mocnina modulu vlnové funkce průměrné rozdělení pro elektronový mrak v atomu. Dif. atomy se od sebe výrazně liší distribucí (obr. 2). Tedy při l = 0 (s-stavy) se liší od nuly ve středu atomu a nezávisí na směru (tj. sféricky symetrický), pro ostatní stavy je rovna nule ve středu atomu. a záleží na směru. 
Rýže. 2. Tvar elektronových mraků pro různé stavy atomu.
V multielektronových atomech vlivem vzájemné elektrostatiky. odpuzování výrazně snižuje jejich spojení s jádrem. Například energie oddělení od He + je 54,4 eV v neutrálním atomu He je mnohem méně - 24,6 eV. U těžších atomů je vazba ext. s jádrem ještě slabším. Specificita hraje důležitou roli v multielektronových atomech. , spojené s nerozlišitelností, a tím, že se podřizují, podle Krom každé z nich charakterizované čtyřmi kvantovými čísly nemůže obsahovat více než jedno. U víceelektronového atomu má smysl mluvit pouze o celém atomu jako celku. Přibližně však v tzv. V jednoelektronové aproximaci lze každý jednoelektronový stav (určitý orbital popsaný příslušnou funkcí) uvažovat samostatně a charakterizovat souborem čtyř kvantových čísel n, l, m l a m s. Kolekce 2(2l+ 1) ve stavu s daným n a l tvoří elektronový obal (také nazývaný podúroveň, podslupka); pokud jsou všechny tyto stavy obsazeny, zavolá se shell. naplněný (zavřený). Sada 2n 2 stavů se stejným n, ale různým l tvoří elektronickou vrstvu (nazývanou také hladina, shell). Pro n = 1, 2, 3, 4, ... jsou vrstvy označeny symboly K, L, M, N, ... Čísla ve skořápkách a vrstvách po úplném zaplnění jsou uvedena v tabulce: 
Mezi stacionárními stavy v atomu jsou možné. Při přechodu z vyšší energetické hladiny E i na nižší energetickou hladinu E k atom odevzdává energii (E i - E k) a při zpětném přechodu ji přijímá. Během radiačních přechodů atom emituje nebo absorbuje elektromagnetické kvantum. záření (foton). Jsou také možné, když atom během interakce dává nebo přijímá energii. s jinými částicemi, se kterými se sráží (například v) nebo je dlouhodobě vázán (v. Chemické vlastnosti jsou dány strukturou vnějších elektronových obalů atomů, ve kterých jsou vázány poměrně slabě (vazebné energie z více eV až několik desítek eV), maximální energie vazby je v uzavřeném obalu nevstupovat do chemických reakcí.
Vnitřní struktura obalů atomů, které jsou vázány mnohem pevněji (vazbová energie 10 2 -10 4 eV), se projevuje až při interakci. atomy s rychlými částicemi a vysokoenergetickými fotony. Takové interakce určit povahu rentgenových spekter a rozptyl částic (,) na atomech (viz). Hmotnost atomu určuje jeho fyzikální vlastnosti. svatý, jako impuls, kinetický. energie. Z mechanických a příbuzných mag. a elektrické momenty atomového jádra závisí na určitých jemných fyzikálních faktorech. efektů (závisí na frekvenci záření, která určuje závislost indexu lomu atomu s ním spojeného na něm. Úzká souvislost mezi optickými vlastnostmi atomu a jeho elektrickými vlastnostmi se zvláště zřetelně projevuje v optických spektrech.
===
španělština literaturu k článku "ATOM": Karapetyants M. X., Drakin S. I., Structure, 3 ed., M., 1978; Shloliekiy E.V., Atomová fyzika, 7. vydání, sv. 1-2, M., 1984. M.A. Elyashevich.
Strana "ATOM" připravené na základě materiálů.
Molekula(novolat. molekula, zkráceně z lat. moles-mass), mikročástice tvořená ze dvou nebo více atomů a schopná samostatné existence. Má konstantní složení (kvalitativní a kvantitativní) atomových jader v něm obsažených a pevný počet elektronů a má soubor vlastností, které umožňují odlišit jednu molekulu od ostatních, včetně molekul stejného složení. Molekula jako systém sestávající z interagujících elektronů a jader může být v různých stavech a přecházet z jednoho stavu do druhého nuceně (pod vlivem vnějších vlivů) nebo spontánně. Všechny molekuly daného typu se vyznačují určitým souborem stavů, který může sloužit k identifikaci molekul. Jako samostatný útvar má molekula v každém stavu určitý soubor fyzikálních vlastností, tyto vlastnosti jsou v té či oné míře zachovány při přechodu z molekul na látku z nich sestávající a určují vlastnosti této látky. Při chemických přeměnách si molekuly jedné látky vyměňují atomy s molekulami jiné látky, rozpadají se na molekuly s menším počtem atomů a také vstupují do jiných typů chemických reakcí. Chemie proto studuje látky a jejich přeměny v nerozlučné souvislosti se strukturou a stavem molekul
Molekula je typicky elektricky neutrální částice; nese-li molekula elektrický náboj (kladný nebo záporný), pak hovoříme o molekulárních iontech (kationtech, resp. aniontech). V látce kladné ionty vždy koexistují s negativními. Molekuly, které jsou ve stavech s mnohostí odlišnou od jednoty (obvykle ve stavech dubletu), se nazývají radikály. Volné radikály za normálních podmínek zpravidla nemohou existovat po dlouhou dobu. Jsou však známy volné radikály poměrně složité struktury, které jsou zcela stabilní a mohou existovat za normálních podmínek.
