Atom

Atom (från annan grekisk ἄτομος "odelbar [1] , inte skuren [2] ") är en partikel av materia av mikroskopisk storlek och massa, den minsta delen av ett kemiskt grundämne , som är bäraren av dess egenskaper [1] [3 ] .

Atomer består av en kärna och elektroner (mer exakt ett elektron-"moln" ). Kärnan i en atom består av protoner och neutroner . Antalet neutroner i kärnan kan vara olika: från noll till flera tiotal. Om antalet elektroner sammanfaller med antalet protoner i kärnan, så är atomen som helhet elektriskt neutral. Annars har den någon positiv eller negativ laddning och kallas en jon [1] . I vissa fall förstås atomer endast som elektriskt neutrala system i vilka kärnans laddning är lika med den totala laddningen av elektroner, vilket motsätter dem elektriskt laddade joner [3] [4] .

Kärnan, som bär nästan all (mer än 99,9%) av en atoms massa, består av positivt laddade protoner och oladdade neutroner bundna tillsammans genom stark interaktion . Atomer klassificeras enligt antalet protoner och neutroner i kärnan: antalet protoner Z motsvarar serienumret på atomen i Mendeleevs periodiska system och bestämmer om den tillhör ett visst kemiskt grundämne, och antalet neutroner N motsvarar en viss isotop av detta element. Den enda stabila atom som inte innehåller neutroner i kärnan är lätt väte ( protium ). Talet Z bestämmer också den totala positiva elektriska laddningen ( Z × e ) av atomkärnan och antalet elektroner i en neutral atom, vilket bestämmer dess storlek [5] .

Atomer av olika slag i olika kvantiteter, sammankopplade med interatomära bindningar , bildar molekyler .

Historien om bildandet av konceptet

Begreppet en atom som den minsta odelbara delen av materien formulerades först av forntida indiska och antika grekiska filosofer (se: atomism ). På 1600- och 1700-talen kunde kemister experimentellt bekräfta denna idé genom att visa att vissa ämnen inte kunde brytas ner ytterligare till sina beståndsdelar med kemiska metoder. Men i slutet av 1800 -talet  och början av 1900-talet upptäckte fysiker subatomära partiklar och atomens sammansatta struktur, och det blev tydligt att den verkliga partikeln, som fick namnet atomen, faktiskt inte är odelbar.

Vid den internationella kemistkongressen i Karlsruhe (Tyskland) 1860 antogs definitioner av begreppen en molekyl och en atom. En atom är den minsta partikeln av ett kemiskt element som ingår i enkla och komplexa ämnen.

Modeller av atomer

• Bitar av materia . Democritus trodde att egenskaperna hos ett ämne bestäms av formen , massan etc. Egenskaperna hos atomerna som bildar det. Så, låt oss säga, i eld är atomerna skarpa, så eld kan brinna, i fasta ämnen är de grova, så de fäster tätt vid varandra, i vatten är de  släta, så det kan flyta. Även den mänskliga själen består, enligt Demokritos, av atomer [6] .
• Thomsons modell från 1904 av atomen ("Pudding med russin"-modell). J. J. Thomson föreslog att betrakta atomen som en positivt laddad kropp med elektroner inneslutna inuti den. Det motbevisades slutligen av Rutherford efter hans berömda experiment om spridning av alfapartiklar .
• Nagaokas tidiga planetmodell av atomen . 1904 föreslog den japanske fysikern Hantaro Nagaoka en modell av atomen baserad på analogin med planeten Saturnus . I denna modell kretsade elektroner, förenade i ringar, runt en liten positiv kärna i banor. Modellen visade sig vara fel.
• Bohr-Rutherford planetmodell av atomen . År 1911 [7] kom Ernest Rutherford, efter att ha gjort en serie experiment, till slutsatsen att atomen är ett slags planetsystem , där elektroner rör sig i omloppsbanor runt en tung positivt laddad kärna som ligger i atomens centrum (" Rutherfords modell av atomen"). Men en sådan beskrivning av atomen kom i konflikt med klassisk elektrodynamik . Faktum är att, enligt klassisk elektrodynamik, måste en elektron, när den rör sig med centripetalacceleration , utstråla elektromagnetiska vågor och därför förlora energi . Beräkningar visade att tiden det tar för en elektron i en sådan atom att falla ner på kärnan är absolut försumbar. För att förklara atomernas stabilitet , var Niels Bohr tvungen att införa postulat , som kokade ner till det faktum att en elektron i en atom, som befinner sig i vissa speciella energitillstånd, inte utstrålar energi ("Bohr-Rutherford-modellen av atomen") . Behovet av att introducera Bohrs postulat var en konsekvens av insikten att klassisk mekanik inte är tillämplig för att beskriva atomen. Ytterligare studier av atomens strålning ledde till skapandet av kvantmekanik , vilket gjorde det möjligt att förklara den stora majoriteten av de observerade fakta.

Kvantmekanisk modell av atomen

Den moderna modellen av atomen är en utveckling av Bohr-Rutherfords planetmodell. Enligt den nuvarande modellen består en atoms kärna av positivt laddade protoner och oladdade neutroner och omges av negativt laddade elektroner . Kvantmekanikens begrepp tillåter oss dock inte att anta att elektroner rör sig runt kärnan längs några bestämda banor ( osäkerheten för elektronkoordinaten i en atom kan vara jämförbar med storleken på själva atomen).

