§ 1.3. Размеры атомов разных химических элементов, их абсолютные и относительные массы
Мы уже знаем, что атомы химических элементов могут отличаться друг от друга по составу и, очевидно, что это должно влиять на их массу, поскольку чем больше в ядре атома суммарное количество протонов и нейтронов, тем он тяжелее. Электроны практически не влияют на массу атома, поскольку обладают крайне малой по сравнению с нейтронами и протонами массой (mp/me
Так как количество протонов в каждом атоме всегда равно количеству электронов, а электроны, если рассматривать строение атома упрощенно, движутся вокруг ядра на значительном от него удалении, то радиус атома равен радиусу орбиты наиболее удаленного от ядра электрона. Следовательно, должна быть некоторая зависимость радиуса атома от количества таких орбит, которая в какой-то степени связана с количеством электронов.
99 %). Одну двенадцатую массы атома данного изотопа углерода было принято обозначать 1 а.е.м., что расшифровывается как «атомная единица массы». Одна атомная единица массы равно примерно 1,66·10 −27 кг.
Графическое представление смысла одной атомной единицы массы представлено на рисунке 2.
Рисунок 2. Графическая иллюстрация физического смысла одной атомной единицы массы
Таким образом, мы подошли к определению нового термина – относительной атомной массы:
Определение: относительная атомная масса химического элемента равна отношению его абсолютной массы к одной двенадцатой абсолютной массы атома углерода или к массе одной атомной единицы массы.
Относительную атомную массу обозначают символом Ar (индекс r означает сокращение от английского слова relative, что переводится как «относительный»). Таким образом, обозначив в общем виде химический элемент символом Х, мы получаем следующую формульную запись представленного выше определения:
Относительная атомная масса — величина безразмерная, так как в числителе и знаменателе находятся значения, измеряемые в одинаковых единицах массы (кг, г или др.). Согласно представленной выше формуле, например, относительная атомная масса водорода равна:
а относительная атомная масса кислорода:
В большинстве расчетных задач, с которыми приходится иметь дело химикам, используются значения относительных атомных масс, округленные до целочисленных значений, т.е. применительно к водороду и кислороду:
Следует отметить, что атомную массу хлора округляют до 35,5. Это связано с тем, что у данного элемента наиболее распространенные в природе изотопы имеют относительные атомные массы 35 и 37, а их содержание в смеси близко к 3:1 в пользу более легкого.
Размер и масса атома
Размер атома определяется радиусом его внешней электронной оболочки. Размеры всех атомов
Атомы очень маленькие и очень легкие. Атом во столько раз легче яблока, во сколько раз яблоко легче земного шара. Если мир «потяжелеет» так, что атом станет весить как капля воды, то люди в таком мире станут тяжелыми, как планеты: дети — как Меркурий и Марс, а взрослые — как Венера и Земля.
Рассмотреть атом нельзя даже с помощью микроскопа. Лучшие оптические микроскопы позволяют различить детали объекта, если расстояние между ними
0,2 мкм. В электронном микроскопе это расстояние удалось уменьшить до
2-3 Å. Различить и сфотографировать отдельные атомы впервые удалось с помощью ионного проектора. Но никто не видел, как устроен атом внутри. Все данные о строении атомов получены из опытов по рассеянию частиц.
Масса атомного ядра в несколько тысяч раз больше массы его электронной оболочки. Это связано с тем, что ядра атомов состоят из очень тяжелых, по сравнению с электроном, частиц — протонов p и нейтронов n. Их массы почти одинаковы и примерно в 2000 раз больше массы электрона. При этом протон — положительно заряженная частица, а нейтрон — нейтральная. Заряд протона по величине равен заряду электрона. Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке, это и обеспечивает электрическую нейтральность атома. Число нейтронов может быть различным, в ядре атома легкого водорода нейтронов нет совсем, а в ядре атома углерода их может быть и 6, и 7, и 8.