Na základě počtu atomových jader obsažených v molekule se molekuly rozlišují na dvouatomové, tříatomové atd. Pokud počet atomů v molekule překročí stovky a tisíce, nazývá se molekula makromolekula. Za molekulovou hmotnost se považuje součet hmotností všech atomů, které tvoří molekulu (viz též Molekulová hmotnost polymeru. Distribuce molekulové hmotnosti). Na základě molekulové hmotnosti se všechny látky konvenčně dělí na nízko a vysokomolekulární.
Atom(ze starořec. ἄτομος - nedělitelný) - částice látky mikroskopické velikosti a hmotnosti, nejmenší část chemického prvku, který je nositelem jeho vlastností.
Myšlenka atomů jako nedělitelných nejmenších částic hmoty vznikla ve starověku, ale teprve v 18. století byla prostřednictvím prací A. Lavoisiera, M.V. Lomonosova a dalších vědců prokázána realita existence atomů.
Obecná charakteristika struktury atomu. Atom se skládá z kladně nabitého jádra obklopeného oblakem záporně nabitých elektronů. Rozměry atomu jako celku jsou určeny rozměry jeho elektronového oblaku a jsou velké ve srovnání s rozměry atomového jádra (lineární rozměry atomu jsou ~ 10~8 cm, jeho jádro ~ 10" -10" 13 cm). Elektronový mrak atomu nemá přesně definované hranice, takže znamená velikost atomu. stupně jsou libovolné a závisí na metodách jejich stanovení (viz Atomové poloměry). Jádro atomu sestává z protonů Z a N neutronů držených pohromadě jadernými silami (viz atomové jádro). Pozitivní protonový náboj a zápor. náboj elektronu je v absolutních hodnotách stejný. velikost a jsou rovny e = 1,60*10-19 C; neutron nemá elektřinu. nabít. Jaderný náboj +Ze - zákl. charakteristika atomu, která určuje jeho příslušnost k určité chemické látce. živel. Sériové číslo prvku v periodickém období. periodický systém (atomové číslo) se rovná počtu protonů v jádře.
V elektricky neutrálním atomu se počet elektronů v oblaku rovná počtu protonů v jádře. Za určitých podmínek však může ztrácet nebo získávat elektrony, otáčení, resp. v pozitivním nebo popřít. iont, např. Li+, Li2+ nebo O-, O2-. Když mluvíme o atomech určitého prvku, máme na mysli jak neutrální atomy, tak ionty tohoto prvku.
Struktura a vlastnosti atomulátek. Chem. Svatí jsou určováni strukturou exteriéru. elektronové obaly atomů, ve kterých jsou elektrony vázány relativně slabě (vazebné energie od několika eV do několika desítek eV). Vnější struktura obaly chemických atomů. prvky jedné skupiny (nebo podskupiny) periodika. systémy jsou podobné, což určuje podobnost chemických látek. St. v těchto prvcích (1) S nárůstem počtu elektronů v plnicím obalu se zpravidla zvyšuje jejich vazebná energie; max. elektrony v uzavřeném obalu mají vazebnou energii. Tedy atomy s jedním nebo více. elektrony v částečně zaplněném ext. skořápka je dána chemikálii. r-tions. Atomy, na Krymu chybí jeden nebo více. elektrony pro tvorbu uzavřeného vněj. skořápky je obvykle přijímají. Atomy vzácných plynů s uzavřeným vnějším skořápky, za normálních podmínek nevstupují do chemických reakcí. r-tions.
Vnitřní struktura obaly atomů, jejichž elektrony jsou vázány mnohem pevněji (vazbová energie 10 2 -10 4 eV), se objevuje až při interakci. atomy s rychlými částicemi a vysokoenergetickými fotony. Takové interakce určit povahu rentgenových spekter a rozptyl částic (elektronů, neutronů) na atomech (viz Difrakční metody). Hmotnost atomu určuje jeho fyzikální vlastnosti. svatý, jako impuls, kinetický. energie. Z mechanických a příbuzných mag. a elektrické momenty atomového jádra závisí na určitých jemných fyzikálních faktorech. efekty (NMR, NQR, hyperjemná struktura spektrálních čar, viz Spektroskopie).