Atomernas kemiska egenskaper bestäms av elektronskalets konfiguration och beskrivs av kvantmekanik . En atoms position i det periodiska systemet bestäms av den elektriska laddningen av dess kärna (det vill säga antalet protoner), medan antalet neutroner inte i grunden påverkar de kemiska egenskaperna; medan det vanligtvis finns fler neutroner i kärnan än protoner (se: atomkärna ). Om en atom är i neutralt tillstånd är antalet elektroner i den lika med antalet protoner. Atomens huvudmassa är koncentrerad i kärnan, och massandelen av elektroner i atomens totala massa är obetydlig (flera hundradelar av en procent av kärnans massa).

En atoms massa mäts vanligtvis i atommassaenheter (dalton), lika med 1 ⁄ 12 av massan av en atom i en stabil kolisotop 12 C.

Atomens struktur

Subatomära partiklar

Även om ordet atom i sin ursprungliga betydelse betydde en partikel som inte är uppdelad i mindre delar, består den enligt vetenskapliga begrepp av mindre partiklar som kallas subatomära partiklar . En atom består av elektroner , protoner , alla atomer utom väte-1 innehåller också neutroner .

Elektronen är den lättaste av de partiklar som utgör atomen med en massa på 9,11⋅10 −31 kg , en negativ laddning och en storlek för liten för att kunna mätas med moderna metoder [8] . Experiment med ultraexakt bestämning av en elektrons magnetiska moment ( Nobelpriset 1989) visar att storleken på en elektron inte överstiger 10 −18 m [9] [10] .

Protoner har en positiv laddning och är 1836 gånger tyngre än en elektron (1,6726⋅10 −27 kg). Neutroner har ingen elektrisk laddning och är 1839 gånger tyngre än en elektron (1,6749⋅10 −27 kg) [11] .

I det här fallet är kärnans massa mindre än summan av massorna av dess ingående protoner och neutroner på grund av massdefektfenomenet . Neutroner och protoner har en jämförbar storlek , cirka 2,5⋅10 −15 m , även om storleken på dessa partiklar är dåligt definierade [12] .

I standardpartikelmodellen är både protoner och neutroner uppbyggda av elementarpartiklar som kallas kvarkar . Tillsammans med leptoner är kvarkar en av materiens huvudbeståndsdelar. Både den första och den andra är fermioner . Det finns sex typer av kvarkar, som var och en har en elektrisk laddning lika med + 2 ⁄ 3 eller (− 1 ⁄ 3 ) elementär . Protoner är uppbyggda av två u-kvarkar och en d-kvarkar , medan neutronen består av en u-kvark och två d-kvarkar. Denna skillnad förklarar skillnaden i protonens och neutronens massor och laddningar. Kvarkar binds samman av starka kärnkrafter , som överförs av gluoner [13] [14] .

Elektroner i en atom

När man beskriver elektroner i en atom inom kvantmekanikens ramar tar man vanligtvis hänsyn till sannolikhetsfördelningen i ett 3n-dimensionellt utrymme för ett system med n elektroner.

Elektronerna i en atom attraheras till kärnan, och Coulomb-interaktionen verkar också mellan elektronerna . Samma krafter håller elektronerna inne i potentialbarriären som omger kärnan. För att en elektron ska övervinna kärnans attraktion behöver den ta emot energi från en extern källa. Ju närmare elektronen är kärnan, desto mer energi behövs för detta.

Elektroner, liksom andra partiklar, kännetecknas av våg-partikeldualitet . Elektronen sägs ibland röra sig i en omloppsbana , vilket är felaktigt. Tillståndet för elektroner beskrivs av en vågfunktion , vars modul i kvadrat kännetecknar sannolikheten för att hitta partiklar vid en given punkt i rymden vid en given tidpunkt, eller, i det allmänna fallet, av densitetsoperatören . Det finns en diskret uppsättning atomorbitaler , som motsvarar stationära rena tillstånd av elektroner i en atom.

Varje orbital har sin egen energinivå . En elektron i en atom kan flytta till en nivå med högre energi när en given atom kolliderar med en annan atom, elektron, jon eller genom att absorbera en foton av motsvarande energi. När man flyttar till en lägre nivå avger en elektron energi genom att sända ut en foton, eller genom att överföra energi till en annan elektron (strålningsövergång, nedslag av det andra slaget). Som i fallet med absorption, under den strålande övergången, är energin hos en foton lika med skillnaden i energierna hos en elektron på dessa nivåer (se: Bohrs postulat ). Frekvensen för den emitterade strålningen ν är relaterad till fotonenergin E genom relationen E = hν , där h  är Plancks konstant .

Atomens egenskaper

Per definition tillhör två atomer med samma antal protoner i sina kärnor samma kemiska element . Atomer med samma antal protoner men olika antal neutroner kallas isotoper av ett givet grundämne. Väteatomer innehåller till exempel alltid en proton, men det finns isotoper utan neutroner ( väte-1 , ibland även kallad protium  - den vanligaste formen), med en neutron ( deuterium ) och två neutroner ( tritium ) [15] . Kända grundämnen bildar en kontinuerlig naturlig serie enligt antalet protoner i kärnan, utgående från väteatomen med en proton och slutar med oganesson- atomen , i vars kärna det finns 118 protoner [16] Alla isotoper av grundämnena i det periodiska systemet , som börjar med nummer 83 ( vismut ), är radioaktiva [17] [18] .

