Bir atom ne yapabilir? Atomik kabuk nasıl yapılandırılmıştır? Atomik yapı modelleri

Atomun bileşimi.

Bir atom oluşur atom çekirdeği Ve elektron kabuğu.

Bir atomun çekirdeği protonlardan oluşur ( p+) ve nötronlar ( N 0). Çoğu hidrojen atomunun bir protondan oluşan bir çekirdeği vardır.

Proton sayısı N(p+) nükleer yüke eşittir ( Z) ve doğal element serisindeki (ve elementlerin periyodik tablosundaki) elementin sıra numarası.

N(P +) = Z

Nötronların toplamı N(N 0), yalnızca harfle gösterilir N ve proton sayısı Z isminde kütle Numarası ve harfle belirtilir A.

A = Z + N

Bir atomun elektron kabuğu, çekirdeğin etrafında hareket eden elektronlardan oluşur ( e -).

Elektron sayısı N(e-) nötr bir atomun elektron kabuğundaki proton sayısına eşittir Z onun çekirdeğinde.

Bir protonun kütlesi yaklaşık olarak bir nötronun kütlesine eşittir ve bir elektronun kütlesinin 1840 katıdır, yani bir atomun kütlesi neredeyse çekirdeğin kütlesine eşittir.

Atomun şekli küreseldir. Çekirdeğin yarıçapı atomun yarıçapından yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür.

Kimyasal element- aynı nükleer yüke sahip (çekirdeğinde aynı sayıda proton bulunan) atom türü (atom topluluğu).

İzotop- Çekirdeğinde aynı sayıda nötron bulunan aynı elementin atomlarından oluşan bir koleksiyon (veya çekirdeğinde aynı sayıda proton ve aynı sayıda nötron bulunan bir atom türü).

Farklı izotoplar, atomlarının çekirdeğindeki nötron sayısında birbirinden farklılık gösterir.

Tek bir atomun veya izotopun tanımı: (E - element sembolü), örneğin: .

Bir atomun elektron kabuğunun yapısı

Atomik yörünge- Bir atomdaki elektronun durumu. Yörüngenin simgesidir. Her yörüngenin karşılık gelen bir elektron bulutu vardır.

Temel (uyarılmamış) durumdaki gerçek atomların yörüngeleri dört türdendir: S, P, D Ve F.

Elektronik bulut- yüzde 90 (veya daha fazla) olasılıkla bir elektronun bulunabileceği uzay kısmı.

Not: Bazen “atomik yörünge” ve “elektron bulutu” kavramları birbirinden ayırt edilmez ve her ikisine de “atomik yörünge” denir.

Bir atomun elektron kabuğu katmanlıdır. Elektronik katman aynı büyüklükteki elektron bulutlarından oluşur. Bir katman formunun yörüngeleri elektronik ("enerji") seviyesi, enerjileri hidrojen atomu için aynı, ancak diğer atomlar için farklıdır.

Aynı türdeki yörüngeler gruplandırılır. elektronik (enerji) alt seviyeler:
S-alt düzey (birinden oluşur S-orbitaller), sembol - .
P-alt düzey (üçten oluşur) P
D-alt seviye (beşten oluşur) D-orbitaller), sembol - .
F-alt düzey (yediden oluşur) F-orbitaller), sembol - .

Aynı alt seviyedeki yörüngelerin enerjileri aynıdır.

Alt seviyeleri belirlerken, alt seviye sembolüne katman numarası (elektronik seviye) eklenir, örneğin: 2 S, 3P, 5D araç S-ikinci seviyenin alt seviyesi, P-üçüncü seviyenin alt seviyesi, D-beşinci seviyenin alt seviyesi.

Bir seviyedeki alt seviyelerin toplam sayısı seviye numarasına eşittir N. Bir seviyedeki toplam yörünge sayısı eşittir N 2. Buna göre bir katmandaki toplam bulut sayısı da şuna eşittir: N 2 .

Tanımlar: - serbest yörünge (elektronsuz), - eşlenmemiş elektronlu yörünge, - elektron çiftli yörünge (iki elektronlu).

Elektronların bir atomun yörüngelerini doldurma sırası üç doğa kanunu tarafından belirlenir (formülasyonlar basitleştirilmiş terimlerle verilmiştir):

1. En az enerji ilkesi: Elektronlar, yörüngelerin enerjisini artan sıraya göre doldurur.

2. Pauli ilkesi: Bir yörüngede ikiden fazla elektron bulunamaz.

3. Hund kuralı - bir alt seviyede, elektronlar önce boş yörüngeleri doldurur (birer birer) ve ancak bundan sonra elektron çiftleri oluştururlar.

Elektronik seviyedeki (veya elektron katmanındaki) toplam elektron sayısı 2'dir N 2 .

Alt seviyelerin enerjiye göre dağılımı şu şekilde ifade edilir (artan enerji sırasına göre):

1S, 2S, 2P, 3S, 3P, 4S, 3D, 4P, 5S, 4D, 5P, 6S, 4F, 5D, 6P, 7S, 5F, 6D, 7P ...

Bu dizi bir enerji diyagramıyla açıkça ifade edilir:

Bir atomun elektronlarının seviyeler, alt seviyeler ve yörüngeler arasındaki dağılımı (bir atomun elektronik konfigürasyonu), bir elektron formülü, bir enerji diyagramı veya daha basit bir şekilde elektron katmanlarının bir diyagramı ("elektron diyagramı") olarak gösterilebilir.

Atomların elektronik yapısına örnekler:

Değerlik elektronları- kimyasal bağların oluşumunda rol alabilen bir atomun elektronları. Herhangi bir atom için, bunların tümü dış elektronlar artı enerjisi dıştakilerden daha büyük olan ön-dış elektronlardır. Örneğin: Ca atomunun 4 dış elektronu vardır S 2, bunlar aynı zamanda değerliktir; Fe atomunun 4 dış elektronu vardır S 2 ama 3'ü var D 6, dolayısıyla demir atomunun 8 değerlik elektronu vardır. Kalsiyum atomunun değerlik elektronik formülü 4'tür S 2 ve demir atomları - 4 S 2 3D 6 .

Periyodik tablo kimyasal elementler D. I. Mendeleev
(kimyasal elementlerin doğal sistemi)

Kimyasal elementlerin periyodik kanunu(modern formülasyon): kimyasal elementlerin özellikleri ve bunların oluşturduğu basit ve karmaşık maddeler periyodik olarak atom çekirdeğinin yükünün değerine bağlıdır.

Periyodik tablo- periyodik yasanın grafik ifadesi.

Doğal dizi kimyasal elementler- Atomlarının çekirdeklerindeki artan proton sayısına göre veya aynı şekilde bu atomların çekirdeklerinin artan yüklerine göre düzenlenmiş bir dizi kimyasal element. Bu serideki bir elementin atom numarası, bu elementin herhangi bir atomunun çekirdeğindeki proton sayısına eşittir.

Kimyasal elementler tablosu, doğal kimyasal element serilerinin "kesilmesiyle" oluşturulur. dönemler(tablonun yatay satırları) ve benzer elektronik atom yapısına sahip elementlerin gruplandırılması (tablonun dikey sütunları).

Öğeleri gruplar halinde birleştirme şeklinize bağlı olarak tablo şu şekilde olabilir: uzun dönem(aynı sayıda ve türde değerlik elektronuna sahip elementler gruplar halinde toplanır) ve kısa süre(aynı sayıda değerlik elektronuna sahip elementler gruplar halinde toplanır).

Kısa dönem tablosu grupları alt gruplara ayrılmıştır ( ana Ve taraf), uzun dönem tablosundaki gruplarla çakışıyor.

Aynı periyoda ait elementlerin tüm atomları, periyot sayısına eşit, aynı sayıda elektron katmanına sahiptir.

Periyotlardaki element sayısı: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Sekizinci periyodun elementlerinin çoğu yapay olarak elde edildi; bu periyodun son elementleri henüz sentezlenmedi. İlki dışındaki tüm periyotlar alkali metal oluşturan bir elementle (Li, Na, K, vb.) başlar ve soy gaz oluşturan bir elementle (He, Ne, Ar, Kr, vb.) biter.

Kısa dönem tablosunda her biri iki alt gruba (ana ve ikincil) ayrılan sekiz grup vardır; uzun dönem tablosunda ise Romen rakamlarıyla A veya B harfleriyle numaralandırılmış on altı grup vardır. örnek: IA, IIIB, VIA, VIIB. Uzun dönem tablosunun IA grubu, kısa dönem tablosunun birinci grubunun ana alt grubuna karşılık gelir; grup VIIB - yedinci grubun ikincil alt grubu: geri kalanı - benzer şekilde.

Kimyasal elementlerin özellikleri doğal olarak gruplara ve periyotlara göre değişir.

