Нейтральный атом¶
Нейтральный атом — атом, в котором суммарный заряд электронов равен заряду атомного ядра, вследствие чего общий электрический заряд атома равен нулю. Нейтральные атомы составляют основу большинства химических элементов в обычных условиях: при нормальном давлении и комнатной температуре практически все вещества состоят из нейтральных атомов или молекул, образованных ими.
¶Строение атома
Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Заряд ядра определяется числом протонов (атомным номером элемента $Z$), а число электронов в нейтральном атоме равно $Z$. Каждый электрон имеет заряд $-e$, поэтому суммарный заряд оболочки компенсирует заряд ядра.
Масса атома практически полностью сосредоточена в ядре: протоны и нейтроны примерно в 1836 раза тяжелее электронов. Электроны занимают дискретные энергетические уровни (оболочки), описываемые квантовыми числами, и не падают на ядро благодаря принципу Паули и законам квантовой механики.
¶Электронная конфигурация
Распределение электронов по уровням и подуровням называется электронной конфигурацией. Оно подчиняется правилам:
- Принцип минимальной энергии — электроны заполняют доступные орбитали в порядке возрастания энергии.
- Принцип Паули — на каждой орбитали не может быть более двух электронов с противоположными спинами.
- Правило Хунда — при заполнении вырожденных орбиталей электроны сначала занимают их по одному и с одинаковыми спинами.
Например, у натрия ($Z=11$) конфигурация нейтрального атома: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$. Внешний неспаренный электрон определяет химическую активность элемента.
¶Ионизация и возбуждение
Нейтральный атом может переходить в заряженное состояние двумя основными способами:
- Ионизация — удаление электрона из атома. Минимальная энергия, необходимая для этого, называется энергией ионизации. Для водорода она составляет 13,6 эВ, для щелочных металлов — около 4–5 эВ.
- Возбуждение — переход электрона на более высокий уровень при поглощении фотона с энергией, равной разности энергий уровней.
При столкновениях нейтральных атомов с другими частицами возможны процессы ионизации и рекомбинации (обратный процесс — присоединение электрона к иону с образованием нейтрального атома).
¶Спектры нейтральных атомов
Переходы электронов между уровнями сопровождаются испусканием или поглощением фотонов с дискретными энергиями. Спектр нейтрального атома состоит из серии линий, характерных для данного элемента — это лежит в основе спектрального анализа, с помощью которого были открыты многие элементы (гелий в солнечном спектре, галлий, скандий и др.).
Линии спектра нейтрального атома обозначают добавлением римской цифры I (например, Fe I — линии нейтрального железа), тогда как линии ионизированных атомов обозначают II, III и т. д.
¶Роль в природе и технологии
Нейтральные атомы — основа:
- Обычной материи — в звёздах, планетах, живых организмах.
- Лазеров — активная среда гелий-неонового, аргонового и других газоразрядных лазеров состоит из нейтральных атомов, возбуждённых электрическим разрядом.
- Атомных часов — переключение между уровнями нейтрального цезия-133 определяет секунду в Международной системе единиц.
- Спектроскопии и аналитической химии — атомно-эмиссионный и атомно-абсорбционный анализ основаны на характеристических спектрах нейтральных атомов.
В космосе нейтральные атомы встречаются в межзвёздной среде, в атмосферах планет и в солнечном ветре наряду с ионами.
¶Смежные понятия
- Ион — заряженный атом или группа атомов, получившая или потерявшая электроны.
- Плазма — ионизированный газ, состоящий из ионов и свободных электронов; нейтральные атомы присутствуют в плазме лишь частично.
- Атомно-молекулярная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства атомов и молекул.
Источники:
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Курс общей физики. Том 3. Квантовая механика.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 3. Квантовая механика.
- Гурьев С. М. Курс общей физики. Том 2. Электричество.
- Энциклопедический словарь физических терминов.
- Фрумкин А. Н. и др. Физическая химия.