Атам

А́там — электранейтральная часціца, якая складаецца з дадатна зараджанага ядра і адмоўна зараджаных электронаў, якія рухаюцца вакол яго.

Атам складаецца з масіўнага ядра, якое мае дадатны электрычны зарад, і некалькіх лягчэйшых электронаў, якія маюць адмоўны электрычны зарад і ўтвараюць вакол ядра электронныя абалонкі. Памеры атама нашмат большыя за памер ядра і вызначаюцца памерамі электронных абалонак. Парадак лінейных памераў атама — 0,1 нм.

Ядро складаецца з пратонаў і нейтронаў.

Атамы класіфікуюцца па колькасці пратонаў і нейтронаў у ядры: лік пратонаў Z адпавядае парадкаваму нумару атама ў перыядычнай сістэме элементаў і вызначае яго прыналежнасць да некаторага хімічнага элементу, а лік нейтронаў N — вызначае тып ізатопу гэтага элемента. Адзіны стабільны атам, не які змяшчае нейтронаў у ядры — лёгкі вадарод. Лік Z таксама вызначае сумарны дадатны электрычны зарад (Ze) атамнага ядра і лік электронаў у нейтральным атаме, які задае яго памерAtom // IUPAC Gold Book.

Фізічныя і хімічныя ўласцівасці атама вызначаюцца яго будовай, якая апісваецца квантавымі законамі.

У залежнасці ад кантэксту, гаворачы пра атам, маюць на ўвазе як электранейтральныя атамы, так і іоны згаданага хімічнага элемента, або гавораць пра атам, каб адрозніць нейтральную часціцу рэчыва ад іона, які мае электрычны зарад.

Гісторыя атамнай тэорыі

Дэмакрыт і некаторыя іншыя старажытнагрэчаскія філосафы меркавалі, што матэрыяльны свет складаецца з маленькіх непадзельных часцінак. Такія часцінкі яны называлі атамамі (ад стар.-грэч. ἄτομος — «непадзельны», «нерассякальны»). На той час гэтая ідэя не набыла шырокага распаўсюджання ў Еўропе і да 17-га стагоддзя заставалася ў ценю пазнейшай канцэпцыі, распрацаванай Платонам і Арыстоцелем, пра тое, што абсалютна непадзельных часцінак не можа існаваць.

Хімічныя даследаванні Новага часу прывялі да адкрыцця законаў захавання масы ў ходзе хімічных рэакцый (1789) і пастаянства саставу хімічных рэчываў (канец 18-га стагоддзя). У перыяд з 1803 па 1807 год Джон Дальтан зрабіў спробу растлумачыць, чаму гэтыя законы выконваюцца, і прапанаваў атамную тэорыю з наступнымі пастулатамі:

Кожны элемент складаецца з вельмі маленькіх часцінак-атамаў. Усе атамы аднаго элемента роўныя, але адрозніваюцца ад атамаў усіх іншых элементаў. У ходзе хімічных рэакцый атамы аднаго элемента не могуць ператварыцца ў атамы іншага. Таксама ў часе рэакцыі не адбываецца ні стварэння, ні знікнення атамаў. Атамы некалькіх элементаў утвараюць злучэнні. Пры гэтым пэўнае злучэнне заўсёды складаецца з атамаў адных і тых жа тыпаў у адной і той жа прапорцыі.

З прапанаванай тэорыі лагічна вынікала праўдзівасць сфармуляванага Дальтанам закона кратных адносін, якая таксама пацвердзілася эксперыментальна, падмацаваўшы самі пастулаты.

