Атом

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы (дальтонах), равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода ¹²C.

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11⋅10⁻³¹ кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами^[8]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻¹⁸ м^[9][10].

Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726⋅10⁻²⁷ кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749⋅10⁻²⁷ кг)^[11].

При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5⋅10⁻¹⁵ м, хотя размеры этих частиц определены плохо^[12].

В

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (ровно 6,022 140 76⋅10²³). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.^[19]

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами одинаковых атомов, которые образовали химическую связь (ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин^[23]. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо^[24]. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм)^[25]. Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра^[30].

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены

Существуют три основные формы радиоактивного распада[32]^[33]:

• Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
• антинейтрино, во втором случае на протон, позитрон и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу. К бета-распаду относят и обратный процесс — электронный захват
  , когда один из протонов атомного ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино.
• Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа^[31].

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством, известным как

(${\displaystyle \hbar }$), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин, равный ½ ${\displaystyle \hbar }$. В атоме электроны обращаются вокруг

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — в состоянии со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов^[35].

В

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии^[37][38].

Электрон в атоме находится в связанном состоянии; находясь на возбуждённом уровне, он обладает потенциальной энергией, которая пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ), и максимальное её значение равно энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). По мере перехода электрона (в атоме) на более низкие уровни потенциальная энергия уменьшается, но превращается не в кинетическую, а в энергию излучаемых фотонов. Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным (потенциальная энергия равна нулю — электрон глубже падать уже не может), а все остальные — возбуждёнными^[39].

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Эту энергию можно сообщить атому путём удара другой частицей либо путём поглощения или, соответственно, испускания

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно возвращаются на уровень, лежащий ниже по шкале энергии, снова испуская фотоны. Испущенные фотоны излучаются не в том направлении, в каком падал поглощённый, а произвольно в телесном угле 4 пи стерадиан. В результате в непрерывном спектре появляются участки с очень низким уровнем излучения, то есть тёмные линии поглощения. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных линий и полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём^[42].

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона^[43].

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена — Бака)^[44]. Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка^[45].

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот^[46].

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки^[47].

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства

Важным свойством атома является его склонность к дисперсионному притяжению. Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Ф. Лондоном. Межатомное взаимодействие возникает вследствие флуктуаций заряда в двух атомах, находящихся близко друг от друга. Поскольку электроны движутся, каждый атом обладает мгновенным дипольным моментом, отличным от нуля. Если бы флуктуации электронной плотности в двух атомах были бы несогласованными, то не было бы результирующего притяжения между атомами. Однако мгновенный диполь на одном атоме наводит противоположно направленный диполь в соседнем атоме. Эти диполи притягиваются друг к другу за счёт возникновения силы притяжения, которая называется дисперсионной силой, или силой Лондона. Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости атома α и обратно пропорциональна r⁶, где r — расстояние между двумя атомами^[50].

Деформационная поляризация проявляется в присущей атомам способности к упругой деформации их электронных оболочек под действием электромагнитных полей. Сегодняшнее понимание явления деформационной поляризации основано на представлениях о конечной упругости электронных оболочек атомов под действием электрического поля^[51]. Снятие внешнего электрического поля приводит к восстановлению электронной оболочки атома.

Деформация электронной оболочки атома приводит к смещению электронной плотности в атоме, что сопровождается образованием наведённого электрического дипольного момента μ. Дипольный момент равен произведению величины положительного заряда q на расстояние между зарядами L и направлен от отрицательного заряда к положительному μ=qL. В относительно слабых электрических полях наведённый дипольный момент пропорционален напряжённости электрического поля E. μ =α_eE, где α_e — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля наблюдается необратимая деформация атома, сопровождающаяся отрывом электрона.

Происходит ионизация атома, атом отдаёт электрон и превращается в положительно заряженный ион — катион. Отрыв электрона от атома требует затраты энергии, называемой потенциалом ионизации или энергией ионизации.

Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Изменение энергии отрыва первого электрона в зависимости от порядкового номера элемента приведено на рисунке.

Наименьшей энергией ионизации обладают атомы щелочных металлов, наибольшей — атомы благородных газов.

Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I₁, I₂, I₃… соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион.

Энергетический эффект процесса присоединения к нейтральному атому (Э) принято называть энергией сродства к электрону:

Э + e^- → Э^-.

На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3—4 эВ).

Электроотрицательность атома (χ) — фундаментальное свойство атома смещать к себе общие электронные пары в молекуле. Способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений (по Малликену) электроотрицательность атома (χ) может быть выражена как полусумма его энергии ионизации (i) и сродства к электрону (F):

${\displaystyle \chi ={\frac {1}{2}}(i+F)}$

Имеется около двадцати шкал электроотрицательности атома, в основу расчёта значений которых положены различные свойства веществ. Полученные значения разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково.

Детальный поиск взаимосвязи между шкалами электроотрицательности позволил сформулировать новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов^[53].