Mass

Eftersom det största bidraget till en atoms massa görs av protoner och neutroner, kallas det totala antalet av dessa partiklar masstalet . En atoms vilomassa uttrycks ofta i atommassaenheter (a.m.u.), även kallade dalton (Da). Denna enhet definieras som 1 ⁄ 12 av resten av en neutral kolatom - 12 , vilket är ungefär lika  med .g−241,66⋅10 mu [20] Massan av en atom är ungefär lika med produkten av masstalet per atommassenhet [21] Den tyngsta stabila isotopen är bly-208 [17] med en massa på 207,9766521 amu. e.m. [22]

Eftersom massorna av även de tyngsta atomerna i vanliga enheter (till exempel i gram) är mycket små, används mol i kemin för att mäta dessa massor . En mol av vilket ämne som helst innehåller per definition samma antal atomer (ungefär 6,022⋅10 23 ). Detta nummer ( Avogadros nummer ) väljs på ett sådant sätt att om massan av ett grundämne är 1 AU. e. m., då kommer en mol atomer av detta element att ha en massa på 1 g. Till exempel har kol en massa på 12 a. e.m., så 1 mol kol väger 12 g. [19]

Storlek

Atomer har ingen distinkt yttre gräns, så deras storlek bestäms av avståndet mellan kärnorna av identiska atomer som har bildat en kemisk bindning ( kovalent radie ) eller av avståndet till den längsta stabila omloppsbanan av elektroner i elektronskalet i denna atom ( atomradie ). Radien beror på atomens position i det periodiska systemet, typen av kemisk bindning, antalet närmaste atomer ( koordinationsnummer ) och en kvantmekanisk egenskap som kallas spin [23] . I det periodiska systemet av element ökar storleken på en atom när den rör sig uppifrån och ner i en kolumn och minskar när den rör sig längs en rad från vänster till höger [24] . Följaktligen är den minsta atomen en heliumatom med en radie på 32 pm , och den största är en cesiumatom (225 pm) [25] . Dessa dimensioner är tusentals gånger mindre än våglängden för synligt ljus (400-700 nm ), så atomer kan inte ses med ett optiskt mikroskop . Individuella atomer kan dock observeras med hjälp av ett scanning tunnelmikroskop .

Atomernas småhet demonstreras av följande exempel. Ett människohår är en miljon gånger tjockare än en kolatom [26] . En droppe vatten innehåller 2 sextillioner (2⋅10 21 ) syreatomer och dubbelt så många väteatomer [27] . En karat diamant med en massa på 0,2 g består av 10 sextilljoner kolatomer [28] . Om ett äpple kunde förstoras till jordens storlek , då skulle atomerna nå den ursprungliga storleken av ett äpple [29] .

Forskare från Kharkov Institute of Physics and Technology presenterade de första bilderna av atomen i vetenskapens historia. För att få bilder använde forskare ett elektronmikroskop som fångar strålning och fält (fältemissionselektronmikroskop, FEEM). Fysiker placerade sekventiellt dussintals kolatomer i en vakuumkammare och ledde genom dem en elektrisk urladdning på 425 volt. Strålningen från den sista atomen i kedjan till fosforskärmen gjorde det möjligt att få en bild av elektronmolnet runt kärnan [30] .

Radioaktivt sönderfall

Varje kemiskt element har en eller flera isotoper med instabila kärnor som genomgår radioaktivt sönderfall , vilket gör att atomerna sänder ut partiklar eller elektromagnetisk strålning. Radioaktivitet uppstår när kärnans radie är större än verkningsradien för starka interaktioner (avstånd i storleksordningen 1 fm [31] ).

Det finns tre huvudformer av radioaktivt sönderfall [32] [33] :

• Alfasönderfall uppstår när en kärna avger en alfapartikel - kärnan i en heliumatom , som består av två protoner och två neutroner. Som ett resultat av emissionen av denna partikel uppstår ett grundämne med ett atomnummer mindre än två .
• Beta-sönderfall uppstår på grund av svaga interaktioner , och som ett resultat sönderfaller neutronen till en proton, en elektron och en antineutrino , i det andra fallet till en proton, en positron och en neutrino . Elektronen och positronen kallas beta-partiklar. Beta-sönderfall ökar eller minskar atomnumret med en. Beta-sönderfall inkluderar också den omvända processen - elektroninfångning när en av protonerna i atomkärnan fångar en orbitalelektron och förvandlas till en neutron som avger en elektronneutrino.
• Gammastrålning uppstår på grund av övergången av kärnan till ett lägre energitillstånd med emission av elektromagnetisk strålning. Gammastrålning kan följa emissionen av en alfa- eller beta-partikel efter radioaktivt sönderfall.

Varje radioaktiv isotop kännetecknas av en halveringstid , det vill säga den tid det tar för hälften av provets kärnor att sönderfalla. Detta är exponentiellt sönderfall , vilket halverar antalet kvarvarande kärnor för varje halveringstid. Till exempel, efter två halveringstider, kommer endast 25% av kärnorna i den ursprungliga isotopen att finnas kvar i provet [31] .

Magnetiskt ögonblick

Elementarpartiklar har en inneboende kvantmekanisk egenskap som kallas spinn . Det liknar rörelsemängden hos ett föremål som roterar runt sitt eget masscentrum , även om dessa partiklar strikt sett är punktpartiklar och man kan inte tala om deras rotation. Spin mäts i enheter av den reducerade Planck-konstanten ( ), då har elektroner, protoner och neutroner ett spin som är lika med ½ . I en atom kretsar elektroner runt kärnan och har ett orbitalt rörelsemängd utöver spinnet, medan själva kärnan har ett rörelsemängd på grund av kärnsnurret [34] .