1 poznámka pod čarou: Elektronvolt(zřídka elektronvolt; ruské označení: eV, mezinárodní: eV) - mimosystémová jednotka energie využívaná v atomové a jaderné fyzice, ve fyzice elementárních částic a v blízkých a příbuzných vědních oborech (biofyzika, fyzikální chemie, astrofyzika atd.). V Ruské federaci je elektronvolt schválen pro použití jako jednotka mimo systém bez časového omezení rozsahu aplikace.
Jaderný model atomu
Na počátku 20. století byly v důsledku studia katodových paprsků objeveny negativní částice - elektrony s nábojem 1,6. 10‾ 19 C, hmotnost 9.11. 10‾ 31 kg, otevřené rentgenové elektromagnetické záření. Po shrnutí těchto objevů navrhl J. Thomson v roce 1897 svůj model atomu - jde o kladně nabitou kouli, ve které jsou rozptýleny záporné elektrony (jako rozinky v pudinku). Pokud je tento model správný, pak je kovová fólie filmem kladné elektřiny obsahující elektrony a proud α-částic by jím měl snadno proniknout beze změny směru.
V roce 1909 zaměstnanci angl. vědec E. Rutherford to prověřil. 1 ze 100 000 α-částic se při průchodu zlatou fólií rozptýlila ve velkých úhlech a dokonce se otočila zpět. Při analýze výsledků experimentu Rutherford dospěl k závěru, že hmotnost a náboj atomu jsou soustředěny v malé části objemu zvaného jádro. Ty a-částice, které se srazí s jádry, jsou odmítnuty. Většina částic α prochází prostorem mezi jádry. Model atomové struktury navržený E. Rutherfordem připomínal sluneční soustavu. Říká se tomu planetární model. Podle ní je ve středu atomu kladné jádro, ve kterém je soustředěna veškerá hmotnost atomu. Elektrony se pohybují kolem jádra po kruhových drahách. Náboj jádra a počet elektronů jsou stejné, tzn. atom je neutrální částice.
V roce 1913 Anglický fyzik Moseley změřil vlnové délky rentgenového záření emitovaného různými kovy v katodové trubici a vynesl do grafu závislost převrácené druhé odmocniny vlnové délky rentgenového záření na atomovém čísle prvku. Tento graf (obr. 1) ukazuje, že sériové číslo odráží některé důležité vlastnosti prvku. Moseley navrhl, že touto charakteristikou byl náboj na jádře atomu a že se zvýšil o jednu při pohybu od jednoho prvku k dalšímu v pořadí. Nazval atomové číslo atomovým číslem - Z.
Moseleyho zákon:
Druhá odmocnina převrácené hodnoty vlnové délky rentgenového záření emitovaného atomy různých prvků je lineárně závislá na atomovém čísle prvku.
Jde o zákon, který dává do souvislosti frekvenci spektrálních čar charakteristického rentgenového záření atomu chemického prvku s jeho atomovým číslem.
kde je vlnová délka, A- konstantní hodnota, Z– sériové číslo prvku (jaderné nálože).
Později se ukázalo, že atomové číslo se rovná počtu protonů v jádře. Atomové číslo se tedy rovná náboji jádra a také určuje přítomnost protonů (kladných částic) v něm. A protože atomy jsou neutrální, počet elektronů v atomu se musí rovnat počtu protonů. Ukázalo se však, že hmotnosti atomů jsou větší než celková hmotnost protonů. K vysvětlení přebytečné hmoty byla navržena existence neutronů. Tyto částice by měly mít stejnou hmotnost jako proton, ale nulový náboj (1,675 - 10 - 27 kg). Neutron objevil Rutherfordův spolupracovník Chadwig v roce 1932. Nakonec se zjistilo, že atom se skládá z jádra a elektronů a jádra z protonů a neutronů. Jejich součet se nazývá nukleončíslo popř masivní - A.
A= Z+ N,
Z- počet protonů, N- počet neutronů.
Atomy s různým počtem protonů ( Z) a neutrony ( N), ale se stejným počtem nukleonů A, volal izobary . Například,
Izotopy – atomy se stejným počtem protonů ( Z), ale s různým počtem nukleonů
Izotony – atomy se stejným počtem neutronů ( N)
Zlomkové hodnoty atomových hmotností v periodické tabulce jsou tedy vysvětleny přítomností izotopů pro stejný prvek.
Atomové jádro- centrální část atomu, ve které je soustředěna převážná část jeho hmoty (více než 99,9 %). Jádro je kladně nabité; náboj jádra je určen chemickým prvkem, ke kterému je atom přiřazen. Rozměry jader různých atomů jsou několik femtometrů, což je více než 10 tisíckrát menší než velikost samotného atomu.
