الجسيمات التي تتكون منها الذرة. معلومات أساسية عن بنية الذرة: النشاط الإشعاعي. النظرية الذرية في العلوم الرومانية

الذرة (من الكلمة اليونانية "غير قابلة للتجزئة") هي ذات يوم أصغر جزء من مادة ذات أبعاد مجهرية ، وهو أصغر جزء من عنصر كيميائي يحمل خصائصه. لم تعد مكونات الذرة - البروتونات والنيوترونات والإلكترونات - تمتلك هذه الخصائص وتشكلها معًا. الذرات التساهمية تشكل جزيئات. يدرس العلماء ميزات الذرة ، وعلى الرغم من دراستها جيدًا بالفعل ، إلا أنهم لا يفوتون فرصة العثور على شيء جديد - على وجه الخصوص ، في مجال إنشاء مواد جديدة وذرات جديدة (متابعة الجدول الدوري). 99.9٪ من كتلة الذرة موجودة في النواة.

اكتشف علماء من جامعة Redbud آلية جديدة للتخزين المغناطيسي للمعلومات في أصغر وحدة من المادة: ذرة واحدة. على الرغم من إثبات المبدأ في غاية الوضوح درجات الحرارة المنخفضة، فهذه الآلية تعد بالعمل في درجة حرارة الغرفة أيضًا. وبالتالي ، سيكون من الممكن تخزين معلومات أكثر بآلاف المرات مما هي عليه الآن محركات الأقراص الصلبة. نُشرت نتائج العمل في مجلة Nature Communications.

أتوم [ذرة فرنسية ، من لاتينية ذرة ، من اليونانية؟ τομος (ουσ؟ α) - غير قابل للتجزئة (جوهر)] ، جسيم من المادة ، أصغر جزء من عنصر كيميائي ، وهو الناقل لخصائصه. تكون ذرات كل عنصر فردية في التركيب والخصائص ويتم تحديدها بواسطة الرموز الكيميائية للعناصر (على سبيل المثال ، ذرة الهيدروجين هي H ، والحديد هو Fe ، والزئبق هو Hg ، واليورانيوم هو U ، وما إلى ذلك). يمكن أن توجد الذرات في حالة حرة وفي حالة مرتبطة (انظر الرابطة الكيميائية). ترجع المجموعة الكاملة للمواد إلى مجموعات مختلفة من الذرات فيما بينها. تعتمد خصائص المواد الغازية والسائلة والصلبة على خصائص الذرات المكونة لها. يتم تحديد جميع الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرة من خلال هيكلها وامتثال لقوانين الكم. (حول تاريخ تطور عقيدة الذرة ، انظر مقالة الفيزياء الذرية.)

الخصائص العامة لبنية الذرات. تتكون الذرة من نواة ثقيلة ذات شحنة كهربائية موجبة وإلكترونات ضوئية تحيط بها بشحنات كهربائية سالبة تشكل غلاف الإلكترون للذرة. يتم تحديد أبعاد الذرة من خلال أبعاد غلافها الإلكتروني الخارجي وهي كبيرة مقارنة بأبعاد النواة الذرية. الترتيب المميز للأقطار ومساحات المقطع العرضي وأحجام الذرة والنواة هي:

ذرة 10-8 سم 10-16 سم 2 10-24 سم 3

كور 10-12 سم 10-24 سم 2 10-36 سم 3

لا تحتوي قذائف الإلكترون في الذرة على حدود محددة بدقة ، وتعتمد قيم أبعاد الذرة إلى حد أكبر أو أقل على طرق تحديدها.

شحنة النواة هي السمة الرئيسية للذرة ، والتي تحدد انتمائها إلى عنصر معين. تكون شحنة النواة دائمًا عددًا صحيحًا مضاعفًا للشحنة الكهربائية الأولية الموجبة ، متساوية في قيمه مطلقهشحنة الإلكترون. شحنة النواة هي + زي ، حيث Z هو الرقم التسلسلي (الرقم الذري). Z = 1 ، 2 ، 3 ، ... لذرات العناصر المتتالية في النظام الدوريالعناصر الكيميائية ، أي للذرات H ، He ، Li ، .... في الذرة المحايدة ، تحتوي النواة بشحنة + Ze على إلكترونات Z بشحنة إجمالية قدرها -Ze. يمكن للذرة أن تفقد أو تكتسب إلكترونات وتصبح أيونًا موجبًا أو سالبًا (ك = 1 ، 2 ، 3 ، ... - تعدد تأينها). غالبًا ما يشار إلى ذرة عنصر معين باسم أيوناتها. عند الكتابة ، يتم تمييز الأيونات عن الذرة المحايدة بالمؤشر k + و k - ؛ على سبيل المثال ، O عبارة عن ذرة أكسجين محايدة ، O + ، O 2+ ، O 3+ ، ... ، O 8+ ، O - ، O 2- - أيوناتها الموجبة والسالبة. يشكل الجمع بين ذرة محايدة وأيونات عناصر أخرى مع نفس العدد من الإلكترونات سلسلة متساوية الإلكترون ، على سبيل المثال ، سلسلة من الذرات الشبيهة بالهيدروجين H ، He + ، Li 2+ ، Be 3+ ، ...

تم شرح تعدد شحنة نواة الذرة إلى الشحنة الأولية e على أساس الأفكار حول بنية النواة: Z يساوي عدد البروتونات في النواة ، شحنة البروتون هي + e. تزداد كتلة الذرة مع زيادة Z. تتناسب كتلة نواة الذرة تقريبًا مع عدد الكتلة A - العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات في النواة. كتلة الإلكترون (0.91 10-27 جم) أقل بكثير (حوالي 1840 مرة) من كتلة البروتون أو النيوترون (1.67 × 10-24 جم) ، لذلك يتم تحديد كتلة الذرة أساسًا بواسطة كتلة نواتها.

قد تختلف ذرات عنصر معين في كتلة النواة (عدد البروتونات Z ثابت ، وقد يختلف عدد النيوترونات من A إلى Z) ؛ تسمى هذه الأنواع من ذرات نفس العنصر بالنظائر. الاختلاف في كتلة النواة ليس له أي تأثير تقريبًا على بنية غلاف الإلكترون لذرة معينة ، والتي تعتمد على Z ، وعلى خصائص الذرة. تم الحصول على أكبر الاختلافات في الخصائص (تأثيرات النظائر) لنظائر الهيدروجين (Z = 1) بسبب الاختلاف الكبير في كتل ذرة الهيدروجين الخفيف المعتادة (A = 1) والديوتيريوم (A = 2) والتريتيوم (A = 3) ).

تتراوح كتلة الذرة من 1.67 × 10 -24 جم (للنظير الرئيسي ، ذرة الهيدروجين ، Z = 1 ، A = 1) إلى حوالي 4 × 10 -22 جم (لذرات عناصر عبر اليورانيوم). يمكن تحديد القيم الأكثر دقة للكتل الذرية بواسطة التحليل الطيفي الشامل. كتلة الذرة لا تساوي تمامًا مجموع كتلة النواة وكتل الإلكترونات ، ولكنها أقل إلى حد ما - إلى عيب الكتلة ΔM = W / c 2 ، حيث W هي طاقة تكوين ذرة من النواة والإلكترونات (طاقة الربط) ، ج هي سرعة الضوء. هذا التصحيح بترتيب كتلة الإلكترون m e ​​للذرات الثقيلة ، وبالنسبة للذرات الخفيفة فهو مهمل (من 10 -4 م هـ).

طاقة الذرة وتكميمها. نظرًا لصغر حجمها وكتلتها الكبيرة ، يمكن اعتبار النواة الذرية تقريبًا كنواة نقطة وتستقر في مركز كتلة الذرة ( المركز المشتركتقع كتل النواة والإلكترونات بالقرب من النواة ، وسرعة النواة بالنسبة لمركز كتلة الذرة صغيرة مقارنة بسرعات الإلكترونات). وفقًا لذلك ، يمكن اعتبار الذرة كنظام يتحرك فيه N إلكترونات بشحنات حول مركز جذب غير متحرك. تحدث حركة الإلكترونات في الذرة في حجم محدود ، أي أنها مرتبطة. إجمالي الطاقة الداخلية للذرة E يساوي مجموع الطاقات الحركية T لجميع الإلكترونات والطاقة الكامنة U - طاقة الجذب بواسطة نواتها والتنافر من بعضها البعض.