Dönemler halinde (seri numarası arttıkça)

nükleer yük artar
dış elektronların sayısı artar,
atomların yarıçapı azalır,
elektronlar ile çekirdek arasındaki bağın gücü artar (iyonlaşma enerjisi),
elektronegatiflik artar,
basit maddelerin oksitleyici özellikleri arttırılır ("metaliklik"),
basit maddelerin indirgeyici özellikleri zayıflar ("metallik"),
Hidroksitlerin ve karşılık gelen oksitlerin temel karakterini zayıflatır,
hidroksitlerin ve karşılık gelen oksitlerin asidik karakteri artar.

Gruplar halinde (artan seri numarasıyla)

nükleer yük artar
atomların yarıçapı artar (yalnızca A gruplarında),
elektronlar ve çekirdek arasındaki bağın gücü azalır (iyonlaşma enerjisi; yalnızca A gruplarında),
elektronegatiflik azalır (yalnızca A gruplarında),
basit maddelerin oksitleyici özellikleri zayıflar ("metaliklik"; yalnızca A gruplarında),
basit maddelerin indirgeyici özellikleri artar ("metallik"; yalnızca A gruplarında),
Hidroksitlerin ve karşılık gelen oksitlerin temel karakteri artar (yalnızca A gruplarında),
Hidroksitlerin ve karşılık gelen oksitlerin asidik karakterini zayıflatır (sadece A gruplarında),
hidrojen bileşiklerinin stabilitesi azalır (indirgeme aktiviteleri artar; yalnızca A gruplarında).

"Konu 9. "konuyla ilgili görevler ve testler. Atomun yapısı. Periyodik yasa ve kimyasal elementlerin periyodik sistemi, D. I. Mendeleev (PSHE) "."

Periyodik yasa - Periyodik yasa ve atomların yapısı 8-9. Sınıflar
Bilmeniz gerekenler: Yörüngeleri elektronlarla doldurma yasaları (en az enerji ilkesi, Pauli ilkesi, Hund kuralı), periyodik element tablosunun yapısı.
Şunları yapabilmeniz gerekir: elementin periyodik tablodaki konumuna göre bir atomun bileşimini belirlemek ve bunun tersine, bileşimini bilerek periyodik sistemde bir element bulmak; yapı diyagramını, bir atomun, iyonun elektronik konfigürasyonunu tasvir edin ve tersine, diyagramdan ve elektronik konfigürasyondan PSCE'deki bir kimyasal elementin konumunu belirleyin; PSCE'deki konumuna göre elementi ve oluşturduğu maddeleri karakterize etmek; Periyodik sistemin bir periyodunda ve bir ana alt grubunda atomların yarıçapındaki değişiklikleri, kimyasal elementlerin özelliklerini ve oluşturdukları maddeleri belirler.
Örnek 1.Üçüncü elektron seviyesindeki yörünge sayısını belirleyin. Bu yörüngeler nelerdir?
Yörünge sayısını belirlemek için formülü kullanırız N yörüngeler = N 2 nerede N- seviye numarası. N yörüngeler = 3 2 = 9. Bir 3 S-, üç 3 P- ve beş 3 D-orbitaller.
Örnek 2. Hangi elementin atomunun elektronik formül 1'e sahip olduğunu belirleyin S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 1 .
Hangi element olduğunu belirlemek için atomun toplam elektron sayısına eşit olan atom numarasını bulmanız gerekir. Bu durumda: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Bu alüminyumdur.
İhtiyacınız olan her şeyin öğrenildiğinden emin olduktan sonra görevleri tamamlamaya devam edin. Başarılar dileriz.

Önerilen Kaynaklar:
- O. S. Gabrielyan ve diğerleri Kimya 11. sınıf. M., Bustard, 2002;
- G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Kimya 11. sınıf. M., Eğitim, 2001.

Bir atom (Yunanca "bölünmez" kelimesinden gelir), bir zamanlar mikroskobik boyuttaki bir maddenin en küçük parçacığı, özelliklerini taşıyan bir kimyasal elementin en küçük kısmıdır. Bir atomun bileşenleri (protonlar, nötronlar, elektronlar) artık bu özelliklere sahip değildir ve bunları bir arada oluştururlar. Kovalent atomlar molekülleri oluşturur. Bilim adamları atomun özelliklerini inceliyorlar ve zaten oldukça iyi çalışılmış olmalarına rağmen, yeni bir şey bulma fırsatını kaçırmıyorlar - özellikle yeni malzemeler ve yeni atomlar oluşturma alanında (periyodik tablonun devamı). Bir atomun kütlesinin %99,9'u çekirdektedir.

Radboud Üniversitesi'ndeki bilim adamları, maddenin en küçük birimi olan tek bir atomda bilginin manyetik olarak depolanmasına yönelik yeni bir mekanizma keşfettiler. Her ne kadar prensip ispatı çok altında gösterilmiş olsa da Düşük sıcaklık Bu mekanizma oda sıcaklığında çalışacağını vaat ediyor. Böylece şu anda sabit disklerde bulunan bilgilerin binlerce katı kadar bilginin saklanması mümkün olacak. Çalışmanın sonuçları Nature Communications'da yayınlandı.

ATOM [Fransızca atom, Latince atomus'tan, Yunanca'dan?τομος (ουσ?α) - bölünmez (öz)], maddenin bir parçacığı, bir kimyasal elementin, özelliklerinin taşıyıcısı olan en küçük kısmı. Her elementin atomları yapı ve özellik bakımından bireyseldir ve elementlerin kimyasal sembolleriyle gösterilir (örneğin, hidrojen atomu - H, demir - Fe, cıva - Hg, uranyum - U, vb.). Atomlar hem serbest durumda hem de bağlı durumda bulunabilir (bkz. Kimyasal bağ). Maddelerin çeşitliliği, atomların birbirleriyle farklı kombinasyonlarından kaynaklanmaktadır. Gaz, sıvı ve katı maddelerin özellikleri onları oluşturan atomların özelliklerine bağlıdır. Bir atomun tüm fiziksel ve kimyasal özellikleri, yapısı tarafından belirlenir ve kuantum yasalarına uyar. (Atom doktrininin gelişim tarihi için Atom Fiziği makalesine bakın.)

Atom yapısının genel özellikleri. Bir atom, pozitif elektrik yüklü ağır bir çekirdek ve onu çevreleyen negatif elektrik yüklü hafif elektronlardan oluşur ve atomun elektron kabuklarını oluşturur. Bir atomun boyutları, dış elektron kabuğunun boyutlarıyla belirlenir ve atom çekirdeğinin boyutlarıyla karşılaştırıldığında büyüktür. Çapların ve alanların karakteristik sıraları enine kesit ve atomun ve çekirdeğin hacimleri:

Atom 10 -8 cm 10 -16 cm 2 10 -24 cm 3

Çekirdek 10 -12 cm 10 -24 cm 2 10 -36 cm 3

Bir atomun elektron kabuklarının kesin olarak tanımlanmış sınırları yoktur ve bir atomun boyutları, az ya da çok, bunları belirleme yöntemlerine bağlıdır.

Nükleer yük, bir atomun belirli bir elemente ait olduğunu belirleyen temel özelliğidir. Çekirdeğin yükü her zaman pozitif temel elektrik yükünün tamsayı katıdır ve mutlak değer olarak elektronun -e yüküne eşittir. Çekirdeğin yükü +Ze'dir, burada Z atom numarasıdır (atom numarası). Z= 1, 2, 3,... kimyasal elementlerin periyodik tablosundaki ardışık elementlerin atomları için, yani H, He, Li, ... atomları için. Nötr bir atomda + yüklü bir çekirdek Ze, Z elektronlarını toplam yük -Ze ile tutar. Bir atom elektron kaybedebilir veya kazanabilir ve pozitif veya negatif iyon haline gelebilir (k = 1, 2, 3, ... - iyonizasyonunun çokluğu). Belirli bir elementin atomu çoğunlukla onun iyonlarını içerir. Yazarken iyonlar nötr bir atomdan k + ve k - indeksiyle ayırt edilir; örneğin O nötr bir oksijen atomudur, O +, O 2+, O 3+, ..., O 8+, O -, O 2- pozitif ve negatif iyonlarıdır. Nötr bir atom ve diğer elementlerin iyonlarının aynı sayıda elektronla birleşimi izoelektronik bir seri oluşturur, örneğin bir dizi hidrojen benzeri atom H, He +, Li 2+, Be 3+,....

Bir atom çekirdeğinin yükünün çokluğu temel yükÇekirdeğin yapısına ilişkin fikirlere dayanan bir açıklama geldi: Z, çekirdekteki proton sayısına eşittir, bir protonun yükü +e'dir. Bir atomun kütlesi artan Z ile artar. Bir atomun çekirdeğinin kütlesi, kütle numarası A - çekirdekteki toplam proton ve nötron sayısı - ile yaklaşık olarak orantılıdır. Bir elektronun kütlesi (0,91 x 10 -27 g), bir proton veya nötronun kütlesinden (1,67 x 10 -24 g) önemli ölçüde daha azdır (yaklaşık 1840 kat), dolayısıyla bir atomun kütlesi esas olarak kütle tarafından belirlenir. çekirdeğinden.