С момента вхождения человечества в атомную эру атом приобрёл и символический смысл. Чаще всего атом изображается в виде упрощённой модели Бора-Резерфорда. Однако встречаются и более усложнённые варианты изображения. Чаще всего изображение атома символизирует атомную энергетику («мирный атом»), ядерное оружие, ядерную физику, либо науку и научно-технический прогресс в целом.

• Физика атомов и молекул
• Молекула
• Электрон
• Протон
• Нейтрон

• Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами. — М.: Физматгиз, 1960. — 562 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. М.: Мир, 2001. — 532 c.
• Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек. — М.: Наука, 1986. — 328 с. Архивная копия от 31 июля 2013 на Wayback Machine
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1 — М.: ГИТТЛ, 1956.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2 — М.: ГИТТЛ, 1956.
• Шпольский Э. В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома 4-е изд. — М.: Наука, 1974.

На английском языке

• Michael F. L’Annunziata. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. — ISBN 0-12-436603-1.
• H. F. Beyer, V. P. Shevelko. Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN 0-75-030481-2.
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. Radiochemistry and Nuclear Chemistry. — Elsevier, 2001. — ISBN 0-75-067463-6.
• J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy, Part 1. — London and Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtröder. Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. — 1st ed. — Springer, 2002. — ISBN 3-540-20631-0.
• Richard Feynman. Six Easy Pieces. — The Penguin Group, 1995. — ISBN 978-0-140-27666-4.
• Grant R. Fowles. Introduction to Modern Optics. — Courier Dover Publications, 1989. — ISBN 0-48-665957-7.
• Mrinalkanti Gangopadhyaya. Indian Atomism: History and Sources. — Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. — ISBN 0-391-02177-X.
• David L. Goodstein. States of Matter. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN 0-48-649506-X.
• Edward Robert Harrison. Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN 0-52-177351-2.
• Tatjana Jevremovic. Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN 0-38-723284-2.
• James Lequeux. The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN 3-540-21326-0.
• Z.-P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging / J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 1999. — P. 412—26. — ISBN 0-47-113946-7.
• Malcolm H. MacGregor. The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN 0-19-521833-7.
• Oliver Manuel. Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN 0-30-646562-0.
• Robert M. Mazo. Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0-19-851567-7.
• Ian Mills, Tomislav Cvitaš, Klaus Homann, Nikola Kallay, Kozo Kuchitsu. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. — 2nd ed. — 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. The Basics of Chemistry. — Greenwood Press, 2003. — ISBN 0-31-331664-3.
• Michael J. Padilla, Ioannis Miaoulis, Martha Cyr. Prentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. — Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, 2002. — ISBN 0-13-054091-9.
• Linus Pauling. The Nature of the Chemical Bond. — Cornell University Press, 1960. — ISBN 0-80-140333-2.
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN 1-860-94250-4.
• Leonid Ivanovich Ponomarev. The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN 0-75-030251-8.
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN 0-82-470834-2.
• Robert Siegfried. From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN 0-87-169924-9.
• Alan D. Sills. Earth Science the Easy Way. — Barron’s Educational Series, 2003. — ISBN 0-76-412146-4.
• Boris M. Smirnov. Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN 0-38-795550-X.
• Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science. — Simon & Schuster, 2003. — P. 213—214. — ISBN 0-74-324379-X.
• Graham Woan. The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 0-52-157507-9.
• Charles Adolphe Wurtz. The Atomic Theory. — New York: D. Appleton and company, 1881.
• Marco Zaider, Harald H. Rossi. Radiation Science for Physicians and Public Health Workers. — Springer, 2001. — ISBN 0-30-646403-9.
• Steven S. Zumdahl. Introductory Chemistry: A Foundation. — 5th ed. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN 0-618-34342-3.

• Атом в Физической энциклопедии
• Eden Francis. Atomic Size  (неопр.). Clackamas Community College (2002). Дата обращения: 9 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Craig C. Freudenrich. How Atoms Work  (неопр.). How Stuff Works. Дата обращения: 9 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• The atom  (неопр.). Science aid+ (2007). — A guide to the atom for teens. Дата обращения: 9 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Atoms and Atomic Structure  (неопр.). Би-би-си (3 января 2006). Дата обращения: 11 января 2007. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Physics 2000  (неопр.). University of Colorado (3 января 2006). Дата обращения: 11 января 2008. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Почему электрон не падает на ядро? Научный журнал ARI
• Украинские учёные впервые сфотографировали атом  (неопр.) (16 сентября 2009).
• Учёные изолировали, захватили и сфотографировали атом Рубидия 85  (неопр.) (1 октября 2010). Дата обращения: 1 октября 2010. Архивировано 2 февраля 2012 года.
• Строение атома
• Строение атома (учебный фильм)
• Спектры атомов  (неопр.). Дата обращения: 10 октября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
• Структура атомов, учебный фильм  (неопр.). Дата обращения: 10 октября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.