وفقًا لنظرية الذرة ، التي اقترحها نيلز بور عام 1913 ، في ذرة الهيدروجين ، يتحرك إلكترون واحد بشحنة -e حول مركز ثابت بشحنة + e. حسب الميكانيكا الكلاسيكية الطاقة الحركيةمثل هذا الإلكترون

حيث v هي السرعة ، p = m e v هي زخم (زخم) الإلكترون. الطاقة الكامنة (التي تنخفض إلى طاقة جاذبية كولوم للإلكترون بواسطة النواة) تساوي

ويعتمد فقط على المسافة r للإلكترون من النواة. بيانياً ، يتم تمثيل الوظيفة U (r) بمنحنى يتناقص إلى أجل غير مسمى مع انخفاض r ، أي عندما يقترب الإلكترون من النواة. قيمة U (r) عند r → ∞ تؤخذ على أنها صفر. في القيم السالبةإجمالي الطاقة E = T + U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U >0 تكون حركة الإلكترون حرة - يمكن أن تذهب إلى اللانهاية بالطاقة E = T = (1/2) m e v 2 ، والتي تتوافق مع ذرة الهيدروجين المتأين H +. وبالتالي ، فإن ذرة الهيدروجين المحايدة عبارة عن نظام من النوى المرتبطة بالكهرباء الساكنة وإلكترونًا بطاقة E< 0.

مكتمل الطاقة الداخليةذرة E - السمة الرئيسية لها كنظام كمي (انظر ميكانيكا الكم). يمكن للذرة أن تبقى لفترة طويلة فقط في حالات ذات طاقة معينة - حالات ثابتة (ثابتة في الوقت المناسب). يمكن أن تأخذ الطاقة الداخلية لنظام كمي يتكون من جزيئات دقيقة مرتبطة (بما في ذلك الذرة) إحدى سلاسل القيم المنفصلة (غير المستمرة)

تتوافق كل من قيم الطاقة "المسموح بها" هذه مع حالة كمية ثابتة واحدة أو أكثر. لا يمكن أن يحتوي النظام على قيم وسيطة للطاقة (على سبيل المثال ، تقع بين E 1 و E 2 ، و E 2 و E 3 ، وما إلى ذلك) ، ويقال أن مثل هذا النظام محدد كميًا. يرتبط أي تغيير في E بانتقال كمي (يشبه القفزة) للنظام من حالة كمومية ثابتة إلى أخرى (انظر أدناه).

يمكن تصوير القيم المنفصلة المحتملة (3) لطاقة الذرة بيانياً عن طريق القياس بالقياس مع الطاقة الكامنة لجسم مرفوعة إلى ارتفاعات مختلفة (إلى مستويات مختلفة) ، في شكل رسم تخطيطي لمستويات الطاقة ، حيث كل طاقة تقابل القيمة خطًا مستقيمًا مرسومًا على ارتفاع E i ، i = 1 ، 2 ، 3 ، ... (الشكل 1). يُطلق على أدنى مستوى E 1 ، الذي يقابل أقل طاقة ممكنة للذرة ، مستوى الأرض ، ويطلق على الباقي (E i> E 1) ، i = 2 ، 3 ، 4 ، ...) متحمس ، لأنه للذهاب إليهم (الانتقال إلى الحالات المثارة الثابتة المقابلة من الأرض) ، من الضروري إثارة النظام - لإبلاغه من الخارج للطاقة E i -E 1.

إن تكميم طاقة الذرة هو نتيجة للخصائص الموجية للإلكترونات. وفقًا لمبدأ ثنائية الموجة الجسدية ، فإن حركة جسيم دقيق كتلته m بسرعة v تتوافق مع الطول الموجي λ = h / mv ، حيث h هو ثابت بلانك. بالنسبة للإلكترون في الذرة ، λ من 10 إلى 8 سم ، أي من ترتيب الأبعاد الخطية للذرة ، ومن الضروري مراعاة الخصائص الموجية للإلكترون في الذرة. تشبه الحركة المقيدة للإلكترون في الذرة الموجة الواقفة ، ولا ينبغي اعتبارها حركة نقطة ماديةعلى طول المسار ، ولكن كعملية موجية معقدة. ل الموجة الدائمةفي حجم محدود ، تكون قيم معينة فقط من الطول الموجي λ (وبالتالي تردد التذبذب v) ممكنة. وفق ميكانيكا الكم، طاقة الذرة E مرتبطة بـ v بالعلاقة E = hν وبالتالي لا يمكن أن تأخذ سوى قيم معينة. إن حركة الترجمة الحرة لجسيم دقيق ، غير محدودة في الفضاء ، على سبيل المثال ، حركة إلكترون مفصول من ذرة (مع طاقة E> 0) ، تشبه انتشار موجة متنقلة في حجم غير محدود ، أي قيم λ (و v) ممكنة. يمكن لطاقة مثل هذه الجسيمات الدقيقة الحرة أن تأخذ أي قيم (فهي ليست كمية ، لها طيف طاقة مستمر). مثل هذا التسلسل المستمر يتوافق مع ذرة مؤينة. تتوافق قيمة E ∞ = 0 مع حدود التأين ؛ يسمى الفرق E ∞ -E 1 \ u003d E أيون طاقة التأين (انظر مقالة إمكانات التأين) ؛ بالنسبة لذرة الهيدروجين ، فهي تساوي 13.6 فولت.

توزيع كثافة الإلكترون. لا يمكن تحديد الموضع الدقيق للإلكترون في الذرة في وقت معين بسبب عدم اليقين في النسبة. يتم تحديد حالة الإلكترون في الذرة من خلال وظيفتها الموجية ، والتي تعتمد بطريقة معينة على إحداثياتها ؛ يميز مربع معامل الدالة الموجية كثافة احتمالية إيجاد إلكترون في نقطة معينة في الفضاء. الدالة الموجية هي بوضوح حل لمعادلة شرودنغر.

وهكذا ، يمكن تمييز حالة الإلكترون في الذرة عن طريق توزيع شحنتها الكهربائية في الفضاء بكثافة معينة - توزيع كثافة الإلكترون. الإلكترونات ، كما كانت ، "ملطخة" في الفضاء وتشكل "سحابة إلكترونية". مثل هذا النموذج يميز الإلكترونات في الذرة بشكل صحيح أكثر من نموذج الإلكترون النقطي الذي يتحرك على طول مدارات محددة بدقة (في نظرية بوهر للذرة). في الوقت نفسه ، يمكن ربط كل مدار من مدار بوهر بتوزيع محدد لكثافة الإلكترون. بالنسبة لمستوى الطاقة الأرضية E 1 ، تتركز كثافة الإلكترون بالقرب من النواة ؛ بالنسبة لمستويات الطاقة المثارة E 2 ، E 3 ، E 4 ... يتم توزيعها على مسافات متوسطة كبيرة بشكل متزايد من النواة. في ذرة متعددة الإلكترونات ، يتم تجميع الإلكترونات في أغلفة تحيط بالنواة على مسافات مختلفة وتتميز بتوزيعات معينة لكثافة الإلكترونات. تكون قوة ارتباط الإلكترونات بالنواة في الغلاف الخارجي أقل مما هي عليه في الأصداف الداخلية ، وتكون الإلكترونات أضعف ارتباط في الغلاف الخارجي ، الذي يحتوي على أكبر أبعاد.