Масса атома меньше суммы масс ядра и электронов на величину Δm, называемую дефектом масс, который возникает из-за кулоновского взаимодействия ядра и электронов. Дефект масс у атомов (в отличие от ядер) очень мал, и, хотя он увеличивается с ростом Z, ни у одного атома не превышает массы электрона. Материал с сайта http://worldofschool.ru
Про относительные размеры
Итак, все себе примерно представляют (я на это надеюсь), как, в теории, выглядит модель атома. Если не все, то вот:
Протоны(P) и нейтроны(N) образуют ядро, вокруг которого вращаются электроны(e). Не буду сейчас рассказывать о том, что есть ещё нейтрины, фотоны, бозоны Хиггса и т.п, не расскажу о заряде е и Р, о общем заряде атома и почему он всегда равен нулю (в нормальном состоянии(про не нормальные состояния тоже не расскажу)), это всё в учебниках химии есть. Так же не буду разбирать, какие силы не дают электронам лететь, куда хотеть, а заставляют крутиться вокруг ядра, и прочее, и прочее. Я расскажу о размерах ядра и о расстоянии, на котором электроны вращаются вокруг него. И об их сравнительной массе. Для е буду брать «массу покоя». Рассмотрим это всё на примере атома водорода. Начнём.
Атом водорода састоит из одного е и одного Р. е вращается вокруг Р (да, я ленивая жопа и мне впадлу лишний раз написать протон и электрон):
Если увеличить электрон до 1 мм, а протон, соответственно, до 4 мм, то е водорода будет крутиться вокруг Р на расстоянии в 200 метров! Сравним с орбитой Земли вокруг Солнца. Она равна 149 500 000 км (я тут немножко округлил). Если уменьшить солнечную систему так, чтобы Солнце было 4 мм в диаметре (а земля была бы 0,03 мм в диаметре), то тогда расстояние до Земли было бы. 43 метра! Это меньше орбиты е в 4,7 раз. То есть, если увеличить Р водорода до размеров Солнца, е находился бы рядом с Юпитером. И его диаметр составлял бы 348 000 км, что в 2,5 раза больше диаметра Юпитера. И если провести сравнение с Москвой и Россией, как у @alekseev77, когда при размере Солнца в 4 км Земля находилась в Нижнем Новгороде, то при размере Р в 4 км е находился бы.
Около Ханты-Мансийска) Такие вот дела.
Спасибо за просмотр, надеюсь, было интересно. @alekseev77, надеюсь, не обижаешься, за позаимствованную идею? Просто мне хотелось показать, что гигантские расстояния есть не только фактические, но и относительные)
Размер и масса атома
Автор: mobilspy · Опубликовано 09.09.2014 · Обновлено 30.09.2018
Размер атома определяется радиусом его внешней электронной оболочки. Размеры всех атомов
10?10 м. А размер ядра на 5 порядков меньше, всего — 10-15 м. Наглядно это можно представить так: если атом увеличить до размеров 20-этажного дома, то ядро атома будет выглядеть как миллиметровая пылинка в центральной комнате этого дома.
Однако трудно вообразить дом, масса которого практически полностью сосредоточена в этой пылинке. А атом именно таков.
Атомы очень маленькие и очень легкие. Атом во столько раз легче яблока, во сколько раз яблоко легче земного шара.
Если мир «потяжелеет» так, что атом станет весить как капля воды, то люди в таком мире станут тяжелыми, как планеты: дети — как Меркурий и Марс, а взрослые — как Венера и Земля.
Рассмотреть атом нельзя даже с помощью микроскопа. Лучшие оптические микроскопы позволяют различить детали объекта, если расстояние между ними
В электронном микроскопе это расстояние удалось уменьшить до
2-3 A?. Различить и сфотографировать отдельные атомы впервые удалось с помощью ионного проектора. Но никто не видел, как устроен атом внутри.
Все данные о строении атомов получены из опытов по рассеянию частиц.
Масса атомного ядра в несколько тысяч раз больше массы его электронной оболочки. Это связано с тем, что ядра атомов состоят из очень тяжелых, по сравнению с электроном, частиц — протонов p и нейтронов n. Их массы почти одинаковы и примерно в 2000 раз больше массы электрона.
При этом протон — положительно заряженная частица, а нейтрон — нейтральная. Заряд протона по величине равен заряду электрона.
Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке, это и обеспечивает электрическую нейтральность атома. Число нейтронов может быть различным, в ядре атома легкого водорода нейтронов нет совсем, а в ядре атома углерода их может быть и 6, и 7, и 8.
Масса электрона me ≈ 0,91 • 10-30 кг, масса протона mp ≈ 1,673 • 10-27 кг = 1836 me, масса нейтрона mn = 1,675 • 10?27кг ≈ 1840 me.
Масса атома меньше суммы масс ядра и электронов на величину Δm, называемую дефектом масс, который возникает из-за кулоновского взаимодействия ядра и электронов. Дефект масс у атомов (в отличие от ядер) очень мал, и, хотя он увеличивается с ростом Z, ни у одного атома не превышает массы электрона.
Конечно, атом нельзя положить на весы и взвесить, он слишком мал. Массы атомов сначала определили химики.
Причем измерили они их в относительных единицах, приняв за единицу массу атома водорода и воспользовавшись законом Дальтона, согласно которому химические вещества образуются при соединении атомов химических элементов в строго определенной пропорции. И сейчас массы атомов чаще всего измеряют в относительных единицах, но в качестве атомной единицы массы (а. е. м.) используют 1/12 массы атома углерода C12,1 а. е. м. = 1,66057 • 10-27 кг.
Масса молекул. Количество вещества
Размер одного атома примерно равен 10 в какой степени
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Содержание
История становления понятия
Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.
На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.
Модели атомов
Квантово-механическая модель атома
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 12 C.
Строение атома
Субатомные частицы
Шаблон:Main 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.
Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726Шаблон:E кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749Шаблон:E кг).Шаблон:Sfn
При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5Шаблон:E м, хотя размеры этих частиц определены плохо.Шаблон:Sfn
В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный + 2 ⁄3 или (− 1 ⁄3 ) элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами. [10] [11]
Электроны в атоме
Шаблон:Main 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 кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.
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 уровень энергии. Электрон в атоме может перейти на уровень с большей энергией при столкновении данного атома с другим атомом, электроном, ионом, или же поглотив фотон соответствующей энергии. При переходе на более низкий уровень электрон отдаёт энергию путём излучения фотона, либо путём передачи энергии другому электрону (безызлучательный переход, удары второго рода). Как и в случае поглощения, при излучательном переходе энергия фотона равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). Частота испускаемого излучения ν связана с энергией фотона E соотношением E = hν, где h — постоянная Планка.
Свойства атома
По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). [12] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом оганесона, в ядре которого 118 протонов. [13] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.Шаблон:Sfn [14]
Масса
Шаблон:Main Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1 ⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66Шаблон:E г. [15] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. [16] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы [17] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208Шаблон:Sfn с массой 207,9766521 а. е. м. [18]
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 (примерно 6,022Шаблон:E). 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. [15]
Размер
Шаблон:Main 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. [19] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. [20] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).Шаблон:Sfn 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. [21] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2Шаблон:E) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. [22] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. [23] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.Шаблон:Sfn
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. [24]
Радиоактивный распад
У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм [25] ).
Существуют три основные формы радиоактивного распада [26] [27] :
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. [25]
Магнитный момент
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. [29]
В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля. [29] [30]
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. [31] Шаблон:Sfn
Энергетические уровни
Шаблон:Main 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. [32]
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 фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Частота испускаемого излучения пропорциональна энергии фотона, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра.Шаблон:Sfn Каждый химический элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов. [33]
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 темные 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. [34]
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. [35]
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). [36] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.Шаблон:Sfn
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. [37]
Валентность
Шаблон:Main 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. [38]
Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы. Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами. [39] [40]
Дисперсионное притяжение
Деформационная поляризация 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 =αeE, где αe — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.
Ионизация атома
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.
Взаимодействие атома с электроном
Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион.
На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3-4 эВ):
| Атом | Энергия сродства к электрону, эВ [43] |
|---|---|
| F | 3,62 ± 0,09 |
| Cl | 3,82 ± 0,06 |
| Br | 3,54 ± 0,06 |
| I | 3,23 ± 0,06 |
Электроотрицательность атома
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):
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.