Belirli bir elementin atomları nükleer kütle bakımından farklılık gösterebilir (proton Z sayısı sabittir, A'dan Z'ye nötron sayısı değişebilir); Aynı elementin bu tür atom çeşitlerine izotoplar denir. Çekirdeğin kütlesindeki farkın, belirli bir atomun Z'ye bağlı elektronik kabuklarının yapısı ve atomun özellikleri üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur. Özelliklerdeki en büyük farklılıklar (izotop etkileri), sıradan hafif hidrojen atomu (A = 1), döteryum (A = 2) ve trityumun (A) kütlelerindeki büyük fark nedeniyle hidrojen izotopları (Z = 1) için elde edilir. = 3).

Bir atomun kütlesi 1,67 × 10-24 g (ana izotop için, hidrojen atomu, Z = 1, A = 1) ile yaklaşık 4 × 10-22 g (uranyum ötesi elementlerin atomları için) arasında değişir. En kesin değerler Atom kütleleri kütle spektroskopisi yöntemleriyle belirlenebilir. Bir atomun kütlesi, çekirdeğin kütlesi ile elektronların kütlelerinin toplamına tam olarak eşit değildir, ancak kütle kusuru ΔM = W/c 2 ile biraz daha azdır; burada W, bir atomun oluşum enerjisidir çekirdek ve elektronlardan (bağlanma enerjisi), c ışık hızıdır. Bu düzeltme, ağır atomlar için elektron kütlesi m mertebesindedir ve hafif atomlar için ihmal edilebilir düzeydedir (yaklaşık 10-4 m e).

Atom enerjisi ve kuantizasyonu. Küçük boyutu ve büyük kütlesi nedeniyle, atom çekirdeği yaklaşık olarak nokta şeklinde ve atomun kütle merkezinde hareketsiz olarak kabul edilebilir (çekirdeğin ve elektronların ortak kütle merkezi çekirdeğin yakınında bulunur ve hareket hızı çekirdeğin atomun kütle merkezine göre uzaklığı, elektronların hareket hızıyla karşılaştırıldığında küçüktür). Buna göre bir atom, e yüküne sahip N adet elektronun sabit bir çekim merkezi etrafında hareket ettiği bir sistem olarak düşünülebilir. Bir atomdaki elektronların hareketi sınırlı bir hacimde gerçekleşir, yani bağlıdır. Bir E atomunun toplam iç enerjisi, tüm elektronların T kinetik enerjilerinin toplamına eşittir ve potansiyel enerji U - çekirdeklerinin çekim enerjisi ve birbirlerinden itilme enerjisi.

1913 yılında Niels Bohr tarafından öne sürülen atom teorisine göre, bir hidrojen atomunda -e yüküne sahip bir elektron, +e yüküne sahip sabit bir merkez etrafında hareket eder. Klasik mekaniğe göre böyle bir elektronun kinetik enerjisi şuna eşittir:

burada v hızdır, p = m e v elektronun momentumudur (momentumu). Potansiyel enerji (bir elektronun çekirdek tarafından Coulomb çekiminin enerjisine indirgenmiş) şuna eşittir:

ve yalnızca elektronun çekirdekten uzaklığına r bağlıdır. Grafiksel olarak U(r) fonksiyonu, r azaldıkça, yani elektron çekirdeğe yaklaştıkça sınırsız azalan bir eğri ile temsil edilir. U(r)'nin r→∞'daki değeri sıfır olarak alınır. Negatif değerler için toplam enerji E = T + U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U >0 elektronun hareketi serbesttir - iyonize hidrojen atomu H +'ya karşılık gelen E = T = (1/2)m e v 2 enerjisiyle sonsuza gidebilir. Dolayısıyla, nötr bir hidrojen atomu, elektrostatik olarak bağlı çekirdek ve E enerjili elektrondan oluşan bir sistemdir.< 0.

Bir E atomunun toplam iç enerjisi, onun bir kuantum sistemi olarak temel özelliğidir (bkz. Kuantum mekaniği). Bir atom, yalnızca belirli bir enerji - durağan (zamanla değişmez) hallere sahip hallerde uzun süre kalabilir. Bağlı mikropartiküllerden (bir atom dahil) oluşan bir kuantum sisteminin iç enerjisi, ayrık (süreksiz) bir dizi değerden birini alabilir

Bu "izin verilen" enerji değerlerinin her biri, bir veya daha fazla durağan kuantum durumuna karşılık gelir. Sistem ara enerji değerlerine sahip olamaz (örneğin, E 1 ile E 2, E 2 ve E 3 vb. arasında kalanlar), böyle bir sistemin kuantize edilmiş enerjiye sahip olduğu söylenir; E'deki herhangi bir değişiklik, sistemin bir durağan kuantum durumundan diğerine kuantum (sıçrama) geçişi ile ilişkilidir (aşağıya bakınız).

Bir atomun enerjisinin olası ayrık değerleri (3), her enerjinin bulunduğu enerji seviyeleri diyagramı şeklinde, farklı yüksekliklere (farklı seviyelere) yükseltilmiş bir cismin potansiyel enerjisine benzetme yoluyla grafiksel olarak gösterilebilir. değeri, E i, i= 1, 2, 3, ... yüksekliğinde çizilen düz bir çizgiye karşılık gelir (Şekil 1). Atomun mümkün olan en düşük enerjisine karşılık gelen en düşük E 1 seviyesine temel seviye denir ve diğerlerinin tümüne (E i >E 1), i = 2, 3, 4, ...) uyarılmış denir, çünkü onlara geçiş ( yerden karşılık gelen sabit uyarılmış durumlara geçiş) sistemi uyarmak - ona dışarıdan E i -E 1 enerjisini vermek gerekir.

Atom enerjisinin kuantizasyonu elektronların dalga özelliklerinin bir sonucudur. Dalga-parçacık ikiliği ilkesine göre, kütlesi m olan bir mikro parçacığın v hızıyla hareketi, λ = h/mv dalga boyuna karşılık gelir; burada h, Planck sabitidir. Bir atomdaki elektron için λ 10-8 cm mertebesindedir, yani mertebesindedir doğrusal boyutlar atom ve bir atomdaki elektronun dalga özelliklerinin dikkate alınması gereklidir. Bir atomdaki elektronun ilgili hareketi duran dalgaya benzer ve maddi bir noktanın bir yörünge boyunca hareketi olarak değil, karmaşık bir dalga süreci olarak düşünülmelidir. Sınırlı bir hacimdeki duran bir dalga için, dalga boyunun (λ) (ve dolayısıyla salınım frekansının v) yalnızca belirli değerleri mümkündür. Kuantum mekaniğine göre, bir E atomunun enerjisi, E = hν ilişkisi ile v ile ilişkilidir ve bu nedenle yalnızca belirli değerleri alabilir. Bir mikro parçacığın uzayla sınırlı olmayan serbest öteleme hareketi, örneğin bir atomdan ayrılmış bir elektronun hareketi (enerjisi E> 0 olan), sınırsız bir hacimde ilerleyen bir dalganın yayılmasına benzer; λ (ve v) değerleri mümkündür. Böyle serbest bir mikropartikülün enerjisi herhangi bir değer alabilir (kuantize değildir, sürekli bir enerji spektrumuna sahiptir). Bu sürekli dizi iyonize bir atoma karşılık gelir. E ∞ = 0 değeri iyonizasyon sınırına karşılık gelir; E ∞ -E 1 = E iyon farkına iyonlaşma enerjisi denir (İyonlaşma potansiyeli makalesine bakın); bir hidrojen atomu için bu 13,6 eV'dir.

Elektron yoğunluğu dağılımı. Belirli bir zamanda bir atomdaki elektronun kesin konumu, ilişkideki belirsizlikler nedeniyle belirlenememektedir. Bir atomdaki elektronun durumu, belirli bir şekilde koordinatlarına bağlı olan dalga fonksiyonu tarafından belirlenir; Dalga fonksiyonunun modülünün karesi, uzayda belirli bir noktada bir elektron bulmanın olasılık yoğunluğunu karakterize eder. Dalga fonksiyonu açıkça Schrödinger denkleminin çözümüdür.

Böylece, bir atomdaki bir elektronun durumu, elektrik yükünün uzayda belirli bir yoğunlukla dağılımı - elektron yoğunluğunun dağılımı - ile karakterize edilebilir. Elektronlar uzayda olduğu gibi "bulaşır" ve bir "elektron bulutu" oluşturur. Bu model, bir atomdaki elektronları, kesin olarak tanımlanmış yörüngeler boyunca hareket eden bir nokta elektron modelinden (Bohr'un atom teorisinde) daha doğru şekilde karakterize eder. Aynı zamanda, bu tür Bohr yörüngelerinin her biri belirli bir elektron yoğunluğu dağılımıyla ilişkilendirilebilir. Zemin enerji seviyesi E1 için, elektron yoğunluğu çekirdeğin yakınında yoğunlaşmıştır; uyarılmış enerji seviyeleri E 2, E 3, E 4 ... için çekirdekten giderek daha büyük ortalama mesafelere dağıtılır. Çok elektronlu bir atomda elektronlar, çekirdeği çeşitli mesafelerde çevreleyen kabuklar halinde gruplanır ve belirli elektron yoğunluğu dağılımlarıyla karakterize edilir. Dış kabuklarda elektronlar ile çekirdek arasındaki bağın gücü iç kabuklara göre daha azdır ve en zayıf elektronlar en büyük boyutlara sahip olan en dış kabukta bağlanır.