يمثل دوران الإلكترون والدوران النووي. في نظرية الذرة ، من المهم جدًا مراعاة دوران الإلكترون - لحظة زخمه (المغزلي) الخاصة به ، من وجهة نظر بصرية تتوافق مع دوران الإلكترون حول محوره (إذا كان يعتبر الإلكترون جسيمًا صغيرًا). مائة لحظة مغناطيسية (تدور) مرتبطة بدوران الإلكترون. لذلك ، في الذرة ، من الضروري أن تأخذ في الاعتبار ، إلى جانب التفاعلات الكهروستاتيكية ، التفاعلات المغناطيسية التي تحددها لحظة الدوران المغناطيسية والعزم المغناطيسي المداري المرتبط بحركة الإلكترون حول النواة ؛ التفاعلات المغناطيسية صغيرة مقارنة بالتفاعلات الكهروستاتيكية. يعد تأثير الدوران في ذرات الإلكترونات المتعددة هو الأكثر أهمية: يعتمد ملء غلاف الإلكترون للذرة بعدد معين من الإلكترونات على دوران الإلكترونات.

يمكن أن يكون للنواة في الذرة عزمها الميكانيكي الخاص بها - الدوران النووي ، المرتبط بعزم مغناطيسي نووي أصغر بمئات وآلاف المرات من العزم الإلكترونية. يؤدي وجود السبينات إلى تفاعلات إضافية صغيرة جدًا بين النواة والإلكترونات (انظر أدناه).

الحالات الكمومية لذرة الهيدروجين. الدور الأكثر أهمية في النظرية الكمومية للذرة هو نظرية أبسط ذرة إلكترون واحدة ، تتكون من نواة ذات شحنة + زي وإلكترون بشحنة- e ، أي نظرية الهيدروجين ذرة H والأيونات الشبيهة بالهيدروجين He +، Li 2+، Be 3+، ... ، يشار إليها عادة باسم نظرية ذرة الهيدروجين. باستخدام طرق ميكانيكا الكم ، يمكن للمرء الحصول على توصيف دقيق وكامل لحالات الإلكترون في ذرة إلكترون واحد. يتم حل مشكلة ذرة متعددة الإلكترونات تقريبًا ؛ في هذه الحالة ، ينطلقون من نتائج حل مشكلة ذرة إلكترون واحد.

طاقة ذرة إلكترون واحد في التقريب غير النسبي (دون الأخذ بعين الاعتبار دوران الإلكترون) تساوي

عدد صحيح ن = 1 ، 2 ، 3 ، ... يحدد قيم الطاقة المنفصلة الممكنة - مستويات الطاقة - ويسمى رقم الكم الرئيسي ، R هو ثابت ريدبيرج ، يساوي 13.6 فولت. تتقارب مستويات طاقة الذرة (تتكثف) مع حدود التأين Е ∞ = 0 المقابل لـ n = ∞. بالنسبة للأيونات الشبيهة بالهيدروجين ، يتغير مقياس قيم الطاقة فقط (بمعامل Z2). طاقة التأين لذرة تشبه الهيدروجين (طاقة ربط الإلكترون) هي (في eV)

الذي يعطي لـ H ، He + ، Li 2+ ، ... القيم 13.6 eV ، 54.4 eV ، 122.4 eV ، ....

الصيغة الأساسية (4) تتوافق مع التعبير U (r) = -Ze 2 / r للطاقة الكامنة للإلكترون في الحقل الكهربائينوى بشحنة + زي. تم اشتقاق هذه الصيغة لأول مرة بواسطة N. تتوافق مستويات الطاقة (4) مع مدارات نصف القطر

حيث الثابت a 0 \ u003d 0.529 10 -8 cm \ u003d \ u003d 0.529 A هو نصف قطر أول مدار دائري لذرة الهيدروجين المقابلة لمستوى الأرض (غالبًا ما يستخدم نصف قطر Bohr هذا كوحدة ملائمة لقياس الأطوال في الفيزياء الذرية). يتناسب نصف قطر المدارات مع مربع الرقم الكمومي الأساسي n 2 ويتناسب عكسياً مع Z ؛ بالنسبة للأيونات الشبيهة بالهيدروجين ، يتناقص مقياس الأبعاد الخطية بعامل Z مقارنة بذرة الهيدروجين. يتم إعطاء الوصف النسبي لذرة الهيدروجين ، مع مراعاة دوران الإلكترون ، بواسطة معادلة ديراك.

وفقًا لميكانيكا الكم ، يتم تحديد حالة ذرة الهيدروجين تمامًا من خلال القيم المنفصلة لأربع كميات فيزيائية: الطاقة E ؛ العزم المداري M l (لحظة زخم الإلكترون بالنسبة للنواة) ؛ إسقاطات M lz للزخم المداري على اتجاه مختار عشوائياً z ؛ إسقاطات M sz لزخم الدوران (الزخم الداخلي لزخم الإلكترون M s). القيم الممكنةيتم تحديد هذه الكميات الفيزيائية ، بدورها ، من خلال الأرقام الكمومية n ، l ، m l ، m s ، على التوالي. في التقريب عندما يتم وصف طاقة ذرة الهيدروجين بالصيغة (4) ، يتم تحديدها فقط من خلال الرقم الكمي الرئيسي n ، الذي يأخذ قيمًا صحيحة 1 ، 2 ، 3 ، .... يتوافق مستوى الطاقة مع n معطى مع عدة حالات تختلف في قيم عدد الكم المداري (السمتي) l = 0 ، 1 ، ... ، n-1. عادةً ما يُشار إلى الحالات ذات القيم المعطاة لـ n و l على أنها 1s ، 2s ، 2p ، 3s ، ... ، حيث تشير الأرقام إلى قيمة n ، والأحرف s ، p ، d ، f (يشار إليها فيما يلي باللاتينية الأبجدية) - على التوالي ، القيم l \ u003d 0 ، 1 ، 2 ، 3. بالنسبة إلى n و l ، يكون عدد الحالات المختلفة 2 (2l + 1) - عدد مجموعات قيم المغناطيسية عدد الكم المداري m l من عدد الدوران المغناطيسي m s (الأول يأخذ قيم 2l + 1 ، الثاني - قيمتان). الرقم الإجماليحالات مختلفة مع المعطى n و l يساوي 2n 2. وبالتالي ، فإن كل مستوى طاقة لذرة الهيدروجين يتوافق مع 2.8 ، 18 ، ... 2n 2 (عند n = 1 ، 2 ، 3 ، ...) حالات كمية ثابتة مختلفة. إذا كانت حالة كمية واحدة فقط تتطابق مع مستوى طاقة ، فيُطلق عليها اسم غير متدهور ، إذا كانت اثنتان أو أكثر - متدهورة (انظر الانحطاط في نظرية الكم) ، ويسمى عدد هذه الحالات g درجة أو تعدد الانحطاط (لـ مستويات الطاقة غير المتحللة g = 1). تتدهور مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين ، ودرجة انحلالها هي g n = 2n 2.

لحالات مختلفة من ذرة الهيدروجين ، نحصل على و توزيع مختلفكثافة الإلكترونات. يعتمد ذلك على الأرقام الكمومية n ، l وفي نفس الوقت ، تختلف كثافة الإلكترون للحالات s (l = 0) عن الصفر في المركز ، أي في موقع النواة ، ولا تعتمد على الاتجاه (متماثل كرويًا) ، وبالنسبة للحالات الباقية (l> 0) فهو يساوي صفرًا في المركز ويعتمد على الاتجاه. يظهر توزيع كثافة الإلكترون لحالات ذرة الهيدروجين مع n = 1 ، 2 ، 3 في الشكل 2 ؛ تنمو أبعاد "سحابة الإلكترون" وفقًا للصيغة (6) بما يتناسب مع n2 (يتناقص المقياس في الشكل 2 عند الانتقال من n = 1 إلى n = 2 ومن n = 2 إلى n = 3). تتميز الحالات الكمومية للإلكترون في الأيونات الشبيهة بالهيدروجين بنفس الأرقام الكمومية الأربعة n و l و m l و m s كما في ذرة الهيدروجين. يتم أيضًا الحفاظ على توزيع كثافة الإلكترون ، ويزداد فقط بمعامل Z.