Гістарычныя мадэлі атама Кавалачкі матэрыі. Дэмакрыт меркаваў, што ўласцівасці таго ці іншага рэчыва вызначаюцца формай, масай, і іншымі характарыстыкамі атамаў, якія яго ўтвараюць. Так, скажам, у агню атамы вострыя, таму агонь здольны апальваць, у цвёрдых целаў яны шурпатыя, таму моцна счапляюцца адзін з адным, у вады — гладкія, таму яна здольна цячы. Нават душа чалавека, згодна з Дэмакрытам, складаецца з атамаўДемокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира / А. О. Чубарьян. — М.: Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5-948-49307-5.. Мадэль атама Томсана 1904 г. (мадэль «пудынг з разынкамі»). Джозеф Джон Томсан прапанаваў разглядаць атам як некаторае дадатна зараджанае цела, унутры якога знаходзяцца электроны. Была канчаткова адхілена Резерфордам пасля праведзенага ім знакамітага вопыту па рассейванню альфа-часціц. Ранняя планетарная мадэль атама Нагаока. У 1904 годзе японскі фізік Хантаро Нагаока прапанаваў мадэль атама, пабудаваную па аналогіі з планетай Сатурн. У гэтай мадэлі вакол маленькага дадатна зараджанага ядра па арбітах круціліся электроны, аб’яднаныя ў колцы. Мадэль аказалася памылковай. Планетарная мадэль атама Рэзерфорда (1911)Планетарная модель атома і пазнейшая бораўская мадэль атама (1913). Эрнэст Рэзерфорд, правёўшы шэраг эксперыментаў, прыйшоў да высновы, што атам уяўляе сабой падабенства планетнай сістэмы, у якой электроны рухаюцца па арбітах вакол размешчанага ў цэнтры атама цяжкага дадатна зараджанага ядра («мадэль атама Рэзерфорда»). Аднак такое апісанне атама ўвайшло ў супярэчнасць з класічнай электрадынамікай. Справа ў тым, што, згодна з класічнай электрадынамікай, электрон пры руху з цэнтраімклівым паскарэннем павінен выпраменьваць электрамагнітныя хвалі і, такім чынам, губляць энергію. Разлікі паказвалі, што час, за які электрон у такім атаме ўпадзе на ядро, вельмі малы. Для тлумачэння стабільнасці атамаў Нільсу Бору прыйшлося ўвесці пастулаты, якія зводзіліся да таго, што электрон у атаме, знаходзячыся ў некаторых спецыяльных энергетычных станах, не выпраменьвае энергію («мадэль атама Бора-Рэзерфорда»). Увядзенне пастулатаў Бора стала вынікам усведамлення таго, што для апісання атама класічная механіка непрыдатна. Далейшае вывучэнне выпраменьвання атама прывяло да стварэння квантавай механікі, якая дазволіла растлумачыць пераважную большасць назіраных фактаў.

Квантава-механічная мадэль атама Сучасная мадэль атама з’явілася ў выніку развіцця планетарнай мадэлі Бора-Рэзерфорда. Згодна сучаснай мадэлі, ядро атама складаецца з дадатна зараджаных пратонаў і нейтронаў, якія не маюць зарада. Ядро акружана адмоўна зараджанымі электронамі. Аднак тэорыя квантавай механікі не дазваляе лічыць, што электроны рухаюцца вакол ядра па дакладна вызначаных траекторыях (нявызначанасць каардынат электрона ў атаме можа быць параўнальная з памерамі самога атама).

Хімічныя ўласцівасці атамаў вызначаюцца канфігурацыяй электроннай абалонкі і апісваюцца квантавай механікай. Месца ў перыядычнай сістэме элементаў вызначаецца электрычным зарадам ядра атама (гэта значыць, колькасцю пратонаў), у той час як колькасць нейтронаў прынцыпова не ўплывае на хімічныя ўласцівасці; пры гэтым нейтронаў ў ядры, як правіла, больш, чым пратонаў (гл.: атамнае ядро). Атам мае нейтральны зарад, г.зн. колькасць электронаў у ім роўна колькасці пратонаў. Асноўная маса атама сканцэнтравана ў ядры, а масавая доля электронаў у агульнай масе атама нязначная (некалькі сотых адсотка масы ядра).

Масу атама прынята вымяраць ў атамных адзінках масы, роўных 1⁄12 ад масы атама стабільнага ізатопа вугляроду 12C.

Будова атама

Субатамныя часціцы Хоць слова «атам» у першапачатковым значэнні азначала часціцу, якая не дзеліцца на некалькі меншых, паводле навуковых уяўленняў ён складаецца з больш дробных часціц, названых субатамнымі часціцамі. Атам складаецца з электронаў, пратонаў, усе атамы, акрамя вадароду-1, маюць таксама нейтроны.