Elektron spini ve nükleer spinin muhasebeleştirilmesi. Atom teorisinde, elektronun dönüşünü - görsel açıdan elektronun kendi ekseni etrafında dönmesine karşılık gelen kendi (dönme) açısal momentumunu - hesaba katmak çok önemlidir ( Eğer elektron küçük boyutlu bir parçacık olarak kabul edilirse). Elektronun dönüşü yüz adet içsel (spin) manyetik moment ile ilişkilidir. Bu nedenle, bir atomda, elektrostatik etkileşimlerin yanı sıra, spin manyetik momenti ve elektronun çekirdek etrafındaki hareketiyle ilişkili yörünge manyetik momenti tarafından belirlenen manyetik etkileşimleri de hesaba katmak gerekir; Manyetik etkileşimler elektrostatik olanlarla karşılaştırıldığında küçüktür. Spinin en önemli etkisi çok elektronlu atomlardadır: Bir atomun elektron kabuklarının belirli sayıda elektronla doldurulması elektronların spinine bağlıdır.

Bir atomdaki çekirdek aynı zamanda kendi mekanik momentine de sahip olabilir; bu, elektronun momentinden yüzlerce ve binlerce kat daha küçük bir nükleer manyetik momentle ilişkilendirilen nükleer spindir. Spinlerin varlığı, çekirdek ve elektronlar arasında ek, çok küçük etkileşimlere yol açar (aşağıya bakın).

Hidrojen atomunun kuantum durumları. Atomun kuantum teorisindeki en önemli rol, +Ze yüküne sahip bir çekirdek ve -e yüküne sahip bir elektrondan oluşan en basit tek elektronlu atom teorisi, yani hidrojen atomu H teorisi tarafından oynanır. ve hidrojen benzeri iyonlar He +, Li 2+, Be 3+,..., genellikle hidrojen atomunun teorisi olarak adlandırılır. Kuantum mekaniği yöntemlerini kullanarak doğru ve doğru sonuçlar elde etmek mümkündür. tam tanım Tek elektronlu bir atomdaki elektronun durumları. Çok elektronlu bir atom sorunu ancak yaklaşık olarak çözülebilir; bu durumda tek elektronlu atom sorununu çözmenin sonuçlarından yola çıkarlar.

Göreli olmayan yaklaşımda (elektron dönüşünü hesaba katmadan) tek elektronlu bir atomun enerjisi şuna eşittir:

n = 1, 2, 3, ... tam sayısı olası ayrık enerji değerlerini - enerji seviyelerini - tanımlar ve temel kuantum sayısı olarak adlandırılır, R, 13,6 eV'ye eşit Rydberg sabitidir. Atomun enerji seviyeleri, n = ∞'a karşılık gelen iyonizasyon sınırı E ∞ = 0'a yaklaşır (yoğunlaşır). Hidrojen benzeri iyonlar için yalnızca enerji değerlerinin ölçeği değişir (Z 2 kez). Hidrojen benzeri bir atomun iyonlaşma enerjisi (elektron bağlanma enerjisi) (eV cinsinden)

bu da H, He +, Li 2+, ... değerlerini 13,6 eV, 54,4 eV, 122,4 eV, ... verir.

Temel formül (4), elektronun potansiyel enerjisi için U(r) = -Ze 2 /r ifadesine karşılık gelir. Elektrik alanı+Ze yüklü çekirdekler. Bu formül ilk olarak N. Bohr tarafından, r yarıçaplı dairesel bir yörüngede bir elektronun çekirdeğin etrafındaki hareketi dikkate alınarak türetilmiştir ve böyle bir sistem için Schrödinger denkleminin tam bir çözümüdür. Enerji seviyeleri (4) yarıçaplı yörüngelere karşılık gelir

burada a 0 = 0,529·10 -8 cm = = 0,529 A sabiti, hidrojen atomunun yer seviyesine karşılık gelen ilk dairesel yörüngesinin yarıçapıdır (bu Bohr yarıçapı genellikle atom fiziğinde uzunlukları ölçmek için uygun bir birim olarak kullanılır) ). Yörüngelerin yarıçapı, baş kuantum sayısının n2 karesiyle orantılı ve Z ile ters orantılıdır; hidrojen benzeri iyonlar için doğrusal boyut ölçeği, hidrojen atomuna kıyasla Z faktörü kadar azalır. Hidrojen atomunun göreli bir açıklaması, elektronun dönüşünü dikkate alarak Dirac denklemiyle verilir.

Kuantum mekaniğine göre hidrojen atomunun durumu tamamen ayrık olaylarla belirlenir. dört değerleri fiziksel özellikler: enerji E; yörünge momentumu M l (elektronun çekirdeğe göre momentumu); yörüngesel momentumun keyfi olarak seçilmiş bir z yönüne projeksiyonları M1z; dönme momentinin M sz projeksiyonları (elektron M s'nin içsel açısal momentumu). Olası değerler bu fiziksel büyüklükler sırasıyla n, l, ml, m s kuantum sayılarıyla belirlenir. Yaklaşımda, bir hidrojen atomunun enerjisi formül (4) ile tanımlandığında, yalnızca 1, 2, 3, ... tamsayı değerlerini alan temel kuantum sayısı n ile belirlenir. Belirli bir n'ye sahip bir enerji seviyesi, yörünge (azimut) kuantum numarası l = 0, 1, ..., n-1 değerlerinde farklılık gösteren birkaç duruma karşılık gelir. Verilen n ve l değerlerine sahip durumlar genellikle 1s, 2s, 2р, 3s, ... olarak gösterilir; burada sayılar n'nin değerini ve s, р, d, f harflerini gösterir (ileride) Latin alfabesi) - sırasıyla değerler l = 0, 1, 2, 3. Verilen n ve l için, farklı durumların sayısı 2(2l + 1)'e eşittir - manyetik değerlerin kombinasyonlarının sayısı yörünge kuantum sayısı m l manyetik spin sayısı m s (birincisi 2l + 1 değerini, ikincisi - 2 değerini alır). Verilen n ve l ile farklı durumların toplam sayısı 2n 2'ye eşittir. Böylece, hidrojen atomunun her enerji düzeyi 2,8, 18,...2n 2 (n = 1, 2, 3, ... ile) farklı durağan kuantum durumlarına karşılık gelir. Yalnızca bir kuantum durumu bir enerji seviyesine karşılık geliyorsa, o zaman buna dejenere olmayan denir, eğer iki veya daha fazla - dejenereyse (bkz. Kuantum teorisinde Dejenerasyon) ve bu tür durumların sayısı g, dejenerasyonun derecesi veya çokluğu olarak adlandırılır (örneğin, dejenere olmayan enerji seviyeleri g = 1). Hidrojen atomunun enerji seviyeleri dejeneredir ve dejenerelik derecesi g n = 2n 2'dir.

Hidrojen atomunun farklı durumları için farklı elektron yoğunluğu dağılımları elde edilir. Kuantum sayılarına bağlıdır n, l ve Bu durumda s-durumları (l=0) için elektron yoğunluğu merkezde yani çekirdeğin konumunda sıfırdan farklıdır ve yöne bağlı değildir ( küresel simetrik) ve geri kalan durumlar için (l>0) merkezde sıfıra eşittir ve yöne bağlıdır. Hidrojen atomunun n = 1, 2, 3 durumları için elektron yoğunluğu dağılımı Şekil 2'de gösterilmektedir; “elektron bulutunun” boyutları formül (6)'ya göre n2 ile orantılı olarak büyür (Şekil 2'deki ölçek, n = 1'den n = 2'ye ve n = 2'den n = 3'e ilerledikçe azalır). Hidrojen benzeri iyonlardaki bir elektronun kuantum durumları, hidrojen atomunda olduğu gibi aynı dört kuantum sayısıyla (n, l, ml ve ms) karakterize edilir. Elektron yoğunluğunun dağılımı da korunur, ancak Z kat artar.

Bir atom üzerindeki dış alanların etkisi. Atom gibi elektrik sistemi harici elektrik ve manyetik alanlarda ek enerji kazanır. Elektrik alanı atomu polarize eder - elektron bulutlarını çekirdeğe göre değiştirir (bkz. Atomların, iyonların ve moleküllerin polarize edilebilirliği) ve manyetik alan, elektronun etrafındaki hareketiyle ilişkili olarak atomun manyetik momentini belirli bir şekilde yönlendirir. çekirdek (yörünge momentumu M l ile) ve dönüşü. Aynı En enerjisine sahip bir hidrojen atomunun harici bir alandaki farklı durumları aşağıdakilere karşılık gelir: Farklı anlamlar ek enerji ΔE ve dejenere enerji seviyesi E n bir dizi alt seviyeye bölünmüştür. Hem enerji seviyelerinin elektrik alanında bölünmesi (Stark etkisi) hem de manyetik alanda bölünmesi (Zeeman etkisi) karşılık gelen alanların kuvvetleriyle orantılıdır.