العمل على ذرة المجالات الخارجية. تكتسب الذرة كنظام كهربائي في المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية طاقة إضافية. يستقطب المجال الكهربائي الذرة - فهو يزيح غيوم الإلكترون بالنسبة إلى النواة (انظر قابلية استقطاب الذرات والأيونات والجزيئات) ، ويوجه المجال المغناطيسي بطريقة معينة اللحظة المغناطيسية للذرة ، المرتبطة بحركة الإلكترون حولها. النواة (ذات العزم المداري M l) ودورانها. تتوافق حالات مختلفة من ذرة الهيدروجين بنفس الطاقة E n في مجال خارجي معان مختلفةطاقة إضافية ΔЕ ، ويتم تقسيم مستوى الطاقة المتدهور E n إلى عدد من المستويات الفرعية. يتناسب كل من تقسيم مستويات الطاقة في مجال كهربائي - تأثير ستارك - وانقسامها في مجال مغناطيسي - تأثير زيمان - مع قوى المجالات المقابلة.

تؤدي التفاعلات المغناطيسية الصغيرة داخل الذرة أيضًا إلى تقسيم مستويات الطاقة. بالنسبة لذرة الهيدروجين والأيونات الشبيهة بالهيدروجين ، هناك تفاعل تدور حول مدار الإلكترون - تفاعل دوران الإلكترون واللحظات المدارية ؛ يتسبب في ما يسمى بالهيكل الدقيق لمستويات الطاقة - تقسيم المستويات المثارة E n (لـ n> 1) إلى مستويات فرعية. لجميع مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين ، لوحظ أيضًا هيكل فائق الدقة ، بسبب التفاعلات المغناطيسية الصغيرة جدًا للدوران النووي مع اللحظات الإلكترونية.

قذائف إلكترونية لذرات متعددة الإلكترونات. تختلف نظرية الذرة التي تحتوي على إلكترونين أو أكثر اختلافًا جوهريًا عن نظرية ذرة الهيدروجين ، حيث توجد جسيمات متطابقة في مثل هذه الذرة تتفاعل مع بعضها البعض - الإلكترونات. التنافر المتبادل للإلكترونات في ذرة متعددة الإلكترونات يقلل بشكل كبير من قوة ارتباطها بالنواة. على سبيل المثال ، طاقة فصل إلكترون واحد في أيون الهيليوم (He +) هي 54.4 eV ، بينما في ذرة الهليوم المحايدة ، نتيجة تنافر الإلكترونات ، تنخفض طاقة فصل أحدهم إلى 24.6 eV. بالنسبة للإلكترونات الخارجية للذرات الأثقل ، يكون الانخفاض في قوة الرابطة بسبب تنافر الإلكترونات الداخلية أكثر أهمية. تلعب خصائص الإلكترونات دورًا مهمًا في الذرات متعددة الإلكترونات باعتبارها جزيئات دقيقة متطابقة (انظر مبدأ الهوية) مع الدوران s = 1/2 ، والذي يعتبر مبدأ باولي صالحًا له. وفقًا لهذا المبدأ ، في نظام الإلكترونات لا يمكن أن يكون هناك أكثر من إلكترون واحد في كل حالة كمية ، مما يؤدي إلى تكوين غلاف إلكتروني للذرة ، مملوء بدقة أرقام معينةالإلكترونات.

مع الأخذ في الاعتبار عدم القدرة على التمييز بين الإلكترونات المتفاعلة ، فمن المنطقي التحدث فقط عن الحالات الكمومية للذرة ككل. ومع ذلك ، يمكن للمرء أن ينظر تقريبًا في الحالات الكمومية للإلكترونات الفردية ويميز كل منها بمجموعة من الأرقام الكمومية n و l و m l و m s ، على غرار الإلكترون في ذرة الهيدروجين. في هذه الحالة ، تبين أن طاقة الإلكترون لا تعتمد فقط على n ، كما هو الحال في ذرة الهيدروجين ، ولكن أيضًا على l ؛ لا يزال لا يعتمد على m l و m s. الإلكترونات التي لها n و l في ذرة متعددة الإلكترونات لها نفس الطاقة وتشكل غلاف إلكترون معين. يُشار إلى هذه الإلكترونات المكافئة والأغلفة التي تشكلها ، بالإضافة إلى الحالات الكمومية ومستويات الطاقة مع المعطى n و l ، بالرموز ns و np و nd و nf ... (بالنسبة إلى 1 = 0 ، 1 ، 2 ، 3 ، ...) ويتحدثون عن إلكترونات 2p ، وقذائف 3s ، وما إلى ذلك.

وفقًا لمبدأ باولي ، فإن أي إلكترونين في الذرة يجب أن يكونا في حالات كمية مختلفة ، وبالتالي يختلفان بواحد على الأقل من الأرقام الكمومية الأربعة n و l و m l و m s ، وبالنسبة للإلكترونات المكافئة (n و l هي نفسها) - من خلال القيم m l و m s. عدد الأزواج m l، m s ، أي عدد الحالات الكمومية المختلفة للإلكترون مع إعطاء n و l ، هو درجة انحطاط مستوى طاقته g l = 2 (2l + 1) = 2 ، 6 ، 10 ، 14 ، .... يحدد عدد الإلكترونات في أغلفة الإلكترون المملوءة بالكامل. وهكذا ، s- ، p- ، d- ، f- ، ... تمتلئ الأصداف بـ 2 ، 6 ، 10 ، 14 ، ... إلكترونات ، بغض النظر عن قيمة n. تشكل الإلكترونات ذات n المعطى طبقة تتكون من قذائف ذات l = 0 ، 1 ، 2 ، ... ، n - 1 ومليئة بـ 2n 2 إلكترونات ، ما يسمى K- ، L- ، M ، N- طبقة. عند الانتهاء الكامل ، لدينا:

في كل طبقة ، تتميز الأصداف ذات l الأصغر بكثافة إلكترون أعلى. تتناقص قوة الرابطة بين الإلكترون والنواة مع زيادة n ، و n مع زيادة l. كلما أضعف الإلكترون المرتبط في الغلاف المقابل ، ارتفع مستوى طاقته. نواة تحتوي على Z معينة تعلق الإلكترونات بترتيب تناقص قوة الرابطة الخاصة بها: أول إلكترونين 1 ثانية ، ثم إلكترونان 2 ثانية ، وستة إلكترونات 2 ع ، إلخ. تحتوي ذرة كل عنصر كيميائي على توزيع معين للإلكترونات على غلافها الإلكتروني التكوين ، على سبيل المثال:

(يُشار إلى عدد الإلكترونات في غلاف معين بالفهرس الموجود أعلى اليمين). يتم تحديد الدورية في خصائص العناصر من خلال تشابه غلاف الإلكترون الخارجي للذرة. على سبيل المثال ، تحتوي الذرات المحايدة P ، As ، Sb ، Bi (Z = 15 ، 33 ، 51 ، 83) على ثلاثة إلكترونات p في غلاف الإلكترون الخارجي ، مثل ذرة N ، وتشبهها في الخصائص الكيميائية والعديد من الخصائص الفيزيائية .

تتميز كل ذرة بتكوين إلكتروني عادي ، يتم الحصول عليه عندما تكون جميع الإلكترونات في الذرة مرتبطة بشدة ، والتكوينات الإلكترونية المتحمسة ، عندما يكون إلكترون واحد أو أكثر مرتبطًا بشكل غير محكم - عند مستويات طاقة أعلى. على سبيل المثال ، بالنسبة لذرة الهليوم ، جنبًا إلى جنب مع 1s2 العادي ، من الممكن إجراء تكوينات إلكترونية مثيرة: 1s2s ، 1s2p ، ... (إلكترون واحد متحمس) ، 2s 2 ، 2s2p ، ... (كلا الإلكترونين متحمسان). يتوافق تكوين إلكتروني معين مع مستوى طاقة واحد للذرة ككل ، إذا كانت قذائف الإلكترون ممتلئة تمامًا (على سبيل المثال ، التكوين الطبيعي للذرة هو Ne 1s 2 2s 2 2р 6) ، وعدد من مستويات الطاقة ، إذا كانت هناك قذائف مملوءة جزئيًا (على سبيل المثال ، التكوين الطبيعي لذرة النيتروجين هو 1s 2 2s 2 2p 3 حيث يتم ملء نصف الغلاف 2p). في حالة وجود قذائف d و f المملوءة جزئيًا ، يمكن أن يصل عدد مستويات الطاقة المقابلة لكل تكوين إلى عدة مئات ، لذا فإن مخطط مستويات الطاقة لذرة ذات أغلفة مملوءة جزئيًا معقد للغاية. مستوى الطاقة الأساسي للذرة هو أدنى مستوى من التكوين الإلكتروني العادي.