Det magnetiska fältet , som produceras av en atoms magnetiska moment , bestäms av dessa olika former av rörelsemängd, precis som i klassisk fysik, roterande laddade föremål skapar ett magnetfält. Det mest betydande bidraget kommer dock från snurran. På grund av elektronens egenskap, liksom alla fermioner, att lyda Pauli-uteslutningsregeln , enligt vilken två elektroner inte kan vara i samma kvanttillstånd , parar sig de bundna elektronerna med varandra, och en av elektronerna är i ett spin- upptillståndet, och det andra - med motsatt projektion av ryggen - i tillståndet med snurran nedåt. Således reduceras elektronernas magnetiska moment, vilket reducerar systemets totala magnetiska dipolmoment till noll i vissa atomer med ett jämnt antal elektroner [35] .

I ferromagnetiska element som järn resulterar ett udda antal elektroner i en oparad elektron och ett totalt magnetiskt moment som inte är noll. Orbitalerna för angränsande atomer överlappar varandra och det lägsta energitillståndet uppnås när alla spinn av de oparade elektronerna antar samma orientering, en process som kallas utbytesinteraktion . När de ferromagnetiska atomernas magnetiska moment är i linje, kan materialet skapa ett mätbart makroskopiskt magnetfält. Paramagnetiska material är sammansatta av atomer vars magnetiska moment är felorienterade i frånvaro av ett magnetiskt fält, men de magnetiska momenten för individuella atomer anpassas när ett magnetiskt fält appliceras [35] [36] .

En atoms kärna kan också ha ett totalt spinn som inte är noll. Vanligtvis, vid termodynamisk jämvikt, är kärnornas spinn slumpmässigt orienterade. Men för vissa element (som xenon-129 ) är det möjligt att polarisera en betydande del av kärnsnurrarna för att skapa ett tillstånd av medriktade spinn - ett tillstånd som kallas hyperpolarisering . Detta tillstånd är av stor praktisk betydelse vid magnetisk resonanstomografi [37] [38] .

Energinivåer

En elektron i en atom är i ett bundet tillstånd; eftersom den är på en exciterad nivå har den potentiell energi , som är proportionell mot dess avstånd från kärnan. Denna energi mäts vanligtvis i elektronvolt (eV), och dess maximala värde är lika med den energi som måste överföras till en elektron för att göra den fri (riva den från atomen). När elektronen (i atomen) rör sig till lägre nivåer minskar den potentiella energin, men den förvandlas inte till kinetisk, utan till energin hos emitterade fotoner. Enligt den kvantmekaniska modellen för atomen kan en bunden elektron endast uppta en diskret uppsättning tillåtna energinivåer - tillstånd med en viss energi. Det lägsta av de tillåtna energitillstånden kallas grundtillstånd (den potentiella energin är lika med noll - elektronen kan inte längre falla djupare), och alla övriga kallas exciterade [39] .

För att en elektron ska kunna flytta från en energinivå till en annan måste energi överföras till den eller tas bort från den. Denna energi kan kommuniceras till en atom genom att träffa en annan partikel eller genom att absorbera eller sända ut en foton , och energin för denna foton är lika med det absoluta värdet av skillnaden mellan energierna för elektronens initiala och slutliga nivåer . Frekvensen för den utsända strålningen är proportionell mot fotonens energi, så övergångarna mellan olika energinivåer uppträder i olika regioner av det elektromagnetiska spektrumet [40] . Varje kemiskt element har ett unikt emissionsspektrum , som beror på kärnans laddning, fyllningen av elektronsubskal, interaktionen mellan elektroner och andra faktorer [41] .

När kontinuerlig spektrumstrålning passerar genom materia (som en gas eller plasma ), absorberas vissa fotoner av atomer eller joner, vilket orsakar elektroniska övergångar mellan energitillstånd vars energiskillnad är lika med energin hos den absorberade fotonen. Dessa exciterade elektroner återgår sedan spontant till en lägre nivå på energiskalan och sänder ut fotoner igen. De emitterade fotonerna emitteras inte i den riktning som den absorberade föll, utan slumpmässigt i en rymd vinkel på 4 pi steradianer. Som ett resultat uppträder områden med mycket låg strålningsnivå i det kontinuerliga spektrumet, det vill säga mörka absorptionslinjer. Sålunda beter sig ämnet som ett filter och förvandlar det ursprungliga kontinuerliga spektrumet till ett absorptionsspektrum , där det finns en serie mörka linjer och band. När man betraktar den från de vinklar där den ursprungliga strålningen inte är riktad kan man märka strålning med ett emissionsspektrum som emitteras av atomer. Spektroskopiska mätningar av energin, amplituden och bredden av strålningslinjernas spektrallinjer gör det möjligt att bestämma typen av emitterande ämne och de fysiska förhållandena i den [42] .

En mer detaljerad analys av spektrallinjerna visade att några av dem har en fin struktur, det vill säga de är uppdelade i flera täta linjer. I en snäv bemärkelse kallas den " fina strukturen " av spektrallinjer vanligtvis för deras splittring, vilket uppstår på grund av spin-omloppsinteraktionen mellan spinn och rotationsrörelsen hos en elektron [43] .

Interaktionen mellan elektronens och kärnans magnetiska moment leder till en hyperfin uppdelning av spektrallinjerna, som i regel är mindre än fin.