Spektrální čára- vlastnost části spektra vyjádřená lokálním zvýšením (světlo, emisní čáry, spektrální maxima) nebo snížením (tmavé čáry, absorpční čáry, spektrální minima) úrovně signálu.
Zbytková intenzita nazývá se zesílení/útlum záření ve spektrální čáře ve srovnání se spojitým spektrem.
Funkce charakterizující závislost zbytkové intenzity na frekvenci se nazývá čárový profil.
Rentgenové záření- elektromagnetické vlnění, jehož energie fotonů leží na stupnici elektromagnetických vln mezi ultrafialovým zářením a zářením gama, což odpovídá vlnovým délkám od 10 −2 do 10 2 Å (od 10 −12 do 10 −8 m).
Foton(ze starořeckého φῶς, nativní pad. φωτός, „světlo“) - elementární částice, kvantum elektromagnetického záření (v úzkém smyslu světla). Je to bezhmotná částice, schopná existovat ve vakuu pouze tím, že se pohybuje rychlostí světla.
Prostý fakt, že vše kolem nás se skládá z drobných částic hmoty – molekul a atomů – má ve skutečnosti obrovskou vědeckou sílu. Již z tohoto tvrzení lze odvodit velké množství důsledků, které poskytují kvalitativní vysvětlení mnoha fyzikálních jevů. Pokud by lidstvo náhle „zapomnělo“ na všechny přírodovědné poznatky nashromážděné po mnoho staletí, pak by lpěním pouze na této skutečnosti a pomocí vědecké metody mohlo velmi rychle obnovit základy mnoha odvětví fyziky a chemie.
Děti se na základní škole učí o atomové struktuře hmoty. Ale atomy nejsou viditelné ani okem, ani optickým mikroskopem. Navíc při běžných experimentech s hmotou, kdy měříme různé charakteristiky hmoty ( hustota, tepelná kapacita, specifické teplo tání a vypařování, viskozita, povrchové napětí kapaliny a tak dále), možná nás ani nenapadne přemýšlet o tom, že se skládá z jednotlivých částic. Moderní fyzika samozřejmě umožňuje „vidět“ jednotlivé atomy pomocí sofistikovaných přístrojů. Vyvstává však otázka: existuje nějaký jednoduchý způsob, jak určit typickou velikost molekul, aniž bychom se uchýlili k takové technice? Ukazuje se, že ano.
Úkol
Vyzbrojeni pouze skutečností, že vše je vyrobeno z atomů, odhadněte velikost molekuly vody na základě (některých) makroskopických charakteristik uvedených výše. Číselné hodnoty těchto parametrů pro vodu lze snadno najít v referenčních knihách nebo na internetu.
Vodítko
Okamžitě stojí za to zdůraznit, že řešení, která se spoléhají na Avogadroovo číslo nebo na vlastnosti jednotlivých molekul, jsou „podvodná“, protože již implicitně využívají velikost molekul. Například požadovaný odhad lze snadno získat z hustoty a molární hmotnosti vody a Avogadrova čísla. Avogadrovo číslo, které spojuje mikrosvět s makrokosmem a „ví“ o velikostech atomů, se však neobjevuje v čistě makroskopickém experimentu a samo vyžaduje experimentální měření.
Navrhuje se odhadnout velikost atomů (samozřejmě ne přesně, ale pouze řádově) na základě konkrétně makroskopických charakteristik látky.
Řešení
Molekulová velikost může být odvozena z hustoty, koeficientu povrchového napětí a specifického výparného tepla. Udělejme to dvěma způsoby.
Metoda 1. Kapalina se skládá z molekul, ale zároveň si zachovává svůj objem a nerozpadá se na jednotlivé částice jako plyn. To zaprvé znamená, že molekuly v kapalině jsou vůči sobě udržovány v určité vzdálenosti, řádově rovnající se průměru molekuly samotné ( d), a za druhé, že každá párová interakce mezi molekulami je charakterizována určitou vazebnou energií ( U). Množství d A U- mikroskopické, neznáme předem jejich číselné hodnoty.
Při odpařování se kapalina mění ve zředěný plyn, ve kterém lze všechny vazby mezi všemi molekulami považovat za přerušené. Měrné výparné teplo E, měřeno v J/kg, je jednoduše součet všech intermolekulárních vazebných energií, které byly původně přítomny v kilogramu vody. Vynásobením měrného tepla vypařování hustotou ρ a (zatím neznámým) objemem obsazeným jednou molekulou (řádově d 3), získáme energii vazby na molekulu. Tato hodnota je 2–3krát vyšší U- vždyť každá molekula je obvykle spojena s několika (4–6) sousedy: Eρ d 3 = 2U.