انتقالات الكم في الذرة. في التحولات الكمومية ، تنتقل الذرة من حالة ثابتة إلى أخرى - من مستوى طاقة إلى آخر. أثناء الانتقال من مستوى طاقة أعلى E i إلى مستوى أقل إلى الذرة ، تُطلق الطاقة E i - E k ، أثناء الانتقال العكسي تستقبلها. بالنسبة لأي نظام كمي ، يمكن أن تكون الانتقالات الكمومية للذرة من نوعين: بالإشعاع (انتقالات بصرية) وبدون إشعاع (انتقالات إشعاعية أو غير بصرية). أهم ما يميز الانتقال الكمي هو احتماله ، والذي يحدد عدد مرات حدوث هذا الانتقال.

أثناء انتقالات الكم مع الإشعاع ، تمتص الذرة (الانتقال من E إلى → E i) أو تنبعث (الانتقال من E i → E إلى) الإشعاع الكهرومغناطيسي. تُمتص الطاقة الكهرومغناطيسية وتنبعث من ذرة على شكل كم من الضوء - فوتون - يتميز بتردد تذبذب معين v ، وفقًا للعلاقة:

حيث hv هي طاقة الفوتون. العلاقة (7) هي قانون حفظ الطاقة للعمليات المجهرية المرتبطة بالإشعاع.

يمكن للذرة في الحالة الأرضية أن تمتص الفوتونات فقط ، بينما في الحالات المثارة يمكنها امتصاصها وإصدارها. يمكن أن توجد ذرة حرة في الحالة الأرضية إلى أجل غير مسمى. مدة بقاء الذرة في حالة الإثارة (عمر هذه الحالة) محدودة ، والذرة تلقائيًا (تلقائيًا) ، تفقد جزئيًا أو كليًا طاقة الإثارة ، وتنبعث منها فوتونًا وتتحرك إلى مستوى طاقة أقل ؛ إلى جانب هذا الانبعاث التلقائي ، من الممكن أيضًا أن يكون الانبعاث المحفّز ، والذي يحدث ، مثل الامتصاص ، تحت تأثير الفوتونات ذات التردد نفسه. إن عمر الذرة المثارة هو أقصر ، وكلما زاد احتمال الانتقال التلقائي ، بالنسبة لذرة الهيدروجين يكون من 10 إلى 8 ثوانٍ.

تحدد مجموعة الترددات v للتحولات المحتملة مع الإشعاع الطيف الذري للذرة المقابلة: مجموعة ترددات التحولات من المستويات الأدنى إلى المستويات العليا هي طيف الامتصاص الخاص بها ، ومجموعة ترددات التحولات من المستويات العليا إلى المستويات الدنيا هي طيف الانبعاث . كل انتقال من هذا القبيل في الطيف الذري يتوافق مع خط طيفي معين من التردد v.

في التحولات الكمومية غير الإشعاعية ، تستقبل الذرة أو تعطي طاقة عند التفاعل مع الجسيمات الأخرى التي تصطدم بها في غاز أو مرتبطة على المدى الطويل في جزيء أو سائل أو صلب. في الغاز ، يمكن اعتبار الذرة حرة في الفترات الزمنية بين الاصطدامات ؛ أثناء الاصطدام (الاصطدام) ، يمكن للذرة أن تذهب إلى مستوى أدنى أو مستوى عالطاقة. يسمى هذا الاصطدام غير مرن (على عكس الاصطدام المرن ، حيث تتغير الطاقة الحركية فقط للحركة الانتقالية للذرة ، بينما تظل طاقتها الداخلية دون تغيير). حالة خاصة مهمة هي اصطدام ذرة حرة مع إلكترون ؛ عادة ما يتحرك الإلكترون أسرع من الذرة ، ويكون وقت الاصطدام قصيرًا جدًا ويمكن للمرء التحدث عن تأثير الإلكترون. إن إثارة الذرة عن طريق تأثير الإلكترون هي إحدى طرق تحديد مستويات طاقتها.

الكيميائية و الخصائص الفيزيائيةذرة. يتم تحديد معظم خصائص الذرة من خلال بنية وخصائص غلافها الإلكتروني الخارجي ، حيث ترتبط الإلكترونات بشكل ضعيف نسبيًا بالنواة (طاقات ربط من عدة فولت إلى عدة عشرات من فولت إلكتروني). تتجلى بنية الغلاف الداخلي للذرة ، التي ترتبط إلكتروناتها بقوة أكبر (طاقات ملزمة من مئات وآلاف وعشرات الآلاف من eV) ، فقط خلال تفاعلات الذرة مع الجسيمات السريعة والفوتونات ذات الطاقات العالية (المزيد من مئات فولت). تحدد مثل هذه التفاعلات أطياف الأشعة السينية للذرة وتشتت الجسيمات السريعة (انظر حيود الجسيمات). تحدد كتلة الذرة خواصها الميكانيكية أثناء حركة الذرة ككل - مقدار الحركة ، الطاقة الحركية. تعتمد الخواص الرنينية والفيزيائية الأخرى للذرة على اللحظات الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية ذات الصلة للذرة (انظر الرنين المغنطيسي الإلكترون ، الرنين المغناطيسي النووي ، الرنين النووي الرباعي).

تتعرض الإلكترونات الموجودة في الأغلفة الخارجية للذرة بسهولة تأثيرات خارجية. عندما تقترب الذرات من بعضها البعض ، تنشأ تفاعلات إلكتروستاتيكية قوية يمكن أن تؤدي إلى تكوين رابطة كيميائية. تتجلى التفاعلات الكهروستاتيكية الأضعف بين ذرتين في الاستقطاب المتبادل بينهما - إزاحة الإلكترونات بالنسبة إلى النوى ، وهي أقوى الإلكترونات الخارجية المرتبطة بشكل ضعيف. تنشأ قوى الجذب الاستقطابية بين الذرات ، والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار بالفعل على مسافات كبيرة بينها. يحدث استقطاب الذرة أيضًا في المجالات الكهربائية الخارجية ؛ نتيجة لذلك ، يتم تغيير مستويات الطاقة في الذرة ، والمهم بشكل خاص ، يتم تقسيم مستويات الطاقة المتدهورة (تأثير ستارك). يمكن أن ينشأ استقطاب الذرة تحت تأثير الحقل الكهربائيموجة ضوئية (كهرومغناطيسية) ؛ يعتمد على تواتر الضوء الذي يحدد الاعتماد عليه ومعامل الانكسار (انظر تشتت الضوء) المرتبط باستقطاب الذرة. تتجلى العلاقة الوثيقة بين الخصائص البصرية للذرة وخصائصها الكهربائية بشكل خاص في أطيافها الضوئية.

يتم تحديد الخصائص المغناطيسية للذرات بشكل أساسي من خلال بنية غلافها الإلكتروني. تعتمد العزم المغناطيسي للذرة على عزمها الميكانيكي (انظر النسبة المغناطيسية الميكانيكية) ، في ذرة ذات غلاف إلكترون ممتلئ تمامًا ، تساوي الصفر ، تمامًا مثل العزم الميكانيكي. تحتوي الذرات ذات الأصداف الإلكترونية الخارجية المملوءة جزئيًا ، كقاعدة عامة ، على لحظات مغناطيسية غير صفرية وتكون مغناطيسية. في مجال مغناطيسي خارجي ، تنقسم جميع مستويات الذرات ، التي لا تساوي فيها العزم المغناطيسي صفرًا - يحدث تأثير زيمان. جميع الذرات لها نفاذية مغناطيسية ، ويرجع ذلك إلى ظهور لحظة مغناطيسية فيها تحت تأثير خارجي حقل مغناطيسي(ما يسمى بالعزم المغناطيسي المستحث ، وهو مماثل لعزم ثنائي القطب الكهربائي للذرة).

