Главная Атомная и ядерная физика Вводные замечания. Определения


















Вводные замечания. Определения

АТОМ — наименьшая составная часть вещества, в которой сохраняется индивидуальность химического элемента. Сам химический элемент - это совокупность атомов одного сорта. Взаимодействие между атомами (одинаковыми или разными) может приводить к образованию из них более сложных комплексов - молекул. В обычных земных условиях любые твёрдые, жидкие и газообразные вещества составлены из атомов (или молекул) одного или нескольких химических элементов. Поэтому можно сказать, что атомы выступают в роли строительных «кирпичей» вещества и в конечном итоге ответственны за его механические, химические, электрические, магнитные и др. свойства.

Идея атомистического строения вещества зародилась ещё в Древней Греции (само слово «атом» означает по-гречески «неделимый»). Однако глубокое развитие и обоснование эта идея получила лишь в 19 в. в результате исследования химических превращений, явления электролиза, разработки кинетической теории материи. К началу 20 в. атомистические представления не только прочно утвердились в науке, но был поставлен вопрос и о внутреннем строении атома, что в первую очередь диктовалось необходимостью объяснить удивительную периодичность химических свойств элементов, открытую Д. И. Менделеевым, и закономерности оптических спектров.

Одна из первых моделей структуры атома была предложена в 1904 г. Дж. Дж. Томсоном. Согласно Томсону, Z электронов, каждый из которых обладает зарядом , находятся в определённых равновесных положениях внутри непрерывно распределённого по объёму атома положительного электрического заряда +Z e, образуя электрически нейтральную систему. Электроны могут колебаться около своих равновесных положений и испускать и поглощать электромагнитное излучение. В сложном атоме электроны распределены по кольцам различного радиуса, что определяет периодичность химических свойств атома. Однако несколько лет спустя было обнаружено, что лежащее в основе этой модели представление о непрерывно распределённом внутри атома положительном заряде ошибочно.

Прямое экспериментальное исследование строения атома впервые было проведено в 1911 г. Э. Резерфордом, изучавшим прохождение α-частиц через тонкую фольгу. Картина рассеяния α-частиц свидетельствовала о том, что положительный заряд атома сконцентрирован в очень малой области с размерами меньше 10-12 см. Этот вывод послужил основой знаменитой резерфордовской модели атома, согласно которой атом состоит из тяжёлого положительно заряженного ядра малых размеров и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

По современным представлениям, ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), удерживаемых в ядре мощными ядерными силами. Масса протона в 1836, а масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, поэтому практически вся масса атом сосредоточена в его ядре, имеющем линейные размеры (радиус) порядка 10-13 - 10-12 см. Ядро окружено рыхлым облаком электронов, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки (не имеющей строго определённой границы) и составляют по порядку величины 10-8 см, т. е. в десятки тысяч раз превышают размеры ядра. Положительный заряд протона и отрицательный электрона одинаковы по абсолютной величине и равны е = 1,6·10-19 к; нейтрон не обладает электрическим зарядом. В обычных условиях атомы электрически нейтральны: число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре. Однако при определённых условиях атом может отдавать часть своих электронов или присоединять дополнительные электроны, превращаясь соответственно в положительный или отрицательный ион. Число протонов в ядре Z, определяющее заряд ядра +Ze, называется атомным номером и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов. Заряд ядра - основная характеристика атома. При одном и том же Z число нейтронов N в ядре может быть различным; атомы с одинаковыми Z и разными N называются изотопами. Хотя изотопы имеют различные массы, по своим химическим свойствам они почти неотличимы. Общее число А протонов и нейтронов в ядре, A = Z+N, называется массовым числом. Масса атома пропорциональна А (с точностью до малых поправок).

Строение электронных оболочек атома, в частности внешней оболочки, и связанные с ним химические и большинство физических свойств (оптические, электрические, магнитные) определяются электромагнитными взаимодействиями электронов с ядром и (в меньшей степени) друг с другом, в основном - кулоновскими силами. Именно к электромагнитными взаимодействиям сводятся все силы, известные для макроскопических тел (помимо гравитационных сил, которые не оказывают заметного влияния на строение атома, т. к. они очень малы по сравнению с кулоновскими силами).

Простейший атом- атом водорода (Z = +1), ядром которого является протон; нейтральный атом водорода имеет один электрон. У атома водорода есть стабильный изотоп - дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, и нестабильный изотоп - тритий с ядром, образованным одним протоном и двумя нейтронами. Основной изотоп следующего элемента - гелия (Z=2) содержит в своём ядре два протона и два нейтрона, а электронная оболочка нейтрального атом гелия состоит из двух электронов и т. д.

При описании явлений микроскопического масштаба (к которым относятся атомы и молекулы) классические представления становятся непригодными и используются квантовые представления.