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

كانت الذرة (من الكلمة اليونانية "غير القابلة للتجزئة") هي أصغر جسيم في مادة ذات حجم مجهري، وأصغر جزء من العنصر الكيميائي الذي يحمل خصائصه. لم تعد مكونات الذرة - البروتونات والنيوترونات والإلكترونات - تتمتع بهذه الخصائص وتشكلها معًا. تشكل الذرات التساهمية جزيئات. يدرس العلماء ميزات الذرة، وعلى الرغم من أنهم مدروسون جيدا بالفعل، إلا أنهم لا يفوتون الفرصة للعثور على شيء جديد - على وجه الخصوص، في مجال إنشاء مواد جديدة وذرات جديدة (مواصلة الجدول الدوري). 99.9% من كتلة الذرة موجودة في النواة.

اكتشف العلماء في جامعة رادبود آلية جديدة للتخزين المغناطيسي للمعلومات في أصغر وحدة من المادة: ذرة واحدة. على الرغم من أن إثبات المبدأ تم إثباته تحت جدا درجات الحرارة المنخفضةتعد هذه الآلية بالعمل في درجة حرارة الغرفة. وبالتالي، سيكون من الممكن تخزين معلومات أكثر بآلاف المرات مما هو متاح حاليًا محركات الأقراص الصلبة. ونشرت نتائج العمل في مجلة Nature Communications.

ATOM [ذرة فرنسية، من اللاتينية atomus، من اليونانية؟τομος (ουσ?α) - غير قابل للتجزئة (جوهر)]، جسيم من المادة، أصغر جزء من العنصر الكيميائي، وهو حامل خصائصه. ذرات كل عنصر فردية في البنية والخصائص ويتم تحديدها بواسطة الرموز الكيميائية للعناصر (على سبيل المثال، ذرة الهيدروجين - H، الحديد - Fe، الزئبق - Hg، اليورانيوم - U، وما إلى ذلك). يمكن أن توجد الذرات في حالة حرة وفي حالة مرتبطة (انظر الرابطة الكيميائية). يرجع التنوع الكامل للمواد إلى مجموعات مختلفة من الذرات مع بعضها البعض. تعتمد خصائص المواد الغازية والسائلة والصلبة على خصائص الذرات المكونة لها. يتم تحديد جميع الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرة من خلال بنيتها وتخضع لقوانين الكم. (للاطلاع على تاريخ تطور مذهب الذرة راجع مقالة الفيزياء الذرية).

الخصائص العامة لبنية الذرات. تتكون الذرة من نواة ثقيلة ذات شحنة كهربائية موجبة وإلكترونات خفيفة ذات شحنة كهربائية سالبة تحيط بها، وتشكل الأغلفة الإلكترونية 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 هو:

الذرة 10 -8 سم 10 -16 سم 2 10 -24 سم 3

النواة 10 -12 سم 10 -24 سم 2 10 -36 سم 3

لا تحتوي الأغلفة الإلكترونية للذرة على حدود محددة بدقة، وتعتمد أحجام الذرة بدرجة أكبر أو أقل على طرق تحديدها.

الشحنة النووية هي السمة الرئيسية للذرة، والتي تحدد انتمائها إلى عنصر معين. تكون الشحنة النووية دائمًا مضاعفًا صحيحًا للشحنة الكهربائية الأولية الموجبة، وتساوي قيمه مطلقهشحنة الإلكترون -e. شحنة النواة هي +Ze، حيث Z هو العدد الذري (العدد الذري). Z= 1، 2، 3،... لذرات العناصر المتعاقبة الجدول الدوريالعناصر الكيميائية، أي للذرات H، He، Li، .... في الذرة المحايدة، تحتوي النواة ذات شحنة +Ze على إلكترونات Z بشحنة إجمالية قدرها -Ze. يمكن للذرة أن تفقد أو تكتسب إلكترونات وتصبح أيونًا موجبًا أو سالبًا (k = 1، 2، 3، ... - تعدد تأينها). غالبًا ما تحتوي ذرة عنصر معين على أيوناتها. عند الكتابة، تتميز الأيونات عن الذرة المحايدة بالمؤشر k + و k -؛ على سبيل المثال، O هي ذرة أكسجين محايدة، O +، O 2+، O 3+، ...، O 8+، O -، O 2- هي أيوناتها الموجبة والسالبة. اتحاد ذرة متعادلة وأيونات عناصر أخرى لها نفس العدد من الإلكترونات يشكل سلسلة متساوية الإلكترونات، على سبيل المثال، سلسلة من الذرات الشبيهة بالهيدروجين H، He +، Li 2+، Be 3+،....