Om du placerar en atom i ett externt magnetfält, kan du också märka uppdelningen av spektrallinjer i två, tre eller flera komponenter - detta fenomen kallas Zeeman-effekten . Det orsakas av interaktionen av det externa magnetfältet med atomens magnetiska moment, och beroende på den ömsesidiga orienteringen av atomens moment och magnetfältet kan energin på denna nivå öka eller minska. Under övergången av en atom från ett delat tillstånd till ett annat kommer en foton att sändas ut med en frekvens som skiljer sig från frekvensen för en foton under samma övergång i frånvaro av ett magnetfält. Om spektrallinjen delar sig i tre linjer när en atom placeras i ett magnetfält, så kallas denna Zeeman-effekt normal (enkel). Mycket oftare i ett svagt magnetfält observeras en anomal (komplex) Zeeman-effekt, när uppdelning i 2, 4 eller fler linjer inträffar (den anomala effekten uppstår på grund av närvaron av elektronspin). När magnetfältet ökar, blir typen av splittring enklare, och den anomala Zeeman-effekten blir normal ( Paschen-Back-effekten ) [44] . Närvaron av ett elektriskt fält kan också orsaka en jämförbar förskjutning i spektrallinjer orsakad av en förändring i energinivåer. Detta fenomen är känt som Stark-effekten [45] .

Om elektronen är i ett exciterat tillstånd, kan interaktion med en foton av en viss energi orsaka stimulerad emission av en extra foton med samma energi - för detta måste det finnas en lägre nivå till vilken en övergång är möjlig, och energin skillnaden mellan nivåerna måste vara lika med fotonens energi. Med stimulerad emission kommer dessa två fotoner att röra sig i samma riktning och ha samma fas . Denna egenskap utnyttjas i lasrar , som kan avge en koherent ljusstråle över ett smalt frekvensområde [46] .

Valens

Det yttre elektronskalet hos en atom, om det inte är helt fyllt, kallas valensskalet, och elektronerna i detta skal kallas valenselektroner . Antalet valenselektroner avgör hur en atom binder till andra atomer genom en kemisk bindning . Genom bildandet av kemiska bindningar tenderar atomer att fylla sina yttre valensskal [47] .

För att visa kemiska grundämnens återkommande kemiska egenskaper är de ordnade i form av ett periodiskt system . Element med samma antal valenselektroner bildar en grupp, som visas i tabellen som en kolumn (rörelse längs den horisontella raden motsvarar fyllningen av valensskalet med elektroner). Grundämnen i den högra kolumnen i tabellen har ett yttre skal helt fyllt med elektroner, så de kännetecknas av extremt låg kemisk aktivitet och kallas inerta eller ädelgaser [48] [49] .

Dispersiv attraktion

En viktig egenskap hos en atom är dess tendens till dispersiv attraktion . Uppkomsten av spridningskrafter förklarades 1930 av F. London . Interatomisk interaktion uppstår på grund av laddningsfluktuationer i två atomer som är nära varandra. Eftersom elektronerna rör sig har varje atom ett momentant dipolmoment som skiljer sig från noll. Om elektrontäthetsfluktuationerna i de två atomerna var inkonsekventa, skulle det inte finnas någon nettoattraktion mellan atomerna. Emellertid inducerar en momentan dipol på en atom en motsatt riktad dipol i en intilliggande atom. Dessa dipoler attraheras av varandra på grund av uppkomsten av en attraktionskraft, som kallas spridningskraften, eller Londonkraften. Energin för en sådan interaktion är direkt proportionell mot kvadraten av den elektroniska polariserbarheten för atomen α och omvänt proportionell mot r 6 , där r är avståndet mellan två atomer [50] .

Deformationspolarisering av atomen

Deformationspolarisering visar sig i atomers förmåga att elastiskt deformera sina elektronskal under inverkan av elektromagnetiska fält. Dagens förståelse av fenomenet deformationspolarisering är baserad på konceptet om den ändliga elasticiteten hos atomernas elektronskal under inverkan av ett elektriskt fält [51] . Avlägsnandet av det yttre elektriska fältet leder till återställandet av atomens elektronskal.

Deformation av en atoms elektronskal leder till en förskjutning av elektrondensiteten i atomen, vilket åtföljs av bildandet av ett inducerat elektriskt dipolmoment μ. Dipolmomentet är lika med produkten av värdet på den positiva laddningen q och avståndet mellan laddningarna L och är riktat från den negativa laddningen till den positiva μ=qL. I relativt svaga elektriska fält är det inducerade dipolmomentet proportionellt mot den elektriska fältstyrkan E. μ =α e E, där α e  är atomens elektroniska polariserbarhet. Det största värdet av den elektroniska polariserbarheten observeras för alkalimetallatomer, och minimum för ädelgasatomer.

Jonisering av atomen

Vid höga värden på styrkan hos det applicerade elektriska fältet observeras en irreversibel deformation av atomen, åtföljd av att en elektron lossnar.

Atomens jonisering sker, atomen ger upp en elektron och förvandlas till en positivt laddad jon  - en katjon . Frigörandet av en elektron från en atom kräver energiförbrukning, kallad joniseringspotential eller joniseringsenergi.

En atoms joniseringsenergi beror starkt på dess elektroniska konfiguration. Förändringen i lösgöringsenergin för den första elektronen beroende på elementets atomnummer visas i figuren.

Alkalimetallatomer har lägst joniseringsenergi och ädelgasatomer har högst.

För multielektronatomer motsvarar joniseringsenergin I 1 , I 2 , I 3 ... separationen av de första, andra, tredje, etc. elektronerna.

Interaktion mellan en atom och en elektron

Atomer kan, i en eller annan grad, lägga till ytterligare en elektron och förvandlas till en negativ jon - en anjon .

Energieffekten av processen för bindning till en neutral atom (E) kallas vanligtvis elektronaffinitetsenergin:

Figuren visar beroendet av atomernas elektronaffinitetsenergi av grundämnets ordningsnummer. Halogenatomer har den högsta elektronaffiniteten (3-4 eV).