Na druhé straně jev povrchového napětí spočívá v tom, že jakýkoli volný povrch kapaliny je charakterizován „extra“ energií úměrnou ploše povrchu: E povrch = σ S. Tuto energii lze snadno experimentálně změřit a z toho odvodit koeficient povrchového napětí σ. Mikroskopicky tato energie vzniká díky tomu, že v samotné povrchové vrstvě kapaliny jsou molekuly s „přerušenými vazbami“, tedy s vazbami, které trčí do prázdna a nejsou uzavřeny se sousedními molekulami. Takových vazeb je málo, řekněme jedna pro každou molekulu, a energie této „nepracovní vazby“ je přibližně rovna U. Protože každá povrchová molekula zabírá plochu přibližně d 2, stejná hodnota U lze zapsat jako σ d 2 .
Vyrovnání velikosti U získanou těmito dvěma metodami zjistíme typickou velikost: d= 2σ/ Eρ.
Metoda 2. Vezměte kulovou kapku tekutiny a rozdělte ji na dvě kapky. Celkový objem se nezměnil, ale zvětšil se povrch, což znamená, že se zvýšila i energie povrchového napětí. Proto na takové oddělení potřebujeme vynaložit energii rovnou rozdílu mezi povrchovými energiemi na začátku a na konci. Kapku budeme drtit dál a dál, dokud nedosáhneme „kapek“ velikosti molekuly. Přísně vzato, s takovými rozměry se již nedá mluvit o povrchovém napětí, ale pro nejhrubší odhady lze přesto vypočítat výslednou „celkovou plochu povrchu“, vynásobit ji σ a zjistit, kolik energie je třeba vynaložit na takovou separaci. Ale rozdělení kapaliny na jednotlivé „kapky“ o velikosti molekuly je procesem odpařování. Tímto způsobem můžete také získat vzorec podobný výše uvedenému, ale pouze s mírně odlišným číselným koeficientem.
Zbývá pouze dosadit čísla. Hustota vody je 1000 kg/m3, koeficient povrchového napětí 0,07 J/m2, měrné skupenské teplo výparu 2,3 MJ/kg. Od toho se odvíjí velikost molekuly 0,6·10 –10 m. To je asi 3x menší než skutečná velikost molekuly, což není na tak hrubý odhad špatné.
Doslov
To samozřejmě není jediný způsob, jak určit velikost molekul na základě makroskopických dat, ale všechny takové metody poskytují pouze velmi hrubý odhad v řádu velikosti. Rozměry lze mnohem přesněji měřit rozptylem rentgenového záření (a také elektronů nebo neutronů) o vlnové délce menší než nanometr na krystalech. Difrakční obrazec ukazuje nejen rozměry krystalové buňky, ale také říká, jak jsou atomy v ní umístěny vůči sobě navzájem.
Je zajímavé, že na počátku 20. století se ne všichni vědci drželi atomového obrazu struktury hmoty. Klíčové body, které prokázaly realitu molekul, byly Einsteinův popis Brownova pohybu a zákon difúze, stejně jako Perrinův objev sedimentační rovnováhy (Nobelova cena za fyziku za rok 1926). V obou experimentech se mikroskopicky částice hmoty, jejichž velikost bylo možné určit pozorováním pod mikroskopem, chovaly poněkud podobně jako jednotlivé molekuly hmoty, což umožnilo „stavět mosty“ mezi mikrokosmem a světem každodenních jevů. .
Atomy nemají jasně definovanou vnější hranici, takže jejich velikosti jsou určeny vzdáleností mezi jádry sousedních atomů, které vytvořily chemickou vazbu. Poloměr závisí na poloze atomu, jeho typu, typu chemické vazby, počtu blízkých atomů (koordinační číslo) a kvantově mechanické vlastnosti známé jako spin. V periodické tabulce prvků se velikost atomu zvětšuje, když se pohybujete po sloupci dolů, a zmenšuje se, když se pohybujete o řádek dolů zleva doprava. V souladu s tím je nejmenší atom atom helia, který má poloměr 32 pm, a největší je atom cesia (225 pm).
Atom je jedinečná částice vesmíru. Tento článek se pokusí zprostředkovat čtenáři informace o tomto prvku hmoty. Zde budeme zvažovat následující otázky: jaký je průměr atomu a jeho rozměry, jaké má kvalitativní parametry, jaká je jeho role ve vesmíru.
Úvod do atomu
Atom je složená částice látek, která má mikroskopickou velikost a hmotnost. Jedná se o nejmenší část prvků chemické povahy s neuvěřitelně malou velikostí a hmotností.