Bir atomun içindeki küçük manyetik etkileşimler de enerji seviyelerinin bölünmesine yol açar. Hidrojen atomu ve hidrojen benzeri iyonlar için bir spin-yörünge etkileşimi vardır; elektronun spin ve yörünge momentlerinin etkileşimi; enerji seviyelerinin ince yapısını (uyarılmış En seviyelerinin (n>1 için) alt seviyelere bölünmesi) belirler. Hidrojen atomunun tüm enerji seviyeleri için, nükleer spinin elektronik momentlerle çok küçük manyetik etkileşimlerinden dolayı aşırı ince bir yapı da gözlemlenir.

Çok elektronlu atomların elektron kabukları. 2 veya daha fazla elektron içeren bir atomun teorisi, hidrojen atomunun teorisinden temel olarak farklıdır, çünkü böyle bir atomda birbirleriyle etkileşime giren özdeş parçacıklar vardır - elektronlar. Çok elektronlu bir atomdaki elektronların karşılıklı itilmesi, çekirdekle olan bağlarının gücünü önemli ölçüde azaltır. Örneğin, bir helyum iyonunda (He +) tek bir elektronun uzaklaştırılma enerjisi 54,4 eV iken, nötr bir helyum atomunda elektronların itilmesi sonucu bunlardan birinin uzaklaştırılma enerjisi 24,6'ya düşer. eV. Daha ağır atomların dış elektronları için, iç elektronların itmesi nedeniyle bağ kuvvetlerinde azalma daha da belirgindir. Çok elektronlu atomlarda önemli bir rol, Pauli ilkesinin geçerli olduğu s = 1/2 dönüşlü özdeş mikropartiküller (bkz. Özdeşlik ilkesi) olarak elektronların özellikleri tarafından oynanır. Bu prensibe göre, bir elektron sisteminde her kuantum durumunda birden fazla elektron olamaz, bu da atomun kesin olarak tanımlanmış sayıda elektronla dolu elektron kabuklarının oluşmasına yol açar.

Birbirleriyle etkileşime giren elektronların ayırt edilemezliği göz önüne alındığında, bir bütün olarak atomun yalnızca kuantum durumlarından bahsetmek mantıklıdır. Bununla birlikte, bireysel elektronların kuantum durumlarını yaklaşık olarak dikkate almak ve her birini, hidrojen atomundaki bir elektrona benzer şekilde bir dizi kuantum sayısı n, l, ml ve ms ile karakterize etmek mümkündür. Bu durumda elektron enerjisinin, hidrojen atomunda olduğu gibi sadece n'ye değil, aynı zamanda l'e de bağlı olduğu ortaya çıkar; hala m l ve m s'ye bağlı değil. Çok elektronlu bir atomda verilen n ve l elektronları aynı enerjiye sahiptir ve belirli bir elektron kabuğu oluşturur. Bu tür eşdeğer elektronlar ve bunların oluşturduğu kabuklar, verilen n ve l ile kuantum durumları ve enerji seviyeleri gibi, ns, nр, nd, nf, ... (1 = 0, 1, 2,3 için) sembolleriyle gösterilir. ...) ve 2p elektronlarından, 3s-o6 kabuklarından vb. bahsediyorlar.

Pauli ilkesine göre, bir atomdaki herhangi 2 elektron farklı kuantum durumlarında olmalıdır ve bu nedenle dört kuantum numarası n, l, ml ve m s'den en az birinde ve eşdeğer elektronlar için (n ve l) farklılık göstermelidir. aynıdır) - m l ve m s değerlerinde. m l, m s çiftlerinin sayısı, yani verilen n ve l ile bir elektronun farklı kuantum durumlarının sayısı, onun enerji seviyesinin yozlaşma derecesidir g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, .... Tamamen dolu elektron kabuklarındaki elektron sayısını belirler. Böylece s-, p-, d-, f-, ... kabukları n'nin değeri ne olursa olsun 2, 6, 10, 14, ... elektronlarla doldurulur. Belirli bir n'ye sahip elektronlar, l = 0, 1, 2, ..., n - 1 kabuklarından oluşan ve 2n 2 elektronla doldurulmuş, K-, L-, M, N-katmanı olarak adlandırılan bir katman oluşturur. Tamamen doldurulduğunda elimizde:

Her katmanda, daha küçük l'ye sahip kabuklar, daha yüksek elektron yoğunluğu ile karakterize edilir. Elektron ile çekirdek arasındaki bağın gücü n arttıkça ve belirli bir n için l arttıkça azalır. Elektron karşılık gelen kabuğa ne kadar zayıf bağlanırsa, enerji seviyesi de o kadar yüksek olur. Belirli bir Z'ye sahip bir çekirdek, bağlarının azalan kuvvetine göre elektronları bağlar: önce iki 1s elektronu, sonra iki 2s elektronu, altı 2p elektronu, vb. Her kimyasal elementin atomu, kabuklar arasında belirli bir elektron dağılımına sahiptir - elektroniği yapılandırma, örneğin:

(belirli bir kabuktaki elektron sayısı sağ üstteki indeksle gösterilir). Elementlerin özelliklerindeki periyodiklik, atomun dış elektron kabuklarının benzerliği ile belirlenir. Örneğin, nötr atomlar P, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83), dış elektron kabuğunda N atomu gibi üç p-elektronuna sahiptir ve kimyasal ve birçok fiziksel özellik bakımından ona benzerler. .

Her atom, atomdaki tüm elektronlar en sıkı şekilde bağlandığında ortaya çıkan normal bir elektron konfigürasyonu ve bir veya daha fazla elektronun daha gevşek bağlandığı (daha yüksek enerji seviyelerinde bulunduğu) uyarılmış elektronik konfigürasyonlarla karakterize edilir. Örneğin, bir helyum atomu için normal 1s2 ile birlikte uyarılmış elektronik konfigürasyonlar mümkündür: 1s2s, 1s2p, ... (bir elektron uyarılır), 2s 2, 2s2p, ... (her iki elektron da uyarılır). Belirli bir elektronik konfigürasyon, eğer elektron kabukları tamamen doluysa, bir bütün olarak atomun bir enerji seviyesine karşılık gelir (örneğin, Ne atomunun normal konfigürasyonu 1s 2 2s 2 2р 6) ve varsa bir dizi enerji seviyesine karşılık gelir. kısmen doldurulmuş kabuklardır (örneğin, 2р kabuğunun yarı dolu olduğu nitrojen atomunun normal konfigürasyonu 1s 2 2s 2 2р 3). Kısmen doldurulmuş d ve f kabuklarının varlığında, her bir konfigürasyona karşılık gelen enerji seviyelerinin sayısı yüzlerce kişiye ulaşabilir, dolayısıyla kısmen doldurulmuş kabuklara sahip bir atomun enerji seviyeleri şemasının çok karmaşık olduğu ortaya çıkar. Bir atomun temel enerji seviyesi, normal elektron konfigürasyonunun en düşük seviyesidir.

Atomdaki kuantum geçişleri. Kuantum geçişleri sırasında, bir atom bir durağan durumdan diğerine, bir enerji seviyesinden diğerine hareket eder. Daha yüksek bir enerji seviyesinden E i daha düşük bir E k enerji seviyesine geçerken, atom E i - E k enerjisinden vazgeçer ve ters geçiş sırasında onu alır. Herhangi bir kuantum sisteminde olduğu gibi, bir atom için de kuantum geçişleri iki tipte olabilir: radyasyonlu (optik geçişler) ve radyasyonsuz (ışınsız veya optik olmayan geçişler). En önemli karakteristik kuantum geçişi - bu geçişin ne sıklıkta gerçekleşebileceğini belirleyen olasılığı.

Radyasyonla kuantum geçişlerinde, atom emer (E k → E i geçişi) veya yayar (E i → E k geçişi) Elektromanyetik radyasyon. Elektromanyetik enerji, aşağıdaki ilişkiye göre belirli bir salınım frekansı v ile karakterize edilen hafif bir kuantum (bir foton) formundaki bir atom tarafından emilir ve yayılır:

burada hv foton enerjisidir. İlişki (7), radyasyonla ilişkili mikroskobik süreçler için enerjinin korunumu yasasını temsil eder.

Temel durumdaki bir atom yalnızca fotonları emebilir, ancak uyarılmış hallerde onları hem emebilir hem de yayabilir. Temel durumdaki serbest bir atom süresiz olarak var olabilir. Bir atomun uyarılmış durumda kalma süresi (bu durumun ömrü) sınırlıdır; atom kendiliğinden (kendiliğinden), kısmen veya tamamen uyarılma enerjisini kaybeder, bir foton yayar ve daha yüksek bir duruma geçer. düşük seviye enerji; Bu tür spontan emisyonun yanı sıra, aynı frekanstaki fotonların etkisi altında absorpsiyon gibi meydana gelen uyarılmış emisyon da mümkündür. Kendiliğinden geçiş olasılığı ne kadar yüksek olursa, uyarılmış bir atomun ömrü o kadar kısa olur; bir hidrojen atomu için bu süre yaklaşık 10-8 saniyedir.