Atomens elektronegativitet

Elektronegativiteten hos en atom (χ) är den grundläggande egenskapen hos en atom att förskjuta vanliga elektronpar i en molekyl mot sig själv. Förmågan hos en atom i ett givet element att dra elektrontäthet på sig själv, i jämförelse med andra element i föreningen, beror på atomens joniseringsenergi och dess elektronaffinitet. Enligt en definition ( enligt Mulliken ) kan elektronegativiteten för en atom (χ) uttryckas som halva summan av dess joniseringsenergi (i) och elektronaffinitet (F):

Det finns ett tjugotal skalor av elektronegativiteten hos en atom, grunden för beräkningen av vars värden är olika egenskaper hos ämnen. De erhållna värdena för olika skalor skiljer sig åt, men det relativa arrangemanget av element i en serie av elektronegativitet är ungefär detsamma.

En detaljerad sökning efter sambandet mellan elektronegativitetsskalorna gjorde det möjligt att formulera ett nytt tillvägagångssätt för att välja en praktisk skala för atomers elektronegativitet [53] .

Symbolism

Sedan mänsklighetens inträde i atomäran har atomen också fått en symbolisk betydelse. Oftast är atomen avbildad i form av en förenklad Bohr-Rutherford-modell. Det finns dock också mer komplicerade versioner av bilden. Oftast symboliserar bilden av en atom kärnenergi ("fredlig atom"), kärnvapen, kärnfysik eller vetenskap och vetenskapliga och tekniska framsteg i allmänhet.

Se även

• Fysik av atomer och molekyler
• Molekyl
• Elektron

Anteckningar

1. ↑ 1 2 3 Stor encyklopedisk ordbok. Fysik / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1998. - S. 36. - 944 sid. — ISBN 5-85270-306-0 .
2. ↑ Stor illustrerad ordbok över främmande ord / Ed. E. A. Grishina . - AST ; Astrel; Ryska ordböcker. - S. 91. - 960 sid. — ISBN 5-17-008793-4 .
3. ↑ 1 2 Elyashevich M. A. Atom // Great Soviet Encyclopedia . 3:e uppl. / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia, 1970. - T. 2. Angola - Barzas . - S. 389-394 .
4. ↑ Kemisk encyklopedisk ordbok / kap. ed. I. L. Knunyants . - M .: Soviet Encyclopedia , 1983. - S.  58 . — 792 sid.
5. ↑ Atom arkiverad 4 november 2015 på Wayback Machine // IUPAC Gold Book
6. ↑ Demokrit // Skoluppslagsbok "Russika". Den antika världens historia / A. O. Chubaryan. - M. : Olma Media Group, 2003. - S. 281-282. — 815 sid. — ISBN 5-948-49307-5 .
7. ↑ Planetmodell av atomen Arkiverad 15 juni 2008.
8. ↑ Demtröder, 2002 .
9. ↑ Demelt H. "Experiment med en isolerad subatomär partikel i vila" Arkivkopia daterad 23 maj 2017 på Wayback Machine // UFN , vol. 160 (12), sid. 129-139, 1990
10. ↑ Nobelföreläsning, 8 december 1989, Hans D. Dehmelt Experimenterar med en isolerad subatomär partikel i vila Arkiverad 10 augusti 2017 på Wayback Machine
11. ↑ Woan, 2000 .
12. ↑ MacGregor, 1992 .
13. ↑ Partikeläventyret . Partikeldatagrupp . Lawrence Berkeley Laboratory (2002). Hämtad 3 januari 2009. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
14. ↑ James Schombert. Elementarpartiklar . University of Oregon (18 april 2006). Hämtad 3 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
15. ↑ Howard S. Matis. Vätets isotoper . Guide till kärnkraftsdiagrammet . Lawrence Berkeley National Lab (9 augusti 2000). Hämtad 21 december 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
16. ↑ Rick Weiss. Forskare tillkännager skapandet av atomelementet, det tyngsta hittills . Washington Post (17 oktober 2006). Hämtad 21 december 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
17. ↑ 12 Sills , 2003 .
18. ↑ Belle Dume. Vismut slår halveringstidsrekord för alfasönderfall . Physics World (23 april 2003). Hämtad 21 december 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
19. ^ 12 Mills et al (1993).
20. ↑ Chung Chieh. Nuklidstabilitet (inte tillgänglig länk) . University of Waterloo (22 januari 2001). Hämtad 4 januari 2007. Arkiverad från originalet 30 augusti 2007.  (obestämd) 
21. ↑ Atomvikter och isotopiska sammansättningar för alla beståndsdelar . National Institute of Standards and Technology. Hämtad 4 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
22. ↑ G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault. The Ame2003 atomic mass evaluation (II)  (neopr.)  // Kärnfysik. - 2003. - T. A729 . - S. 337-676 . Arkiverad från originalet den 16 september 2008.
