Атам

Прадстаўленне атама.

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 памер.

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

Асноўны артыкул: Атамная тэорыя

Слова «атам» было прыдумана ў Старажытнай Грэцыі, гэта слова значыць «недзялімасць». Толькі ў XIX стагоддзі навукоўцы вынайшлі субатамныя часціцы, і стала зразумела, што атам не з’яўляецца недзялімым.

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 атамаў.
• 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) 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 $9,11*10^{-31}$ 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 $10^{-20}$ сантыметра.

Пратоны маюць дадатны зарад і ў 1836 разоў цяжэйшыя за электрон ($1,6726*10^{-27}$ кг). Нейтроны не маюць электрычнага зарада і ў 1839 разоў цяжэйшыя за электрон ($1,6749*10^{-27}$ 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 $2,5*10^{-15}$ 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 $+\left({\frac {2}{3}}\right)$ або $-\left({\frac {1}{3}}\right)$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

Асноўны артыкул: Атамная арбіталь

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).

Літаратура

На англійскай мове

• Michael F. L’Annunziata. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. — ISBN 0124366031.
• H. F. Beyer, V. P. Shevelko. Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN 0750304812.
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. Radiochemistry and Nuclear Chemistry. — Elsevier, 2001. — ISBN 0750674636.
• 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 3540206310.
• 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 0486659577.
• 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 048649506X.
• Edward Robert Harrison. Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN 0521773512.
• Tatjana Jevremovic. Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN 0387232842.
• James Lequeux. The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN 3540213260.
• Z.-P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging / J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 1999. — Т. 2. — P. 412—26. — ISBN 0471139467.
• Malcolm H. MacGregor. The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN 0195218337.
• Oliver Manuel. Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN 0306465620.
• Robert M. Mazo. Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0198515677.
• 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 0313316643.
• 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 0801403332.
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN 1860942504.
• Leonid Ivanovich Ponomarev. The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN 0750302518.
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN 0824708342.
• Robert Siegfried. From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN 0871699249.
• Alan D. Sills. Earth Science the Easy Way. — Barron’s Educational Series, 2003. — ISBN 0764121464.
• Boris M. Smirnov. Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN 038795550X.
• Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science. — Simon & Schuster, 2003. — P. 213—214. — ISBN 074324379X.
• Graham Woan. The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 0521575079.
• 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 0306464039.
• Steven S. Zumdahl. Introductory Chemistry: A Foundation. — 5th ed. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN 0-618-34342-3.

Спасылкі

• На Вікісховішчы ёсць медыяфайлы па тэме Атам
• Атам (нявызн.). Хімічная энцыклапедыя. Праверана 3 сакавіка 2008.
• Атам у Фізічнай энцыклапедыі
• Eden Francis.. Atomic Size (нявызн.)(недаступная спасылка). Clackamas Community College (2002). Архівавана з першакрыніцы 4 лютага 2007. Праверана 9 студзеня 2007.
• Craig C. Freudenrich.. How Atoms Work (нявызн.)(недаступная спасылка). How Stuff Works. Архівавана з першакрыніцы 4 лютага 2007. Праверана 9 студзеня 2007.
• The atom (нявызн.)(недаступная спасылка). Science aid+ (2007). — A guide to the atom for teens. Архівавана з першакрыніцы 22 ліпеня 2011. Праверана 9 студзеня 2007.
• Atoms and Atomic Structure (нявызн.). BBC (3 студзеня 2006). Праверана 11 студзеня 2007.
• Physics 2000 (нявызн.)(недаступная спасылка). University of Colorado (3 студзеня 2006). Архівавана з першакрыніцы 14 студзеня 2008. Праверана 11 студзеня 2008.
• Украінскія вучоныя ўпершыню сфатаграфавалі атам (нявызн.) (16 верасня 2009).
• Вучоныя ізалявалі, захапілі і сфатаграфавалі атам Рубідыя 85 (нявызн.). Physorg.com (1 кастрычніка 2010). Праверана 1 кастрычніка 2010.
• Будова атама Архівавана 14 мая 2023.
• Спектры атамаў (нявызн.). Праверана 10 кастрычніка 2010.