Radyasyonla olası geçişlerin frekans seti v, karşılık gelen atomun atomik spektrumunu belirler: alt seviyelerden üst seviyelere geçiş frekansları seti, onun absorpsiyon spektrumudur, üst seviyelerden alt seviyelere geçiş frekansları seti, emisyon spektrumudur. . Atomik spektrumdaki bu tür her geçiş, belirli bir spektral frekans çizgisine (v) karşılık gelir.

Işınımsız kuantum geçişlerinde bir atom, bir gaz içinde çarpıştığı veya bir molekül, sıvı veya katı içinde uzun süre bağlı kaldığı diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde enerji kazanır veya kaybeder. Bir gazda atomun, çarpışmalar arasındaki zaman aralıklarında serbest olduğu düşünülebilir; Bir çarpışma (çarpışma) sırasında, bir atom daha alçak veya yüksek seviye enerji. Böyle bir çarpışmaya elastik olmayan denir (sadece atomun öteleme hareketinin kinetik enerjisinin değiştiği ve iç enerjisinin değişmeden kaldığı elastik çarpışmanın aksine). Önemli bir özel durum, serbest bir atomun bir elektronla çarpışmasıdır; Genellikle elektron atomdan daha hızlı hareket eder, çarpışma süresi çok kısadır ve bir elektron çarpmasından söz edebiliriz. Bir atomu elektron etkisiyle uyarmak, onun enerji seviyelerini belirlemenin bir yöntemidir.

Kimyasal ve fiziki ozellikleri atom. Bir atomun özelliklerinin çoğu, elektronların çekirdeğe nispeten zayıf bir şekilde bağlandığı (birkaç eV'den birkaç on eV'ye kadar bağlanma enerjileri) dış elektron kabuklarının yapısı ve özellikleri tarafından belirlenir. Elektronları çok daha sıkı bağlanan (yüzlerce, binlerce ve on binlerce eV'lik bağlanma enerjileri) bir atomun iç kabuklarının yapısı, yalnızca atom hızlı parçacıklar ve yüksek enerjili fotonlarla etkileşime girdiğinde ortaya çıkar (daha fazlası). yüzlerce eV'den daha fazla). Bu tür etkileşimler atomun X-ışını spektrumunu ve hızlı parçacıkların saçılımını belirler (bkz. Parçacık kırınımı). Bir atomun kütlesi, atomun bir bütün olarak hareketi sırasındaki mekanik özelliklerini belirler - momentum, kinetik enerji. Atomun çeşitli rezonans ve diğer fiziksel özellikleri, atomun mekanik ve ilgili manyetik ve elektriksel momentlerine bağlıdır (bkz. Elektron paramanyetik rezonansı, Nükleer manyetik rezonans, Nükleer dört kutuplu rezonans).

Atomun dış kabuğundaki elektronlar dış etkenlerden kolaylıkla etkilenir. Atomlar bir araya geldiğinde güçlü elektrostatik etkileşimler meydana gelir ve bu etkileşimler kimyasal bağ oluşumuna yol açabilir. İki atomun daha zayıf elektrostatik etkileşimleri, karşılıklı polarizasyonlarında kendini gösterir - zayıf bağlı dış elektronlar için en güçlü olan, elektronların çekirdeğe göre yer değiştirmesi. Atomlar arasında polarizasyon çekim kuvvetleri ortaya çıkar ve aralarındaki uzak mesafelerde bile dikkate alınması gerekir. Atom polarizasyonu dış elektrik alanlarında da meydana gelir; Bunun sonucunda atomun enerji seviyeleri kayar ve en önemlisi dejenere enerji seviyeleri bölünür (Stark etkisi). Bir atomun polarizasyonu, bir ışık (elektromanyetik) dalganın elektrik alanının etkisi altında meydana gelebilir; ona bağımlılığı belirleyen ışığın frekansına ve atomun polarize edilebilirliğiyle ilişkili kırılma indeksine (bkz. Işığın dağılımı) bağlıdır. Yakın bağlantı optik özellikler atomun elektriksel özellikleri özellikle optik spektrumunda açıkça ortaya çıkar.

Atomların manyetik özellikleri esas olarak elektronik kabuklarının yapısı tarafından belirlenir. Bir atomun manyetik momenti, mekanik momentine bağlıdır (bkz. Manyeto-mekanik oran); elektron kabukları tamamen dolu olan bir atomda, tıpkı mekanik moment gibi sıfırdır. Kısmen doldurulmuş dış elektron kabuklarına sahip atomlar genellikle sıfır olmayan manyetik momentlere sahiptir ve paramanyetiktir. Harici bir manyetik alanda, manyetik momenti sıfıra eşit olmayan tüm atom seviyeleri bölünür - Zeeman etkisi meydana gelir. Tüm atomlar, harici bir etki altında içlerinde manyetik bir momentin ortaya çıkmasından kaynaklanan diyamanyetizmaya sahiptir. manyetik alan(bir atomun elektrik dipol momentine benzer şekilde indüklenmiş manyetik moment denir).

Bir atomun sıralı iyonlaşmasıyla, yani bağlarının kuvvetinin arttırılması amacıyla en dıştakilerden başlayarak elektronlarının uzaklaştırılmasıyla, atomun dış kabuğu tarafından belirlenen tüm özellikleri buna göre değişir. Gittikçe daha sıkı bağlanan elektronlar dışsal hale geliyor; Sonuç olarak, bir atomun bir elektrik alanında polarizasyon yeteneği büyük ölçüde azalır, enerji seviyeleri arasındaki mesafeler ve bu seviyeler arasındaki optik geçişlerin frekansları artar (bu da spektrumun giderek daha kısa dalga boylarına doğru kaymasına yol açar). Bir dizi özellik periyodiklik sergiler: benzer dış elektronlara sahip iyonların özellikleri benzerdir; örneğin, N3+ (iki 2s elektronu), N5+ (iki 1s elektronu) ile benzerlik gösterir. Bu, enerji seviyelerinin özellikleri ve göreceli konumları, optik spektrumlar, bir atomun manyetik momentleri vb. için geçerlidir. En ani değişimözellikler, son elektron dış kabuktan çıkarıldığında, yalnızca tamamen dolu kabuklar kaldığında, örneğin N 4+'dan N 5+'ya geçiş sırasında meydana gelir (elektronik konfigürasyonlar 1s 2 2s ve 1s 2). Bu durumda iyon en kararlı olanıdır ve toplam mekanik ve toplam manyetik momentleri sıfıra eşittir.

Bağlı durumdaki bir atomun (örneğin bir molekülün bir kısmı) özellikleri, serbest bir atomun özelliklerinden farklıdır. Bir atomun özellikleri, belirli bir atomun diğerine bağlanmasında görev alan en dıştaki elektronlar tarafından belirlenen en büyük değişikliklere uğrar. Aynı zamanda, X-ışını spektrumlarında olduğu gibi, iç kabukların elektronları tarafından belirlenen özellikler neredeyse hiç değişmeden kalabilir. Bir atomun bazı özellikleri, bağlı atomların etkileşimlerinin doğası hakkında bilgi elde edilebilecek olan nispeten küçük değişikliklere maruz kalabilir. Önemli bir örnek, çevredeki iyonların yarattığı elektrik alanlarının etkisi altında meydana gelen, kristallerdeki ve karmaşık bileşiklerdeki atomik enerji seviyelerinin bölünmesidir.

Bir atomun yapısını, enerji seviyelerini, diğer atomlarla etkileşimlerini incelemek için deneysel yöntemler, temel parçacıklar, moleküller, dış alanlar vb. çeşitlidir, ancak ana bilgi spektrumunda bulunur. Tüm dalga boyu aralıklarındaki atomik spektroskopi yöntemleri ve özellikle modern lazer spektroskopi yöntemleri, atomla ilişkili giderek daha incelikli etkilerin incelenmesini mümkün kılar. 19. yüzyılın başlarından itibaren atomun varlığı bilim insanları için açıktı ancak varlığının gerçekliğini kanıtlayacak bir deney, 20. yüzyılın başında J. Perrin tarafından gerçekleştirildi. Mikroskopinin gelişmesiyle birlikte katıların yüzeyindeki atomların görüntülerini elde etmek mümkün hale geldi. Atom ilk kez E. Muller (ABD, 1955) tarafından icat ettiği alan iyon mikroskobu kullanılarak görülmüştür. Modern atomik kuvvet ve tünelleme mikroskopları, katı yüzeylerin görüntülerini elde etmeyi mümkün kılar. iyi çözünürlük atom düzeyinde (bkz. Şekil 3).

Pirinç. 3. Oxford Üniversitesi profesörü M. Capstell tarafından taramalı tünelleme mikroskobu kullanılarak elde edilen silikon yüzeyinin atom yapısının görüntüsü.