23. ↑ R.D. Shannon. Reviderade effektiva jonradier och systematiska studier av interatomära avstånd i halogenider och kalkogenider  //  Acta Crystallographica, Section A : journal. - International Union of Crystallography , 1976. - Vol. 32 . — S. 751 . - doi : 10.1107/S0567739476001551 .
24. ↑ Judy Dong. En atoms diameter . The Physics Factbook (1998). Hämtad 19 november 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
25. ↑ Zumdahl, 2002 .
26. ↑ Små mirakel: Utnyttja nanoteknologi (länk ej tillgänglig) . Oregon State University (2007). Tillträdesdatum: 7 januari 2007. Arkiverad från originalet 4 december 2007.  (obestämd)   - beskriver tjockleken på ett människohår som 10 5 nm och 10 kolatomer i tjocklek som 1 nm.
27. ↑ "Det finns 2.000.000.000.000.000.000.000 (det är 2 sextilljoner) syreatomer i en droppe vatten - och dubbelt så många väteatomer" // Padilla et al., 2002 , sid. 32
28. ↑ En karat är lika med 200 milligram. Per definition har kol-12 12 gram per mol. Avogadros konstant är 6,02⋅1023 atomer per mol.
29. ↑ Feynman, 1995 .
30. ↑ Första detaljerade foton av atomer . Inside Science News Service (14 september 2009). Hämtad 24 juni 2014. Arkiverad från originalet 24 juni 2014. (obestämd)
31. ↑ 12 Radioaktivitet . _ Splung.com. Hämtad 19 december 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
32. ↑ L'Annunziata (2003).
33. ↑ Richard B. Firestone. Radioaktiva sönderfallslägen . Berkeley Laboratory (22 maj 2000). Hämtad 7 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
34. ↑ JP Hornak. Kapitel 3: Spin Physics (inte tillgänglig länk) . Grunderna i NMR . Rochester Institute of Technology (2006). Hämtad 20 mars 2011. Arkiverad från originalet 26 maj 2007. (obestämd) 
35. ↑ 1 2 Paul A. Schroeder. Magnetiska egenskaper (nedlänk) . University of Georgia (22 februari 2000). Hämtad 7 januari 2007. Arkiverad från originalet 18 februari 2001. (obestämd) 
36. ↑ Greg Goebel. [4.3] Atomens magnetiska egenskaper . Elementär kvantfysik . På webbplatsen The Public Domain (1 september 2007). Hämtad 7 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
37. ↑ Lynn Yarris. Talking Pictures  (neopr.)  // Berkeley Lab Research Review. Arkiverad från originalet den 15 juni 1997.
38. ↑ Liang, Haacke, 1999 .
39. ↑ Bart J. Van Zeghbroeck. energinivåer . Shippensburg University (1998). Hämtad 23 december 2007. Arkiverad från originalet 15 januari 2005. (obestämd)
40. ↑ Fowles, 1989 .
41. ↑ W. C. Martin, W. L. Wiese. Atomspektroskopi: Ett kompendium av grundläggande idéer, notation, data och formler . National Institute of Standards and Technology (maj 2007). Hämtad 8 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
42. ↑ Atomic Emission Spectra - Ursprunget av Spectral Lines . Avogadros webbplats. Hämtad 10 augusti 2006. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
43. ↑ Richard Fitzpatrick. fin struktur . University of Texas i Austin (16 februari 2007). Hämtad 14 februari 2008. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
44. ↑ Michael Weiss. Zeeman-effekten . University of California-Riverside (2001). Hämtad 6 februari 2008. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
45. ↑ Beyer, 2003 .
46. ↑ Thayer Watkins. Koherens i Stimulerad Emission . San Jose State University. Hämtad 23 december 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
47. ↑ William Reusch. Virtuell lärobok i organisk kemi . Michigan State University (16 juli 2007). Hämtad 11 januari 2008. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
48. ↑ Husted Robert et al. Grundämnenas periodiska system . Los Alamos National Laboratory (11 december 2003). Hämtad 11 januari 2008. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
49. ↑ Rudy Baum. Det är elementärt: det periodiska systemet . Chemical & Engineering News (2003). Hämtad 11 januari 2008. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
50. ↑ Daniels F., Alberti R. Fysikalisk kemi / ed. K.V.Topchieva. - M . : Mir, 1978. - S. 453. - 646 sid.
51. ↑ Potapov A.A. Deformationspolarisering. Sök efter optimala modeller. - Novosibirsk: "Nauka", 2004. - 511 s.
52. ↑ Handbok för en kemist. - II-th, reviderad. och ytterligare .. - L.-M .: GNTI Chemical Literature, 1962. - T. I. - S. 328. - 1072 sid.
53. ↑ Filippov G. G., Gorbunov A. I. Ett nytt tillvägagångssätt för valet av en praktisk skala för atomers elektronegativitet. - Russian Chemical Journal , 1995. - T. 39, Issue. 2. - S. 39-42.