Atomy se skládají ze dvou hlavních strukturních prvků, a to elektronů a atomového jádra, které je zase tvořeno protony a neutrony. Počet protonů se může lišit od počtu neutronů. V chemii i fyzice se atomy, ve kterých je počet protonů srovnatelný s počtem elektronů, nazývají elektricky neutrální. Pokud je počet elektronů vyšší nebo nižší než počet protonů, pak se atom, který získá kladný nebo záporný náboj, stává iontem.
Historická data
Díky úspěchům vědy v oblasti fyziky a chemie bylo učiněno mnoho objevů týkajících se povahy atomu, jeho struktury a schopností. Bylo provedeno mnoho experimentů a výpočtů, během kterých byl člověk schopen odpovědět na následující otázky: jaký je průměr atomu, jeho velikost a mnoho dalšího.
Pojem atom byl poprvé objeven a formulován filozofy starověkého Řecka a Říma. V 17. a 18. století byli chemici schopni pomocí experimentů prokázat myšlenku atomu jako nejmenší částice hmoty. Ukázali, že řadu látek lze chemickými metodami opakovaně odbourávat. Pozdější subatomární částice objevené fyziky však ukázaly, že i atom lze rozdělit a je sestaven ze subatomárních složek.
Mezinárodní kongres chemických vědců v Karlsruhe v Německu v roce 1860 rozhodl o konceptu atomů a molekul, kde atom je považován za nejmenší část chemických prvků. Následně je také součástí látek jednoduchých i složitých typů.
Průměr atomu vodíku byl jedním z prvních, který byl studován. Jeho výpočty však byly provedeny mnohokrát a poslední z nich, zveřejněný v roce 2010, ukázal, že je to o 4 % méně, než se dříve předpokládalo (10 -8). Index celkové velikosti atomového jádra odpovídá číslu 10 -13 -10 -12 a řádová velikost celého průměru je 10 -8. To způsobilo mnoho rozporů a problémů, protože vodík sám o sobě právem patří k hlavním složkám celého pozorovatelného vesmíru a taková nekonzistence si vynucuje mnoho přepočtů ve vztahu k zásadním tvrzením.
Atom a jeho model
V současné době je známo pět hlavních modelů atomu, které se mezi sebou liší především časovým rámcem a představami o jeho struktuře. Podívejme se přímo na modely:
- Na kusech, které tvoří, záleží. Democritus věřil, že jakákoliv vlastnost látek by měla být určena jejím tvarem, hmotností a dalšími řadami praktických charakteristik. Oheň může například hořet, protože jeho atomy jsou ostré. Podle Démokrita je i duše tvořena atomy.
- Thomsonův atomový model, vytvořený v roce 1904 samotným J. J. Thomsonem. Navrhl, že atom lze brát jako kladně nabité tělo obsažené v elektronech.
- Raný model planetárního atomu Nagaoky, vytvořený v roce 1904, věřil, že struktura atomu je podobná struktuře Saturnu. Jádro je malé velikosti a má kladný nábojový index, obklopené elektrony, které se pohybují kolem prstenců.
- Atomový planetární model objevený Bohrem a Rutherfordem. V roce 1911 E. Rutherford po provedení řady experimentů začal věřit, že atom je podobný planetárnímu systému, kde elektrony mají oběžné dráhy, po kterých se pohybují kolem jádra. Tento předpoklad však odporoval údajům klasické elektrodynamiky. Aby dokázal platnost této teorie, Niels Bohr zavedl koncept postulátů, které tvrdí a ukazují, že elektron nepotřebuje vynakládat energii, protože je v určitém, speciálním energetickém stavu. Studium atomu později vedlo ke vzniku kvantové mechaniky, která dokázala vysvětlit mnohé z pozorovaných rozporů.
- Kvantově mechanický atomový model uvádí, že centrální jádro dotyčné částice se skládá z jádra vytvořeného z protonů, stejně jako z neutronů a elektronů, které se kolem něj pohybují.
Strukturální vlastnosti
Velikost atomu dříve určovala, že jde o nedělitelnou částici. Mnoho testů a experimentů nám však ukázalo, že je postaven ze subatomárních částic. Jakýkoli atom se skládá z elektronů, protonů a neutronů, s výjimkou vodíku - 1, který nezahrnuje druhý.
Standardní model ukazuje, že protony a neutrony se tvoří prostřednictvím interakcí mezi kvarky. Patří mezi fermiony spolu s leptony. V současné době existuje 6 typů kvarků. Protony vděčí za svůj vznik dvěma u-kvarkům a jednomu d-kvarku a neutron - jednomu u-kvarku a dvěma d-kvarkům. Silná jaderná síla, která váže kvarky, se přenáší prostřednictvím gluonů.
Pohyb elektronů v atomovém prostoru je určen jejich „touhou“ být blíže k jádru, jinými slovy být přitahován, a také coulombovskými silami interakce mezi nimi. Tyto stejné typy sil drží každý elektron v potenciální bariéře obklopující jádro. Dráha pohybu elektronů určuje průměr atomu, který se rovná přímce procházející z jednoho bodu v kruhu do druhého a také středem.