مع التأين المتعاقب للذرة ، أي بفصل إلكتروناتها ، بدءًا من الأبعد من أجل زيادة قوة الرابطة ، تتغير وفقًا لذلك كل خصائص الذرة التي تحددها غلافها الخارجي. المزيد والمزيد من الإلكترونات المرتبطة بقوة تصبح خارجية ؛ نتيجة لذلك ، تقل قدرة الذرة على الاستقطاب في مجال كهربائي بشكل كبير ، وتزداد المسافات بين مستويات الطاقة وترددات التحولات الضوئية بين هذه المستويات (مما يؤدي إلى تحول في الأطياف نحو أطوال موجية أقصر من أي وقت مضى). يظهر عدد من الخصائص الدورية: خصائص الأيونات ذات الإلكترونات الخارجية المتشابهة تبين أنها متشابهة ؛ على سبيل المثال ، يُظهر N 3+ (إلكترونان 2s) تشابهًا مع N 5+ (إلكترونان 1s). ينطبق هذا على الخصائص والترتيب النسبي لمستويات الطاقة والأطياف الضوئية ، على اللحظات المغناطيسية للذرة ، وما إلى ذلك. يحدث التغيير الأكثر دراماتيكية في الخصائص عند إزالة الإلكترون الأخير من الغلاف الخارجي ، عندما تبقى الأصداف المملوءة بالكامل فقط ، على سبيل المثال ، عند الانتقال من N 4+ إلى N 5+ (التكوينات الإلكترونية 1s 2 2s و 1s 2). في هذه الحالة ، يكون الأيون أكثر استقرارًا ويكون إجمالي عزمه الميكانيكي والمغناطيسي الكلي مساويًا للصفر.

تختلف خصائص الذرة في حالة مرتبطة (على سبيل المثال ، جزء من جزيء) عن خصائص الذرة الحرة. تخضع خصائص الذرة لأكبر التغييرات ، والتي تحددها الإلكترونات الخارجية التي تشارك في إضافة ذرة معينة إلى ذرة أخرى. في الوقت نفسه ، قد تظل الخصائص التي تحددها إلكترونات الأصداف الداخلية دون تغيير تقريبًا ، كما هو الحال بالنسبة لأطياف الأشعة السينية. قد تخضع بعض خصائص الذرة لتغييرات صغيرة نسبيًا ، والتي يمكن من خلالها الحصول على معلومات حول طبيعة تفاعلات الذرات المقيدة. مثال مهميمكن أن يكون بمثابة تقسيم لمستويات الطاقة للذرة في البلورات والمركبات المعقدة ، والتي تحدث تحت تأثير المجالات الكهربائية الناتجة عن الأيونات المحيطة.

تتنوع الطرق التجريبية لدراسة بنية الذرة ومستويات طاقتها وتفاعلاتها مع الذرات الأخرى والجسيمات الأولية والجزيئات والحقول الخارجية وما إلى ذلك ، ولكن المعلومات الرئيسية موجودة في أطيافها. إن طرق التحليل الطيفي الذري في جميع نطاقات الطول الموجي ، وخاصة طرق التحليل الطيفي بالليزر الحديثة ، تجعل من الممكن دراسة المزيد والمزيد من التأثيرات الدقيقة المرتبطة بالذرة. منذ بداية القرن التاسع عشر ، كان وجود الذرة واضحًا للعلماء ، ولكن تم إجراء تجربة لإثبات حقيقة وجودها بواسطة J.Perrin في بداية القرن العشرين. مع تطور الفحص المجهري ، أصبح من الممكن الحصول على صور للذرات على السطح المواد الصلبة. تم اكتشاف الذرة لأول مرة بواسطة E.Muller (الولايات المتحدة الأمريكية ، 1955) بمساعدة المجهر الأيوني الميداني الذي اخترعه. تتيح القوة الذرية الحديثة والمجاهر النفقية الحصول على صور للأسطح الصلبة بدقة جيدة على المستوى الذري (انظر الشكل 3).

أرز. 3. صورة للتركيب الذري لسطح السيليكون حصل عليها الأستاذ في جامعة أكسفورد م. كابستيل باستخدام مجهر مسح نفقي.

توجد الذرات الغريبة المزعومة وتستخدم على نطاق واسع في دراسات مختلفة ، على سبيل المثال ، الذرات الميونية ، أي الذرات التي يتم فيها استبدال كل أو جزء من الإلكترونات بالميونات السالبة ، والميونيوم ، والبوزيترونيوم ، وكذلك ذرات الهادرونيك ، التي تتكون من تم إجراء الملاحظات الأولى لذرة الهيدروجين المضاد (2002) - ذرة تتكون من بوزيترون وبروتون مضاد.

مضاءة: ولد M. الفيزياء الذرية. الطبعة الثالثة. م ، 1970 ؛ فيزياء الذرات والجزيئات. م ، 1980 ؛ Shpolsky E.V. الفيزياء الذرية. الطبعة السابعة. M.، 1984. T. 1-2؛ Elyashevich MA التحليل الطيفي الذري والجزيئي. الطبعة الثانية. م ، 2000.

الذرة هي أصغر جسيم في عنصر كيميائي يحتفظ بجميع خواصه الكيميائية. تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. شحنة نواة أي عنصر كيميائي تساوي حاصل ضرب Z بواسطة e ، حيث Z هو الرقم التسلسلي لهذا العنصر في النظام الدوري للعناصر الكيميائية ، و e هي قيمة الشحنة الكهربائية الأولية.

إلكترون- هذا هو أصغر جسيم من مادة ذات شحنة كهربائية سالبة e = 1.6 · 10 -19 كولوم ، تؤخذ كشحنة كهربائية أولية. توجد الإلكترونات ، التي تدور حول النواة ، على غلاف الإلكترون K ، L ، M ، إلخ. K هي الغلاف الأقرب للنواة. يتم تحديد حجم الذرة بحجم غلافها الإلكتروني. يمكن للذرة أن تفقد إلكتروناتها وتصبح أيونًا موجبًا ، أو تكتسب إلكترونات وتصبح أيونًا سالبًا. تحدد شحنة أيون عدد الإلكترونات المفقودة أو المكتسبة. تسمى عملية تحويل الذرة المحايدة إلى أيون مشحون بالتأين.

نواة ذرية(الجزء المركزي من الذرة) يتكون من جسيمات نووية أولية - البروتونات والنيوترونات. نصف قطر النواة أصغر بحوالي مائة ألف مرة من نصف قطر الذرة. كثافة النواة الذرية عالية للغاية. البروتونات- هذه جسيمات أولية مستقرة لها وحدة شحنة كهربائية موجبة وكتلة أكبر 1836 مرة من كتلة الإلكترون. البروتون هو نواة أخف عنصر ، الهيدروجين. عدد البروتونات في النواة هو Z. نيوترونهو جسيم أولي متعادل (ليس له شحنة كهربائية) كتلته قريبة جدًا من كتلة البروتون. نظرًا لأن كتلة النواة هي مجموع كتلة البروتونات والنيوترونات ، فإن عدد النيوترونات في نواة الذرة هو A - Z ، حيث A هو العدد الكتلي لنظير معين (انظر). يُطلق على البروتون والنيوترون اللذان يشكلان النواة اسم نيوكليونات. في النواة ، ترتبط النيوكليونات بقوى نووية خاصة.

تحتوي النواة الذرية على مخزون ضخم من الطاقة ، والذي يتم إطلاقه أثناء التفاعلات النووية. تحدث التفاعلات النووية عندما تتفاعل النوى الذرية مع الجسيمات الأولية أو مع نوى العناصر الأخرى. نتيجة للتفاعلات النووية ، تتشكل نوى جديدة. على سبيل المثال ، يمكن أن يتحول النيوترون إلى بروتون. في هذه الحالة ، يتم إخراج جسيم بيتا ، أي الإلكترون ، من النواة.

يمكن أن يتم الانتقال في نواة البروتون إلى نيوترون بطريقتين: إما جسيم له كتلة مساوية لكتلة الإلكترون ، ولكن بشحنة موجبة ، تسمى البوزيترون (اضمحلال البوزيترون) ، ينبعث من النواة ، أو النواة تلتقط أحد الإلكترونات من أقرب K-shell (K -capture).