Litteratur

• Bethe G., Salpeter E. Kvantmekanik för atomer med en och två elektroner. - M. : Fizmatgiz, 1960. - 562 sid.
• Bader R. Atomer in Molecules. Kvantteorin. M.: Mir, 2001. - 532 sid.
• Veselov M. G., Labzovsky L. N. Atomens teori: strukturen hos elektronskal . — M .: Nauka, 1986. — 328 sid. Arkiverad 31 juli 2013 på Wayback Machine
• Sommerfeld A. Atomens och spektrastrukturen. Volym 1  - M .: GITTL, 1956.
• Sommerfeld A. Atomens och spektrastrukturen. Volym 2  - M.: GITTL, 1956.
• Shpolsky E.V. Atomfysik. Volym 2. Grunderna i kvantmekaniken och strukturen hos atomens elektronskal 4:e uppl. — M.: Nauka, 1974.

• Michael F. L'Annunziata. Handbok för radioaktivitetsanalys. - 2003. - ISBN 0-12-436603-1 .
• HF Beyer, VP Shevelko. Introduktion till högladdade joners fysik. - CRC Press, 2003. - ISBN 0-75-030481-2 .
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. Radiokemi och kärnkemi. - Elsevier, 2001. - ISBN 0-75-067463-6 .
• J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy, del 1. London och Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtroder. Atomer, molekyler och fotoner: En introduktion till atom-molekyl- och kvantfysik. — 1:a uppl. - Springer, 2002. - ISBN 3-540-20631-0 .
• Richard Feynman. Sex lätta stycken. - The Penguin Group, 1995. - ISBN 978-0-140-27666-4 .
• Grant R. Fowles. Introduktion till modern optik. - Courier Dover Publications, 1989. - ISBN 0-48-665957-7 .
• Mrinalkanti Gangopadhyaya. Indisk atomism: historia och källor. - Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. - ISBN 0-391-02177-X .
• David L. Goodstein. Materiens tillstånd. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN 0-48-649506-X .
• Edward Robert Harrison. Universums masker: förändrade idéer om kosmos natur. - Cambridge University Press, 2003. - ISBN 0-52-177351-2 .
• Tatjana Jevremovic. Kärnkraftsprinciper inom teknik. - Springer, 2005. - ISBN 0-38-723284-2 .
• James Lequeux. Det interstellära mediet. - Springer, 2005. - ISBN 3-540-21326-0 .
• Z P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging / JG Webster. - John Wiley & Sons, 1999. - S. 412-26. - ISBN 0-47-113946-7 .
• Malcolm H. MacGregor. Den gåtfulla elektronen. - Oxford University Press, 1992. - ISBN 0-19-521833-7 .
• Oliver Manuel. Elements ursprung i solsystemet: konsekvenser av observationer efter 1957. - Springer, 2001. - ISBN 0-30-646562-0 .
• Robert M Mazo. Brownsk rörelse: fluktuationer, dynamik och applikationer. - Oxford University Press, 2002. - ISBN 0-19-851567-7 .
• Ian Mills, Tomislav Cvitaš, Klaus Homann, Nikola Kallay, Kozo Kuchitsu. Mängder, enheter och symboler i fysikalisk kemi . — 2:a uppl. - Oxford: International Union of Pure and Applied Chemistry , Commission on Physiochemical Symbols Terminology and Units, Blackwell Scientific Publications, 1993. - ISBN 0-632-03583-8 .
• Richard Myers. Grunderna i kemi . - Greenwood Press, 2003. - ISBN 0-31-331664-3 .
• Michael J. Padilla, Ioannis Miaoulis, Martha Cyr. Prentice Hall Science Explorer: Kemiska byggstenar. - Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, 2002. - ISBN 0-13-054091-9 .
• Linus Pauling. Den kemiska bindningens natur . - Cornell University Press, 1960. - ISBN 0-80-140333-2 .
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern fysik: en introduktionstext. - Imperial College Press, 2000. - ISBN 1-860-94250-4 .
• Leonid Ivanovich Ponomarev. Quantum Dice. - CRC Press, 1993. - ISBN 0-75-030251-8 .
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Grunderna för kärnteknik och kärnteknik. - CRC Press, 2002. - ISBN 0-82-470834-2 .
• Robert Siegfried. Från element till atomer: en historia om kemisk sammansättning. - DIANE, 2002. - ISBN 0-87-169924-9 .
• Alan D. Sills. Geovetenskap det enkla sättet . - Barron's Educational Series, 2003. - ISBN 0-76-412146-4 .
• Boris M. Smirnov. Atomernas och jonernas fysik. - Springer, 2003. - ISBN 0-38-795550-X .
• Dick Teresi. Förlorade upptäckter: Den moderna vetenskapens antika rötter . — Simon & Schuster, 2003. — S. 213-214. — ISBN 0-74-324379-X .
• Graham Woan. Cambridge Handbook of Physics. - Cambridge University Press, 2000. - ISBN 0-52-157507-9 .
• Charles Adolphe Wurtz. Atomteorin . — New York: D. Appleton and Company, 1881.
• Marco Zaider, Harald H. Rossi. Strålningsvetenskap för läkare och folkhälsoarbetare . - Springer, 2001. - ISBN 0-30-646403-9 .
• Steven S. Zumdahl. Introduktionskemi: En stiftelse . — 5:e uppl. - Houghton Mifflin, 2002. - ISBN 0-618-34342-3 .

Länkar

• Atom i Physical Encyclopedia
• Ed Francis. Atomstorlek . Clackamas Community College (2002). Hämtad 9 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
• Craig C. Freudenrich. Hur AtomsWork . Hur saker fungerar. Hämtad 9 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
• Atomen . Science aid+ (2007). — En guide till atomen för tonåringar. Hämtad 9 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
• Atomer och atomstruktur . BBC (3 januari 2006). Tillträdesdatum: 11 januari 2007. Arkiverad från originalet den 21 augusti 2011. (obestämd)
• Fysik 2000 . University of Colorado (3 januari 2006). Hämtad 11 januari 2008. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
• Varför faller inte elektronen in i kärnan? ARI vetenskaplig tidskrift
• Ukrainska forskare fotograferade atomen för första gången (16 september 2009). (obestämd)
• Forskare isolerade, fångade och fotograferade en atom av Rubidium 85 (1 oktober 2010). Hämtad 1 oktober 2010. Arkiverad från originalet 2 februari 2012. (obestämd)
• Atomens struktur
• Atomens struktur (utbildningsfilm)
• Spektra av atomer . Hämtad 10 oktober 2010. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)
• Atomers struktur, utbildningsfilm . Hämtad 10 oktober 2010. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011. (obestämd)

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska Stor norsk Stor ryss Brockhaus och Efron Islam (1 uppl.) Islam (2 uppl.) italienska italienska italienska runt världen Katolsk (1997—...) TDV Islam Ansiklopedi Treccani Universalis Universalis Moderna Ukraina
I bibliografiska kataloger BNF : 11930986h GND : 4003412-4 J9U : 987007295878505171 LCCN : sh85009333 NDL : 00562368 NKC : ph170602