Atom má svůj spin, který je reprezentován svou vlastní hybností a leží mimo chápání obecné povahy hmoty. Popsáno pomocí kvantové mechaniky.
Rozměry a hmotnost
Každé atomové jádro se stejným počtem protonů patří společnému chemickému prvku. Izotopy zahrnují zástupce atomů stejného prvku, ale mají rozdíl v množství neutronů.
Protože ve fyzice struktura atomu naznačuje, že většinu jejich hmoty tvoří protony a neutrony, má celkové množství těchto částic hmotnostní číslo. K vyjádření atomové hmotnosti ve stavu klidu dochází pomocí jednotek atomové hmotnosti (am.m.u.), které se jinak nazývají daltony (Da).
Velikost atomu nemá jasně definované hranice. Proto se určuje měřením vzdálenosti mezi jádry stejného typu atomů, které jsou na sebe chemicky vázány. Jiná metoda měření je možná výpočtem doby trvání cesty od jádra k další dostupné elektronové oběžné dráze stabilního typu. Periodická tabulka prvků od D.I. Mendělejeva uspořádává atomy ve velikosti, od nejmenšího k největšímu, ve směru sloupce shora dolů, pohyb zleva doprava je také založen na zmenšování jejich velikosti.
Doba rozpadu
Všechny chem. prvky mají izotopy jedna a vyšší. Obsahují nestabilní jádro, které podléhá radioaktivnímu rozpadu, jehož výsledkem je emise částic nebo elektromagnetického záření. Radioaktivní je izotop, jehož silný interakční poloměr přesahuje nejvzdálenější body jeho průměru. Pokud vezmeme v úvahu příklad aurum, pak izotopem bude atom Au, za jehož průměrem vyzařující částice „létají“ ve všech směrech. Zpočátku průměr atomu zlata odpovídá hodnotě dvou poloměrů, z nichž každý je roven 144 pc, a částice přesahující tuto vzdálenost od jádra budou považovány za izotopy. Existují tři typy rozpadu: záření alfa, beta a gama.
Pojem valence a přítomnost energetických hladin
Už jsme se seznámili s odpověďmi na takové otázky: jaký je průměr atomu, jeho velikost, seznámili jsme se s pojmem atomový rozpad atd. Kromě toho však existují i takové charakteristiky atomů jako velikost energetických hladin a valence.
Elektrony pohybující se kolem atomového jádra mají potenciální energii a jsou ve vázaném stavu umístěném na excitované úrovni. Podle kvantového modelu zabírá elektron pouze diskrétní počet energetických hladin.
Valence je obecná schopnost atomů, které mají na svém elektronovém obalu volný prostor, vytvářet vazby chemického typu s jinými atomovými jednotkami. Navázáním chemických vazeb se atomy snaží vyplnit svou vrstvu vnějšího valenčního obalu.
Ionizace
Vlivem vysoké hodnoty napětí na atom může dojít k jeho nevratné deformaci, která je doprovázena oddělením elektroniky.
To má za následek ionizaci atomů, při které se vzdávají elektronu(ů) a procházejí přeměnou ze stabilního stavu na ionty s kladným nábojem, jinak známé jako kationty. Tento proces vyžaduje určitou energii, která se nazývá ionizační potenciál.
Shrnutí
Studium otázek o struktuře, interakčních vlastnostech, kvalitativních parametrech, jaký je průměr atomu a jaké má rozměry, to vše umožnilo lidské mysli vykonávat neuvěřitelnou práci, což pomáhá lépe pochopit a pochopit strukturu veškeré hmoty kolem nás. . Tyto stejné otázky umožnily člověku objevit koncepty elektronegativity atomu, jeho rozptýlené přitažlivosti, valenčních možností, určit dobu trvání radioaktivního rozpadu a mnoho dalšího.
Podívejme se na další aplikaci principu neurčitosti (38.3), ale prosím, neberte tento výpočet příliš doslovně; obecná myšlenka je správná, ale analýza nebyla provedena příliš pečlivě. Tato myšlenka se týká určení velikosti atomů; vždyť podle klasických názorů by elektrony měly vyzařovat světlo a spirálovitě rotující dopadat na povrch jádra. To je ale podle kvantové mechaniky nemožné, protože jinak bychom věděli, kde elektron skončil a jak rychle se točil.
Řekněme, že existuje atom vodíku a změříme polohu elektronu; nesmíme být schopni přesně předpovědět, kde to skončí, jinak bude šíření hybnosti nekonečné. Pokaždé, když se podíváme na elektron, někde skončí; má amplitudu pravděpodobnosti, že se bude nacházet na různých místech, takže existuje pravděpodobnost, že ji najdeme kdekoli. Ne všechna tato místa však musí být v blízkosti samotného jádra; Předpokládejme, že existuje rozptyl ve vzdálenostech řádově , tj. vzdálenost od jádra k elektronu je v průměru přibližně rovna . Pojďme určit , vyžadující, aby celková energie atomu byla minimální.