Электрон з’яўляецца самай лёгкай з часціц, якія складаюць атам, з масай кг, адмоўным зарадам і памерам, занадта малым для вымярэння сучаснымі метадамі. Эксперыменты па звышдакладным вызначэнні магнітнага моманту электрона (Нобелеўская прэмія 1989 года) паказваюць, што памеры электрона не большыя за сантыметраДемельт Х.«Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей» // УФН, т. 160 (12), с. 129—139, 1990Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest.

Пратоны маюць дадатны зарад і ў 1836 разоў цяжэйшыя за электрон ( кг). Нейтроны не маюць электрычнага зарада і ў 1839 разоў цяжэйшыя за электрон ( кг).

Пры гэтым маса ядра меншая за суму мас складаючых яго пратонаў і нейтронаў з-за дэфекту масы. Нейтроны і пратоны маюць параўнальны памер, каля м, хоць памеры гэтых часціц вызначаны недастаткова дакладна.

У стандартнай мадэлі элементарных часціц як пратоны, так і нейтроны складаюцца з элементарных часціц, названых кваркамі. Разам з лептонамі, кваркі з’яўляюцца адным з асноўных складнікаў матэрыі. І першыя, і другія з’яўляюцца ферміёнамі. Існуе шэсць тыпаў кваркаў, кожны з якіх мае дробны электрычны зарад, роўны або элементарнага. Пратоны складаюцца з двух u-кваркаў і аднаго d-кварка, а нейтрон — з аднаго u-кварка і двух d-кваркаў. Гэтае адрозненне тлумачыць розніцу ў масах і зарадах пратона і нейтрона. Кваркі звязаныя паміж сабой моцнымі ядзернымі ўзаемадзеяннямі, якія перадаюцца глюонамі

Электроны ў атаме

Пры апісанні электронаў у атаме ў рамках квантавай механікі звычайна разглядаюць размеркаванне імавернасцей у 3n-мернай прасторы для сістэмы n электронаў.

Электроны ў атаме прыцягваюцца да ядра, паміж электронамі таксама дзейнічае кулонаўскае ўзаемадзеянне. Гэтыя ж сілы ўтрымліваюць электроны ўнутры патэнцыйнага бар’ера, які акружае ядро. Для таго каб электрон змог пераадолець прыцягненне ядра, яму неабходна атрымаць энергію ад вонкавай крыніцы. Чым бліжэй электрон знаходзіцца да ядра, тым больш энергіі для гэтага неабходна.

Электронам, як і іншым часціцам, уласцівы карпускулярна-хвалевы дуалізм. Часам кажуць, што электрон рухаецца па арбіталі, што няправільна. Стан электронаў апісваецца хвалевай функцыяй, квадрат модуля якой характарызуе шчыльнасць верагоднасці знаходжання часціц у дадзеным пункце прасторы ў дадзены момант часу, або, у агульным выпадку, аператарам шчыльнасці. Існуе дыскрэтны набор атамных арбіталей, якім адпавядаюць стацыянарныя чыстыя станы электронаў у атаме.

Кожнай арбіталі адпавядае свой узровень энергіі. Электрон у атаме можа перайсці на ўзровень з большай энергіяй пры сутыкненні дадзенага атама з іншым атамам, электронам, іонам, або паглынуўшы фатон адпаведнай энергіі. Пры пераходзе на больш нізкі ўзровень электрон аддае энергію шляхам выпраменьвання фатона, альбо шляхам перадачы энергіі іншаму электрону. Як і ў выпадку паглынання, пры выпраменьвальным пераходзе энергія фатона роўна рознасці энергій электрона на гэтых узроўнях (гл .: пастулаты Бора).

Зноскі

Літаратура На англійскай мове

Спасылкі

Атам у Фізічнай энцыклапедыі

Будова атама

Катэгорыя:Атамная фізіка Катэгорыя:Вікіпедыя:Істотныя артыкулы