في بعض الأحيان ، تحتوي النواة المشكلة على فائض من الطاقة (تكون في حالة استثارة) ، وعند المرور إلى الحالة الطبيعية ، يطلق طاقة زائدة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي بطول موجي قصير جدًا -. يتم استخدام الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات النووية عمليًا في مختلف الصناعات.

الذرة (الذرة اليونانية - غير قابلة للتجزئة) هي أصغر جزء من عنصر كيميائي له خصائصه الكيميائية. كل عنصر يتكون من ذرات نوع معين. يتضمن هيكل الذرة النواة التي تحمل شحنة كهربائية موجبة ، وإلكترونات سالبة الشحنة (انظر) ، مكونة غلافها الإلكتروني. قيمة الشحنة الكهربائية للنواة تساوي Z-e ، حيث e هي الشحنة الكهربية الأولية ، مساوية لشحنة الإلكترون (4.8 10 -10 e.-st. وحدة) ، و Z هو العدد الذري من هذا العنصر في النظام الدوري للعناصر الكيميائية (انظر). نظرًا لأن الذرة غير المتأينة محايدة ، فإن عدد الإلكترونات المتضمنة فيها يساوي أيضًا Z. يتضمن تكوين النواة (انظر. النواة الذرية) nucleons ، وهي جسيمات أولية كتلتها أكبر بنحو 1840 مرة من كتلة الإلكترون (يساوي 9.1 10 - 28 جم) ، البروتونات (انظر) ، النيوترونات موجبة الشحنة ، والنيوترونات عديمة الشحن (انظر). يُطلق على عدد النوكليونات في النواة رقم الكتلة ويُشار إليه بالحرف A. ويحدد عدد البروتونات في النواة ، التي تساوي Z ، عدد الإلكترونات التي تدخل الذرة ، وهيكل غلاف الإلكترون والمادة الكيميائية خصائص الذرة. عدد النيوترونات في النواة هو A-Z. تسمى النظائر أنواعًا من نفس العنصر ، حيث تختلف ذراتها عن بعضها البعض في الكتلة العدد أ ، ولكن لها نفس Z. وهكذا ، في نوى ذرات النظائر المختلفة لعنصر واحد ، يوجد عدد مختلف من النيوترونات مع نفس العدد من البروتونات. عند تعيين النظائر ، يتم كتابة رقم الكتلة أ أعلى رمز العنصر ، والرقم الذري في أسفله ؛ على سبيل المثال ، يتم الإشارة إلى نظائر الأكسجين:

يتم تحديد أبعاد الذرة من خلال أبعاد غلاف الإلكترون وبالنسبة لجميع Z هي حوالي 10-8 سم. نظرًا لأن كتلة كل إلكترونات الذرة تقل عدة آلاف من المرات عن كتلة النواة ، فإن كتلة تتناسب الذرة مع العدد الكتلي. يتم تحديد الكتلة النسبية لذرة نظير معين فيما يتعلق بكتلة ذرة نظير الكربون C 12 ، مأخوذة على هيئة 12 وحدة ، وتسمى الكتلة النظيرية. اتضح أنه قريب من العدد الكتلي للنظير المقابل. الوزن النسبي لذرة عنصر كيميائي هو المتوسط ​​(مع الأخذ في الاعتبار الوفرة النسبية لنظائر عنصر معين) قيمة الوزن النظيري ويسمى الوزن الذري (الكتلة).

الذرة عبارة عن نظام مجهري ، ولا يمكن تفسير هيكلها وخصائصها إلا بمساعدة نظرية الكم ، التي تم إنشاؤها بشكل أساسي في العشرينات من القرن العشرين وتهدف إلى وصف الظواهر على نطاق ذري. أظهرت التجارب أن الجسيمات الدقيقة - الإلكترونات ، والبروتونات ، والذرات ، وما إلى ذلك - بالإضافة إلى الجسيمات ، لها خصائص موجية تظهر في الانعراج والتداخل. في نظرية الكم ، يتم استخدام حقل موجة معين يتميز بوظيفة موجية (-function) لوصف حالة الأجسام الدقيقة. تحدد هذه الوظيفة احتمالات الحالات المحتملة لجسم دقيق ، أي أنها تميز الاحتمالات المحتملة لإظهار واحدة أو أخرى من خصائصه. يلعب قانون تغير الوظيفة Ψ في المكان والزمان (معادلة شرودنجر) ، الذي يجعل من الممكن العثور على هذه الوظيفة ، نفس الدور في نظرية الكم مثل قوانين نيوتن للحركة في الميكانيكا الكلاسيكية. يؤدي حل معادلة شرودنجر في كثير من الحالات إلى حالات منفصلة محتملة للنظام. لذلك ، على سبيل المثال ، في حالة الذرة ، يتم الحصول على سلسلة من الوظائف الموجية للإلكترونات المقابلة لقيم طاقة (كمية) مختلفة. تلقى نظام مستويات الطاقة في الذرة ، المحسوب بأساليب نظرية الكم ، تأكيدًا رائعًا في التحليل الطيفي. يحدث انتقال الذرة من الحالة الأرضية المقابلة لأدنى مستوى طاقة E 0 إلى أي من الحالات المثارة E i عندما يتم امتصاص جزء معين من الطاقة E i - E 0. تذهب الذرة المثارة إلى حالة أقل إثارة أو حالة أرضية ، عادةً مع انبعاث فوتون. في هذه الحالة ، فإن طاقة الفوتون hv تساوي الفرق بين طاقات الذرة في حالتين: hv = E i - E k حيث h هو ثابت بلانك (6.62 · 10 -27 erg · sec) ، v هو التردد من الضوء.

بالإضافة إلى الأطياف الذرية ، جعلت نظرية الكم من الممكن تفسير الخصائص الأخرى للذرات. على وجه الخصوص ، تم شرح التكافؤ وطبيعة الرابطة الكيميائية وهيكل الجزيئات ، وتم إنشاء نظرية النظام الدوري للعناصر.

تتكون الذرة ، كوحدة منفصلة ، من نواة ذات شحنة موجبة ومن إلكترونات تحمل شحنة سالبة. هذا ما تتكون منه الذرة.

يوجد في وسطها النواة ، التي تتكون من جسيمات أصغر - البروتونات والنيوترونات. بالنسبة إلى نصف قطر الذرة بأكملها ، فإن نصف قطر النواة أصغر بنحو مائة ألف مرة. كثافة اللب عالية للغاية.

النواة المستقرة ذات الشحنة الموجبة هي البروتون. النيوترون هو جسيم أولي ليس له شحنة كهربائية ، مع كتلة تساوي تقريبًا كتلة البروتون. تتكون كتلة النواة ، على التوالي ، من الكتلة الكلية للبروتونات والنيوترونات ، ويختصر مجموعها في تكوين النواة بالنواة. هذه النيوكليونات في النواة مرتبطة بشكل فريد. عدد البروتونات في الذرة يساوي العدد المحدد في القشرة الذرية ، ونتيجة لذلك ، تشكل الأساس لـ الخواص الكيميائيةذرة.

الإلكترون ، باعتباره أصغر جسيم في المادة ، يحمل طاقة كهربائية سالبة أولية ، يدور باستمرار حول النواة في مدارات معينة ، مثل دوران الكواكب حول الشمس. وبالتالي ، يمكن إعطاء الإجابة التالية على السؤال حول ماهية الذرة: من الجسيمات الأولية ذات الشحنات الموجبة والسالبة والمحايدة.

هناك النمط التالي: يعتمد حجم الذرة على حجم غلافها الإلكتروني ، أو ارتفاع المدار. كجزء من الإجابة على السؤال حول ماهية الذرة ، يمكن توضيح أنه يمكن إضافة الإلكترونات وإزالتها من الذرة. هذا الظرف يحول الذرة إلى أيون موجب أو ، وفقًا لذلك ، إلى أيون سالب. وتسمى عملية تحول جسيم كيميائي أولي التأين.