Rozpětí v impulsech by podle vztahu nejistoty mělo být přibližně rovné ; Pokusíme-li se tedy nějak změřit hybnost elektronu (například rozptylováním fotonů na něm a sledováním Dopplerova jevu z pohybujícího se rozptylovače), nedostaneme celou dobu nulu (elektron nestojí na místě), ale obdrží hybnost řádu . Kinetická energie elektronů bude přibližně rovna . (To, co nyní děláme, je v jistém smyslu rozměrová analýza: odhadujeme, jak může kinetická energie záviset na Planckově konstantě, hmotnosti a velikosti atomu. Odpověď je získána až numerickými faktory jako ; atd. Dokonce jsme ani nedefinovali správně Dále, potenciální energie je rovna kvocientu mínus ve vzdálenosti od středu, řekněme, (jak si pamatujeme, je to druhá mocnina náboje elektronu dělená ). Nyní se podívejte: když se snižuje, snižuje se také potenciální energie, ale čím méně, tím větší impuls vyžaduje princip neurčitosti a tím větší je kinetická energie. Celková energie je
(38.10)
Nevíme, co se rovná , ale víme, že atom zajišťující svou existenci je nucen udělat kompromis, aby jeho celková energie byla co nejnižší. Abychom našli minimum, diferencujeme ho s ohledem na , vyžadujeme, aby se derivace rovnala nule a najdi . Derivace se rovná
(38.11)
Rovnice udává množství
(38.12)
Tato vzdálenost se nazývá Bohrův poloměr a vidíme, že rozměry atomu jsou v řádu angstromu. Číslo se ukázalo jako správné. To je velmi dobré, je to dokonce překvapivě dobré, protože až dosud jsme neměli žádné teoretické úvahy o velikosti atomu. Z klasického hlediska jsou atomy prostě nemožné: elektrony musí dopadat na jádra. Dosazením vzorce (38.12) za (38.10) najdeme energii. Ukazuje se, že je rovnocenná
(38.(3)
Co znamená negativní energie? A faktem je, že když je elektron v atomu, má méně energie, než když je volný. Jinými slovy, v atomu je vázán. A vytrhnout jej z atomu vyžaduje energii; k ionizaci atomu vodíku je potřeba energie. Je samozřejmě možné, že to bude vyžadovat dvakrát nebo třikrát tolik energie, nebo dokonce i méně, protože naše výpočty byly velmi nedbalé. My jsme však podváděli a zvolili všechny konstanty tak, aby výsledek byl naprosto správný! Tato veličina se nazývá Rydbergova energie; To je ionizační energie vodíku.
Teprve teď je jasné, proč nepropadneme podlahou. Když jdeme, celá hmota atomů našich bot je odpuzována od podlahy, od celé hmoty jejích atomů. Atomy se drtí, elektrony jsou nuceny shlukovat se do menšího objemu a podle principu neurčitosti se jejich hybnost v průměru zvyšuje a zvýšení hybnosti znamená nárůst energie. Odolnost atomů vůči stlačení není klasický, ale kvantově mechanický efekt. Podle klasických koncepcí by se dalo očekávat, že jak se elektrony a protony přibližují k sobě, energie se bude snižovat; Nejvýhodnější uspořádání kladných a záporných nábojů v klasické fyzice je, když sedí na sobě. To bylo dobře známé klasické fyzice a představovalo to tajemství: atomy stále existovaly! Vědci samozřejmě již tehdy přišli s různými způsoby, jak se dostat ze slepé uličky, ale správná (doufejme!) metoda se stala známou pouze nám!
Mimochodem, když je kolem jádra hodně elektronů, snaží se také držet od sebe dál. Důvod vám zatím není jasný, ale je fakt, že když jeden elektron obsadí určité místo, tak jiný už toto místo neobsadí. Přesněji řečeno, díky existenci dvou směrů rotace mohou tyto elektrony sedět na sobě a rotovat: jeden v jednom směru, druhý v druhém. Na toto místo ale nebudete moci umístit žádnou třetí osobu. Musíte je umístit na nová místa, a to je skutečný důvod, proč má látka pružnost. Pokud by bylo možné umístit všechny elektrony na jedno místo, hmota by byla ještě hustší než obvykle. A právě proto, že elektrony na sobě nemohou sedět, existují stoly a další pevné předměty.
Je tedy přirozené, že chceme-li porozumět vlastnostem hmoty, musíme použít kvantovou mechaniku; klasický na to zjevně nestačí.