Egzotik atomlar olarak adlandırılan atomlar mevcuttur ve çeşitli çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır; örneğin müonik atomlar, yani elektronların tamamının veya bir kısmının negatif müonlar, müonyum, pozitronyum ile değiştirildiği atomların yanı sıra yüklü pionlar, kaonlardan oluşan hadronik atomlar. , protonlar, döteronlar vb. Antihidrojen atomunun (2002) - bir pozitron ve bir antiprotondan oluşan bir atom - ilk gözlemleri de yapıldı.

Yandı: M. Atom fiziği doğumlu. 3. baskı. M., 1970; Fano U., Fano L. Atom ve moleküllerin fiziği. M., 1980; Shpolsky E.V. Atom fiziği. 7. baskı. M., 1984.T.1-2; Elyashevich M. A. Atomik ve moleküler spektroskopi. 2. baskı. M., 2000.

Atom(eski Yunanca'dan ἄτομος - bölünmez) - mikroskobik boyut ve kütleye sahip bir maddenin parçacığı, özelliklerinin taşıyıcısı olan bir kimyasal elementin en küçük kısmı.

Bir atom oluşur atom çekirdeği ve elektronlar. Çekirdekteki protonların sayısı elektronların sayısıyla çakışırsa, atom bir bütün olarak elektriksel olarak nötr hale gelir. Aksi takdirde, bir miktar pozitif veya negatif yüke sahiptir ve iyon olarak adlandırılır. Bazı durumlarda atomlar, yalnızca çekirdeğin yükünün elektronların toplam yüküne eşit olduğu, dolayısıyla elektriksel olarak yüklü olanlarla zıt olduğu elektriksel olarak nötr sistemler olarak anlaşılır. iyonlar.

Çekirdek Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamını (%99,9'dan fazlasını) taşıyan atom, güçlü etkileşimle birbirine bağlanan pozitif yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomlar çekirdekteki proton ve nötron sayısına göre sınıflandırılır: proton sayısı Z, periyodik tablodaki atomun seri numarasına karşılık gelir ve belirli bir kimyasal elemente ait olduğunu ve nötron sayısı N - a'yı belirler. bu elementin spesifik izotopu. Z sayısı aynı zamanda toplam pozitifliği de belirler. elektrik şarjı Atom çekirdeğinin (Ze) ve nötr bir atomdaki elektronların sayısı, onun boyutunu belirler.

Atomlar çeşitli türler atomlar arası bağlarla birbirine bağlanan farklı miktarlarda moleküller oluşur.

Atomun özellikleri

Tanım gereği, çekirdeğinde aynı sayıda proton bulunan herhangi iki atom, aynı kimyasal elemente aittir. Proton sayıları aynı fakat nötron sayıları farklı olan atomlara belirli bir elementin izotopları denir. Örneğin, hidrojen atomları her zaman bir proton içerir, ancak nötronsuz izotoplar da vardır (hidrojen-1, bazen protium da denir - en yaygın biçim), bir nötron (döteryum) ve iki nötron (trityum). Bilinen elementler, çekirdekteki proton sayısına göre, bir protonlu hidrojen atomundan başlayıp çekirdeğinde 118 proton bulunan ununoktiyum atomuyla biten sürekli bir doğal seri oluşturur. Periyodik tablodaki elementlerin 83 sayısıyla (bizmut) başlayan tüm izotopları radyoaktiftir.

Ağırlık

Bir atomun kütlesine en büyük katkıyı protonlar ve nötronlar sağladığından bu parçacıkların toplam sayısına kütle numarası denir. Bir atomun geri kalan kütlesi genellikle dalton (Da) olarak da adlandırılan atomik kütle birimleri (a.m.u.) cinsinden ifade edilir. Bu birim, nötr bir karbon-12 atomunun geri kalan kütlesinin 1⁄12'si olarak tanımlanır; bu da yaklaşık olarak 1,66 × 10−24 g'ye eşittir. Hidrojen-1, hidrojenin en hafif izotopu ve en küçük kütleye sahip atomdur. atom ağırlığı yaklaşık 1,007825 a'dır. e.m. Bir atomun kütlesi, yaklaşık olarak atomik kütle birimi başına kütle numarasının çarpımına eşittir. En ağır kararlı izotop, 207.9766521 a kütlesiyle kurşun-208'dir. yemek yemek.

Sıradan birimlerdeki (örneğin gram) en ağır atomların bile kütleleri çok küçük olduğundan kimyada bu kütleleri ölçmek için moller kullanılır. Tanım gereği, herhangi bir maddenin bir molü aynı sayıda atom içerir (yaklaşık 6.022·1023). Bu sayı (Avogadro sayısı), bir elementin kütlesi 1a olacak şekilde seçilir. e.m., o zaman bu elementin bir mol atomunun kütlesi 1 g olacaktır. Örneğin, karbonun kütlesi 12 a'dır. e.m., yani 1 mol karbon 12 gramdır.

Boyut

Atomların açıkça tanımlanmış bir dış sınırı yoktur, dolayısıyla boyutları, kimyasal bir bağ oluşturan komşu atomların çekirdekleri arasındaki mesafeye (Kovalent yarıçap) veya bu atomun elektron kabuğundaki en uzak kararlı elektron yörüngesine olan mesafeye göre belirlenir. atom (Atom yarıçapı). Yarıçap, atomun periyodik tablodaki konumuna, kimyasal bağın türüne, yakındaki atomların sayısına (koordinasyon numarası) ve spin olarak bilinen kuantum mekaniksel bir özelliğe bağlıdır. Periyodik element tablosunda, bir atomun boyutu bir sütunda aşağı doğru gidildikçe artar, bir satırda soldan sağa doğru gidildikçe küçülür. Buna göre en küçük atom yarıçapı 32 pm olan helyum atomu, en büyüğü ise sezyum atomudur (225 pm). Bu boyutlar görünür ışığın dalga boyundan (400-700 nm) binlerce kat daha küçüktür, dolayısıyla atomlar optik mikroskopla görülemez. Bununla birlikte, taramalı tünelleme mikroskobu kullanılarak tek tek atomlar gözlemlenebilir.

Atomların küçüklüğü aşağıdaki örneklerle gösterilmiştir. İnsan saçı karbon atomundan milyon kat daha kalındır. Bir damla su, 2 sekstilyon (2 1021) oksijen atomu ve bunun iki katı kadar hidrojen atomu içerir. 0,2 gram ağırlığındaki bir karat elmas, 10 sekstilyon karbon atomundan oluşur. Eğer bir elma Dünya boyutuna kadar büyütülebilseydi, atomlar elmanın orijinal boyutuna ulaşacaktı.

Kharkov Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nden bilim insanları, bilim tarihindeki ilk atom fotoğraflarını sundu. Bilim insanları görüntüleri elde etmek için elektron mikroskobu, radyasyon ve alanların kaydedilmesi (alan emisyonlu elektron mikroskobu, FEEM). Fizikçiler düzinelerce karbon atomunu bir vakum odasına sırayla yerleştirdiler ve bunların içinden 425 voltluk bir elektrik deşarjı geçirdiler. Zincirdeki son atomun fosfor ekrana radyasyonu, çekirdeğin etrafındaki elektron bulutunun görüntüsünün elde edilmesini mümkün kıldı.

TANIM

Atom– en küçük kimyasal parçacık.

Kimyasal bileşiklerin çeşitliliğinin nedeni çeşitli kombinasyonlar kimyasal elementlerin atomları moleküllere ve moleküler olmayan maddelere dönüşür. Bir atomun kimyasal bileşiklere girme yeteneği, kimyasal ve fiziksel özellikleri atomun yapısına göre belirlenir. Bu bakımdan kimya için atomun iç yapısı ve her şeyden önce elektronik kabuğunun yapısı büyük önem taşımaktadır.

Atomik yapı modelleri

19. yüzyılın başında D. Dalton, o zamana kadar bilinen kimyanın temel yasalarına (bileşimin sabitliği, çoklu oranlar ve eşdeğerler) dayanarak atom teorisini yeniden canlandırdı. İlk deneyler maddenin yapısını incelemek için yapıldı. Ancak yapılan keşiflere rağmen (aynı elementin atomları aynı özelliklere sahiptir ve diğer elementlerin atomları farklı özelliklere sahiptir, atom kütlesi kavramı ortaya atılmıştır) atomun bölünemez olduğu kabul edilmiştir.

Deneysel kanıtlar elde edildikten sonra ( XIX sonu 20. yüzyılın başlarında) atomun yapısının karmaşıklığı (fotoelektrik etki, katot ve x-ışınları, radyoaktivite), atomun birbiriyle etkileşime giren negatif ve pozitif yüklü parçacıklardan oluştuğu tespit edilmiştir.

Bu keşifler atom yapısının ilk modellerinin oluşturulmasına ivme kazandırdı. İlk modellerden biri önerildi J. Thomson(1904) (Şekil 1): Atom, içinde salınan elektronların bulunduğu bir "pozitif elektrik denizi" olarak hayal edildi.