في المركز مخزون كبيرالطاقة التي يمكن إطلاقها أثناء التفاعلات النووية. تنشأ مثل هذه التفاعلات ، كقاعدة عامة ، عندما تصطدم النوى الذرية بجزيئات أولية أخرى أو مع نوى عناصر كيميائية أخرى. نتيجة لذلك ، يمكن أن تتشكل نوى جديدة. على سبيل المثال ، يكون التفاعل قادرًا على تنفيذ انتقال النيوترون إلى بروتون ، بينما تتم إزالة جسيم بيتا من نواة الذرة ، وإلا فإن الإلكترون.

يمكن إجراء انتقال نوعي في مركز الذرة من بروتون إلى نيوترون بطريقتين. في الحالة الأولى ، يخرج جسيم من النواة بكتلة تساوي كتلة الإلكترون ، ولكن بشحنة موجبة تسمى البوزيترون (ما يسمى بانحلال البوزيترون). يتضمن الخيار الثاني التقاط نواة ذرة أحد الإلكترونات الأقرب إليها من مدار K (التقاط K). لذلك تتحول العناصر الكيميائية من عنصر إلى آخر بسبب ما تتكون منه الذرة.

توجد مثل هذه الحالات للنواة المتكونة عندما يكون لديها فائض من الطاقة ، وبعبارة أخرى ، تكون في حالة الإثارة. في حالة الانتقال إلى حالة طبيعية ، تطلق النواة طاقة زائدة على شكل جزء من الإشعاع الكهرومغناطيسي بطول موجي قصير جدًا - هكذا يتشكل إشعاع جاما. تجد الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء التفاعلات النووية الجارية تطبيقات عملية في عدد من فروع العلوم والصناعة.

تتكون الذرة منالنواة الذرية والإلكترونات. إذا كان عدد البروتونات في النواة يتطابق مع عدد الإلكترونات ، فإن الذرة ككل تكون متعادلة كهربائيًا. بخلاف ذلك ، تحتوي على بعض الشحنة الموجبة أو السالبة ويسمى أيونًا ، وفي بعض الحالات ، تُفهم الذرات فقط على أنها أنظمة محايدة كهربائيًا تكون فيها الشحنة النووية مساوية لشحنة الإلكترونات الكلية ، وبالتالي تتناقض مع الأيونات المشحونة كهربائيًا.

جوهر، التي تحمل كل كتلة الذرة تقريبًا (أكثر من 99.9٪) ، وتتكون من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات غير مشحونة مرتبطة ببعضها البعض عن طريق تفاعل قوي. تُصنف الذرات وفقًا لعدد البروتونات والنيوترونات في النواة: عدد البروتونات Z يتوافق مع العدد الذري في النظام الدوري ويحدد ما إذا كان ينتمي إلى بعض عنصر كيميائي، وعدد النيوترونات N - لنظير معين لهذا العنصر. يحدد الرقم Z أيضًا إجمالي الشحنة الكهربائية الموجبة (Ze) للنواة الذرية وعدد الإلكترونات في الذرة المحايدة ، مما يحدد حجمها.

الذرات من أنواع مختلفة بكميات مختلفة ، متصلة بواسطة روابط بين الذرية ، تشكل الجزيئات.

خصائص الذرة

بحكم التعريف ، تنتمي أي ذرتين لهما نفس عدد البروتونات في نواتهما إلى نفس العنصر الكيميائي. ذرات لها نفس عدد البروتونات ولكن كمية مختلفةتسمى النيوترونات نظائر عنصر معين. على سبيل المثال ، تحتوي ذرات الهيدروجين دائمًا على بروتون واحد ، ولكن هناك نظائر بدون نيوترونات (هيدروجين 1 ، يُسمى أحيانًا بالبروتيوم - الشكل الأكثر شيوعًا) ، مع نيوترون واحد (ديوتيريوم) ونيوترونان (تريتيوم). تشكل العناصر المعروفة سلسلة طبيعية مستمرة من حيث عدد البروتونات في النواة ، بدءًا من ذرة الهيدروجين ببروتون واحد وتنتهي بذرة ununoctium التي تحتوي على 118 بروتونًا في النواة. جميع نظائر عناصر النظام الدوري ، بدءًا من الرقم 83 (البزموت) ، مشعة.

وزن

بما أن البروتونات والنيوترونات تقدم أكبر مساهمة في كتلة الذرة ، الرقم الإجماليمن هذه الجسيمات يسمى العدد الكتلي. غالبًا ما يتم التعبير عن الكتلة المتبقية من الذرة بوحدات الكتلة الذرية (a.m.u.) ، والتي تسمى أيضًا daltons (Da). تُعرَّف هذه الوحدة بأنها 1⁄12 من الكتلة الباقية لذرة كربون -12 متعادلة ، والتي تبلغ تقريبًا 1.66 × 10 ه.م.تساوي كتلة الذرة تقريبًا حاصل ضرب عدد الكتلة لكل وحدة كتلة ذرية ، وأثقل نظير مستقر هو الرصاص 208 بكتلة 207.9766521 amu. يأكل.

نظرًا لأن كتل أثقل الذرات في الوحدات العادية (على سبيل المثال ، بالجرام) صغيرة جدًا ، يتم استخدام الشامات في الكيمياء لقياس هذه الكتل. يحتوي مول واحد من أي مادة ، بحكم التعريف ، على نفس العدد من الذرات (حوالي 6.022 1023). يتم اختيار هذا الرقم (رقم Avogadro) بطريقة إذا كانت كتلة العنصر 1 أ. إذن ، كتلة جزيء ذرات هذا العنصر تساوي 1 جم ، على سبيل المثال ، كتلة الكربون 12 أ. ، لذا فإن 1 مول من الكربون يزن 12 جرامًا.

مقاس

لا تحتوي الذرات على حدود خارجية مميزة ، لذلك يتم تحديد أحجامها من خلال المسافة بين نوى الذرات المجاورة التي شكلت رابطة كيميائية (نصف القطر التساهمي) أو من خلال المسافة إلى أبعد مدار ثابت للإلكترونات في غلاف الإلكترون لهذا ذرة (نصف قطر الذرة). يعتمد نصف القطر على موضع الذرة في الجدول الدوري ، ونوع الرابطة الكيميائية ، وعدد الذرات القريبة (رقم التنسيق) ، وخاصية ميكانيكا الكم تُعرف باللف المغزلي. في الجدول الدوري للعناصر ، يزداد حجم الذرة أثناء تحركها من أعلى إلى أسفل في عمود وتنقص كلما تحركت عبر صف من اليسار إلى اليمين. وفقًا لذلك ، فإن أصغر ذرة هي ذرة هيليوم نصف قطرها 32 م ، وأكبرها ذرة سيزيوم (225 م). هذه الأبعاد أصغر بآلاف المرات من الطول الموجي للضوء المرئي (400-700 نانومتر) ، لذلك لا يمكن رؤية الذرات بالمجهر الضوئي. ومع ذلك ، يمكن ملاحظة الذرات الفردية باستخدام مجهر المسح النفقي.

يظهر صغر حجم الذرات الأمثلة التالية. شعرة الإنسان أثخن مليون مرة من ذرة الكربون. تحتوي قطرة ماء واحدة على 2 سيكستيليون (21021) ذرة أكسجين ومضاعف عدد ذرات الهيدروجين. قيراط واحد من الماس كتلته 0.2 جم يتكون من 10 سيكستيليون ذرة كربون. إذا أمكن تكبير تفاحة إلى حجم الأرض ، فإن الذرات ستصل إلى الحجم الأصلي للتفاحة.

قدم علماء من معهد خاركوف للفيزياء والتكنولوجيا الصور الأولى للذرة في تاريخ العلوم. للحصول على الصور ، استخدم العلماء مجهرًا إلكترونيًا يلتقط الإشعاع والمجالات (المجهر الإلكتروني للانبعاثات الميدانية ، FEEM). وضع الفيزيائيون بالتسلسل عشرات من ذرات الكربون في حجرة مفرغة ومرروا من خلالها تفريغًا كهربائيًا قدره 425 فولت. أتاح إشعاع آخر ذرة في السلسلة لشاشة الفوسفور الحصول على صورة لسحابة الإلكترون حول النواة.