Характеристики атома¶

Характеристики атома — совокупность физических величин и квантовых чисел, описывающих строение и свойства атома как квантовой системы: распределение электронов по орбиталям, энергетические уровни, размеры, массу и магнитные характеристики. Атом — минимальная частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства; его характеристики определяются числом протонов в ядре (атомным номером) и поведением электронов в квантовом механическом описании.

¶Основные характеристики

¶Строение атома

¶Ядро

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), связанных сильным взаимодействием. Диаметр ядра составляет порядка 10⁻¹⁵ м, то есть на 4–5 порядков меньше размера самого атома. Заряд ядра равен Ze, где e — элементарный заряд. Массовое число A равно сумме числа протонов Z и нейтронов N: A = Z + N. Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым Z, но разным N.

¶Электронная оболочка

Электроны в атоме распределяются по квантовым состояниям, описываемым четырьмя квантовыми числами:

• Главное квантовое число n (1, 2, 3, …) — определяет энергетический уровень и «размер» орбитали.
• Магнитное квантовое число mₗ (от −l до +l) — ориентация орбитали в пространстве.
• Спиновое квантовое число mₛ (±½) — проекция спина электрона.

Принцип Паули запрещает двум электронам иметь полный набор одинаковых квантовых чисел. Правило Хунда определяет максимальную вырожденность заполнения вырожденных орбиталей. Правило Клечковского (правило наименьшей энергии) описывает порядок заполнения: сначала орбитали с меньшей суммой n + l.

¶Энергетическая структура

Электронные уровни обозначаются K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3), N (n = 4) и далее. Энергия электрона в атоме водорода по формуле Бора:

Eₙ = −13,6 эВ / n²

Для многоэлектронных атомов энергия уровней зависит также от l (явление экранирования и проникающего эффекта), поэтому порядок заполнения отличается: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p и т. д.

¶Размеры и формы атомов

Радиус атома определяется расстоянием от ядра до области с максимальной вероятностью обнаружения внешнего электрона. По периодическому закону радиусы атомов:

• убывают слева направо в периоде (рост эффективного заряда ядра);
• возрастают сверху вниз в группе (появление новых энергетических уровней).

Так, радиус цезия (343 пм) в 6 раз больше радиуса фтора (64 пм). Атомы редкоземельных элементов демонстрируют «лантаноидное сжатие» — аномально малые радиусы из-за слабого экранирования 4f-электронами.

¶Магнитные и оптические характеристики

Спин электрона и орбитальные моменты импульса создают магнитный момент атома. Магнитный квантовый момент проявляется в эффекте Зеемана — расщеплении спектральных линий во внешнем магнитном поле. Спектральные линии характеризуют переходы электронов между уровнями и служат «отпечатком» элемента: по спектру можно определить элементный состав вещества.

¶Периодический закон

Все перечисленные характеристики систематически изменяются в зависимости от атомного номера — это проявление периодического закона, открытого Д. И. Менделеевым в 1869 году. Периодическая система элементов группирует элементы с одинаковым числом валентных электронов, что объясняет сходство их химических свойств.

¶Историческая справка

Представления об атоме развивались от атомистики Демокрита и Лукреция через гипотезу Дальтона (1803) и планетарную модель Томсона (1897) к модели Резерфорда (1911), квантовой модели Бора (1913) и современной квантовомеханической модели (1926), в которой электрон описывается волновой функцией и орбиталями — областями пространства с максимальной вероятностью обнаружения электрона.

¶Источники

• Ландсберг Г. С. Общая физика. — М.: Наука.
• Струтов В. А. Физика атома и атомных ядер. — М.: Высшая школа.
• Перельман Я. И. Интересная физика.
• Химическая энциклопедия / Гл. ред. Кнунянц И. Л. — М.: Большая российская энциклопедия.
• Менделеев Д. И. Опыт системы элементов. — 1869.