تم شرح تعدد شحنة نواة الذرة بالنسبة للشحنة الأولية e على أساس أفكار حول بنية النواة: Z يساوي عدد البروتونات في النواة، وشحنة البروتون هي +e . تزداد كتلة الذرة بزيادة Z. وتتناسب 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 بشكل أساسي من خلال الكتلة من نواته.

قد تختلف ذرات عنصر معين في الكتلة النووية (عدد البروتونات Z ثابت، ويمكن أن يختلف عدد النيوترونات من A إلى Z)؛ تسمى هذه الأنواع من ذرات نفس العنصر بالنظائر. إن الاختلاف في كتلة النواة ليس له أي تأثير تقريبًا على بنية الأغلفة الإلكترونية لذرة معينة، والتي تعتمد على Z، وعلى خصائص الذرة. يتم الحصول على أكبر الاختلافات في الخواص (تأثيرات النظائر) لنظائر الهيدروجين (Z = 1) بسبب الاختلاف الكبير في كتل ذرة الهيدروجين الخفيفة العادية (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 ما بعد اليورانيوم). يمكن تحديد القيم الأكثر دقة للكتل الذرية عن طريق طرق التحليل الطيفي الشامل. كتلة الذرة لا تساوي بالضبط مجموع كتلة النواة وكتل الإلكترونات، ولكنها أقل إلى حد ما - من خلال عيب الكتلة ΔM = W/c 2، حيث W هي طاقة تكوين الذرة من النواة والإلكترونات (طاقة الربط)، ج هي سرعة الضوء. هذا التصحيح هو بنفس ترتيب كتلة الإلكترون m e ​​للذرات الثقيلة، وبالنسبة للذرات الخفيفة فهو لا يكاد يذكر (حوالي 10 -4 م e).

الطاقة الذرية وكميتها. نظرًا لصغر حجمها وكتلتها الكبيرة، يمكن اعتبار النواة الذرية تقريبًا نقطية وساكنة في مركز كتلة الذرة ( مركز مشترككتلة النواة والإلكترونات تقع بالقرب من النواة، وسرعة حركة النواة بالنسبة إلى مركز كتلة الذرة تكون صغيرة مقارنة بسرعة حركة الإلكترونات). وبناءً على ذلك، يمكن اعتبار الذرة بمثابة نظام تتحرك فيه الإلكترونات N ذات الشحنات e حول مركز جذب ثابت. 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 جذبها للنواة وتنافرها 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. وفقا للميكانيكا الكلاسيكية الطاقة الحركيةمثل هذا الإلكترون يساوي

حيث v هي السرعة، p = m e v هو زخم (زخم) الإلكترون. الطاقة الكامنة (مختزلة إلى طاقة جذب كولوم للإلكترون بواسطة النواة) تساوي

ويعتمد فقط على المسافة r للإلكترون من النواة. بيانياً، يتم تمثيل الدالة U(r) بمنحنى يتناقص بلا حدود مع انخفاض r، أي مع اقتراب الإلكترون من النواة. تعتبر قيمة U(r) عند r→∞ صفرًا. في القيم السلبيةإجمالي 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 حركة الإلكترون حرة - يمكن أن تذهب إلى ما لا نهاية مع الطاقة E = T = (1/2)m e v 2، والتي تتوافق مع ذرة الهيدروجين المتأينة H +. وبالتالي، فإن ذرة الهيدروجين المحايدة هي نظام من نواة مرتبطة بالكهرباء الساكنة وإلكترون له طاقة E< 0.