1911'de α parçacıklarıyla yapılan deneylerden sonra. Rutherford sözde önerdi gezegen modeli atomik yapı (Şekil 1), yapıya benzer Güneş Sistemi. Gezegen modeline göre atomun merkezinde Z e yüküne sahip, büyüklüğü yaklaşık 1.000.000 katı olan çok küçük bir çekirdek vardır. daha küçük boyutlar atomun kendisi. Çekirdek atomun neredeyse tüm kütlesini içerir ve pozitif yüke sahiptir. Elektronlar çekirdeğin etrafında, sayısı çekirdeğin yüküne göre belirlenen yörüngelerde hareket eder. Elektron hareketinin dış yörüngesi belirler dış boyutlar atom. Bir atomun çapı 10 -8 cm iken çekirdeğin çapı -10 -12 cm'dir.

Pirinç. 1 Thomson ve Rutherford'a göre atomik yapı modelleri

Atomik spektrumların incelenmesi üzerine yapılan deneyler, atomun yapısının gezegensel modelinin kusurlu olduğunu göstermiştir, çünkü bu model atomik spektrumların çizgi yapısıyla çelişmektedir. Rutherford'un modeline, Einstein'ın ışık kuantumu doktrini ve Planck'ın kuantum radyasyon teorisine dayanmaktadır. Niels Bohr'un (1913) formüle edilmiş varsayımlar, oluşur atom yapısı teorisi(Şekil 2): bir elektron çekirdeğin etrafında herhangi bir yerde değil, yalnızca bazı belirli yörüngelerde (sabit) dönebilir, böyle bir yörünge boyunca hareket ederek elektromanyetik enerji, radyasyon (bir kuantum elektromanyetik enerjinin emilmesi veya yayılması) yaymaz ) elektronun bir yörüngeden diğerine geçişi (atlama benzeri) sırasında meydana gelir.

Pirinç. 2. N. Bohr'a göre atomun yapısının modeli

Atomun yapısını karakterize eden birikmiş deneysel materyal, diğer mikro nesneler gibi elektronların özelliklerinin de klasik mekanik kavramları temelinde tanımlanamayacağını göstermiştir. Mikropartiküller, yaratılışın temeli haline gelen kuantum mekaniği yasalarına uyar modern model atomik yapı.

Kuantum mekaniğinin ana tezleri:

- enerji cisimler tarafından ayrı kısımlarda yayılır ve emilir - kuantum, dolayısıyla parçacıkların enerjisi aniden değişir;

- elektronlar ve diğer mikropartiküller ikili bir yapıya sahiptirler - hem partiküllerin hem de dalgaların özelliklerini sergilerler (dalga-partikül ikiliği);

— kuantum mekaniği, mikropartiküller için belirli yörüngelerin varlığını reddeder (hareket eden elektronlar için kesin konumu belirlemek imkansızdır, çünkü onlar çekirdeğin yakınında uzayda hareket ederler, yalnızca bir elektron bulma olasılığını belirleyebilirsiniz) çeşitli parçalar uzay).

Elektron bulma olasılığının oldukça yüksek (%90) olduğu çekirdeğe yakın uzaya denir. orbital.

Kuantum sayıları. Pauli'nin ilkesi. Klechkovsky'nin kuralları

Bir atomdaki elektronun durumu dört kullanılarak tanımlanabilir. Kuantum sayıları.

N– ana kuantum sayısı. Bir atomdaki elektronun toplam enerji rezervini ve enerji seviyesi sayısını karakterize eder. n, 1'den ∞'a kadar tam sayı değerleri alır. Elektron n=1 olduğunda en düşük enerjiye sahiptir; artan n – enerji ile. Bir atomun elektronlarının toplam enerjisi minimum olacak enerji seviyelerinde olduğu duruma temel durum denir. Daha yüksek değerlere sahip durumlara heyecanlı denir. Enerji seviyeleri gösterilir Arap rakamları n değerine göre. Elektronlar yedi düzeyde düzenlenebilir, dolayısıyla n aslında 1'den 7'ye kadar bulunur. Ana kuantum sayısı, elektron bulutunun boyutunu belirler ve bir atomdaki elektronun ortalama yarıçapını belirler.

ben– yörünge kuantum sayısı. Alt seviyedeki elektronların enerji rezervini ve yörüngenin şeklini karakterize eder (Tablo 1). 0'dan n-1'e kadar tam sayı değerlerini kabul eder. n'ye bağlıyım. Eğer n=1 ise l=0 yani 1. seviyede 1. alt seviye vardır.

Ben– manyetik kuantum sayısı. Yörüngenin uzaydaki yönelimini karakterize eder. –l ile 0 ila +l arasındaki tamsayı değerlerini kabul eder. Böylece l=1 (p-orbital) olduğunda m e -1, 0, 1 değerlerini alır ve yörüngenin yönelimi farklı olabilir (Şekil 3).

Pirinç. 3. P-orbitalinin uzayındaki olası yönelimlerden biri

S– spin kuantum sayısı. Elektronun kendi ekseni etrafındaki dönüşünü karakterize eder. -1/2(↓) ve +1/2() değerlerini kabul eder. Aynı yörüngedeki iki elektron antiparalel spinlere sahiptir.

Atomlardaki elektronların durumu belirlenir Pauli ilkesi: Bir atomun tüm kuantum sayıları aynı kümeye sahip iki elektronu olamaz. Yörüngelerin elektronlarla doldurulma sırası belirlenir Klechkovsky kuralları: Bu yörüngelerin toplamı (n+l) artan sırada yörüngeler elektronlarla doldurulur, eğer toplam (n+l) aynı ise, önce n değeri daha küçük olan yörünge doldurulur.

Bununla birlikte, bir atom genellikle bir değil birkaç elektron içerir ve bunların birbirleriyle etkileşimlerini hesaba katmak için etkili nükleer yük kavramı kullanılır - dış seviyedeki bir elektron, yükten daha az bir yüke tabidir. çekirdeğin iç elektronlarının dış elektronları perdelemesinin bir sonucu olarak.

Bir atomun temel özellikleri: atom yarıçapı (kovalent, metalik, van der Waals, iyonik), elektron ilgisi, iyonlaşma potansiyeli, manyetik moment.

Atomların elektronik formülleri

Bir atomun tüm elektronları onun elektron kabuğunu oluşturur. Elektron kabuğunun yapısı tasvir edilmiştir elektronik formül, elektronların enerji seviyeleri ve alt seviyeler arasındaki dağılımını gösterir. Bir alt seviyedeki elektronların sayısı, alt seviyeyi belirten harfin sağ üst kısmına yazılan bir sayı ile gösterilir. Örneğin, bir hidrojen atomunun 1. enerji seviyesinin s-alt seviyesinde bulunan bir elektronu vardır: 1s 1. İki elektron içeren helyumun elektronik formülü şu şekilde yazılır: 1s 2.

İkinci periyodun elemanları için elektronlar, 8'den fazla elektron içeremeyen 2. enerji seviyesini doldurur. İlk önce elektronlar s-alt seviyesini, ardından p-alt seviyesini doldurur. Örneğin:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Atomun elektronik yapısı ile elementin Periyodik Tablodaki konumu arasındaki ilişki

Bir elementin elektronik formülü onun içindeki konumuna göre belirlenir. Periyodik tablo DI. Mendeleev. Böylece periyot numarası şuna karşılık gelir: İkinci periyodun elemanlarında elektronlar, en fazla 8 elektron içerebilen 2. enerji seviyesini doldurur. Birincisi elektronlar doluyor İkinci periyodun elemanlarında elektronlar 8'den fazla elektron içeremeyen 2. enerji seviyesini dolduruyor. İlk önce elektronlar s-alt seviyesini, ardından p-alt seviyesini doldurur. Örneğin:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Bazı elementlerin atomlarında, elektronun dış enerji seviyesinden sondan bir önceki seviyeye “sıçraması” olgusu gözlenir. Bakır, krom, paladyum ve diğer bazı elementlerin atomlarında elektron kaçağı meydana gelir. Örneğin:

24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1

8'den fazla elektron içeremeyen bir enerji seviyesi. İlk önce elektronlar s-alt seviyesini, ardından p-alt seviyesini doldurur. Örneğin:

5 B 1s 2 2s 2 2p 1

Ana alt grupların elementlerinin grup sayısı, dış enerji seviyesindeki elektron sayısına eşittir; bu tür elektronlara değerlik elektronları denir (kimyasal bir bağın oluşumuna katılırlar). Yan alt grupların elemanları için değerlik elektronları, dış enerji seviyesinin elektronları ve sondan bir önceki seviyenin d-alt seviyesi olabilir. III-VII gruplarının yan alt gruplarının yanı sıra Fe, Ru, Os için element grubunun sayısı, dış enerji seviyesinin s-alt seviyesindeki ve d-alt seviyesindeki toplam elektron sayısına karşılık gelir. sondan bir önceki seviye

Görevler:

Fosfor, rubidyum ve zirkonyum atomlarının elektronik formüllerini çizin. Değerlik elektronlarını belirtin.

Cevap:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Değerlik elektronları 3s 2 3p 3

37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Değerlik elektronları 5s 1

40 Zr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 Değerlik elektronları 4d 2 5s 2

Aşağıdaki materyaller ilginizi çekebilir