ممتلىء الطاقة الداخليةالذرة E - سمتها الرئيسية كنظام كمي (انظر ميكانيكا الكم). يمكن للذرة أن تبقى لفترة طويلة فقط في حالات ذات طاقة معينة - حالات ثابتة (غير قابلة للتغيير بمرور الوقت). يمكن للطاقة الداخلية لنظام كمي يتكون من جسيمات دقيقة مرتبطة (بما في ذلك الذرة) أن تأخذ واحدة من سلسلة منفصلة (غير متصلة) من القيم

تتوافق كل من قيم الطاقة "المسموح بها" هذه مع حالة كمومية ثابتة واحدة أو أكثر. لا يمكن للنظام أن يحتوي على قيم طاقة متوسطة (على سبيل المثال، تلك التي تقع بين E 1 و E 2، E 2 و E 3، وما إلى ذلك)؛ ويقال إن مثل هذا النظام لديه طاقة كمية. يرتبط أي تغيير في E بانتقال كمي (قفزة) للنظام من حالة كمومية ثابتة إلى أخرى (انظر أدناه).

يمكن تصوير القيم المنفصلة المحتملة (3) لطاقة الذرة بيانياً عن طريق القياس مع الطاقة الكامنة لجسم مرفوع إلى ارتفاعات مختلفة (إلى مستويات مختلفة)، في شكل رسم تخطيطي لمستويات الطاقة، حيث تكون كل طاقة القيمة تتوافق مع خط مستقيم مرسوم على ارتفاع E i, i= 1 , 2, 3, ... (الشكل 1). المستوى الأدنى E 1، الموافق لأدنى طاقة ممكنة للذرة، يسمى المستوى الأرضي، وجميع المستويات الأخرى (E i >E 1)، i = 2، 3، 4، ...) تسمى المستوى المثار، لأنه من أجل الانتقال إليهم ( الانتقال إلى الحالات المثارة الثابتة المقابلة من الأرض) من الضروري إثارة النظام - لنقل الطاقة E i -E 1 إليه من الخارج.

إن تكميم الطاقة الذرية هو نتيجة للخصائص الموجية للإلكترونات. وفقًا لمبدأ ازدواجية الموجة والجسيم، فإن حركة الجسيمات الدقيقة ذات الكتلة m مع السرعة v تتوافق مع الطول الموجي lect = h/mv، حيث h هو ثابت بلانك. بالنسبة للإلكترون الموجود في الذرة، فإن α يكون في حدود 10 -8 سم، أي أنه من ترتيب الأبعاد الخطية للذرة، ومن الضروري مراعاة الخصائص الموجية للإلكترون في الذرة. تشبه الحركة المزدوجة للإلكترون في الذرة حركة الموجة الدائمة ولا ينبغي اعتبارها حركة نقطة ماديةعلى طول مسار، ولكن كعملية موجية معقدة. ل موجة واقفةفي حجم محدود، تكون قيم معينة فقط من الطول الموجي lect (وبالتالي تردد التذبذب v) ممكنة. وفق ميكانيكا الكم، ترتبط طاقة الذرة E بـ v بالعلاقة E = hν وبالتالي يمكن أن تأخذ قيمًا معينة فقط. إن الحركة الانتقالية الحرة للجسيمات الدقيقة، غير المحدودة في الفضاء، على سبيل المثال، حركة الإلكترون المنفصل عن الذرة (مع الطاقة E> 0)، تشبه انتشار موجة متنقلة في حجم غير محدود، حيث أي قيم π (و v) ممكنة. يمكن لطاقة مثل هذه الجسيمات الدقيقة الحرة أن تأخذ أي قيمة (فهي غير كمية، ولها طيف طاقة مستمر). هذا التسلسل المستمر يتوافق مع الذرة المتأينة. القيمة E ∞ = 0 تتوافق مع حدود التأين؛ الفرق E ∞ -E 1 = E أيون يسمى طاقة التأين (راجع المقال إمكانية التأين)؛ بالنسبة لذرة الهيدروجين فهي 13.6 فولت.

توزيع كثافة الإلكترون. لا يمكن تحديد الموقع الدقيق للإلكترون في الذرة في وقت معين بسبب عدم اليقين في العلاقة. يتم تحديد حالة الإلكترون في الذرة من خلال دالته الموجية، والتي تعتمد بطريقة معينة على إحداثياته؛ يميز مربع معامل الدالة الموجية الكثافة الاحتمالية للعثور على إلكترون عند نقطة معينة في الفضاء. الدالة الموجية هي بوضوح حل معادلة شرودنغر.

وبالتالي، يمكن وصف حالة الإلكترون في الذرة بتوزيع شحنتها الكهربائية في الفضاء بكثافة معينة - توزيع كثافة الإلكترون. يبدو أن الإلكترونات "ملطخة" في الفضاء وتشكل "سحابة إلكترونية". يصف هذا النموذج الإلكترونات الموجودة في الذرة بشكل أكثر دقة من نموذج الإلكترون النقطي الذي يتحرك على طول مدارات محددة بدقة (في نظرية بور الذرية). وفي الوقت نفسه، يمكن ربط كل مدار بور بتوزيع محدد لكثافة الإلكترون. بالنسبة لمستوى الطاقة الأرضي 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 الذرة متعددة الإلكترونات، يتم تجميع الإلكترونات في أغلفة تحيط بالنواة على مسافات مختلفة وتتميز بتوزيعات معينة لكثافة الإلكترون. قوة الرابطة بين الإلكترونات والنواة في الأغلفة الخارجية أقل منها في الأغلفة الداخلية، وأضعف الإلكترونات ترتبط في الغلاف الخارجي الذي له الأبعاد الأكبر.

حساب دوران الإلكترون والسبين النووي. في نظرية الذرة، من المهم جدًا أن نأخذ في الاعتبار دوران الإلكترون - الزخم الزاوي (الدوران) الخاص به، والذي يتوافق، من وجهة نظر بصرية، مع دوران الإلكترون حول محوره ( إذا اعتبر الإلكترون جسيمًا صغير الحجم). يرتبط دوران الإلكترون بمائة لحظة مغناطيسية جوهرية. لذلك، في الذرة، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار، إلى جانب التفاعلات الكهروستاتيكية، التفاعلات المغناطيسية التي تحددها العزم المغناطيسي الدوراني والعزم المغناطيسي المداري المرتبط بحركة الإلكترون حول النواة؛ التفاعلات المغناطيسية صغيرة مقارنة بالتفاعلات الكهروستاتيكية. التأثير الأكثر أهمية للدوران هو في ذرات الإلكترونات المتعددة: إن ملء أغلفة الإلكترون للذرة بعدد معين من الإلكترونات يعتمد على دوران الإلكترونات.

يمكن أن يكون للنواة في الذرة أيضًا لحظة ميكانيكية خاصة بها - الدوران النووي، الذي يرتبط بعزم مغناطيسي نووي أصغر بمئات وآلاف المرات من الإلكترون. يؤدي وجود السبينات إلى تفاعلات إضافية صغيرة جدًا بين النواة والإلكترونات (انظر أدناه).

الحالات الكمومية لذرة الهيدروجين. الدور الأكثر أهمية في نظرية الكم للذرة تلعبه نظرية أبسط ذرة ذات إلكترون واحد، تتكون من نواة بشحنة +Ze وإلكترون بشحنة -e، أي نظرية ذرة الهيدروجين H والأيونات الشبيهة بالهيدروجين He +، Li 2+، Be 3+،...، تسمى عادةً نظرية ذرة الهيدروجين. باستخدام أساليب ميكانيكا الكم، من الممكن الحصول على توصيف دقيق وكامل لحالات الإلكترون في ذرة ذات إلكترون واحد. لا يمكن حل مشكلة الذرة متعددة الإلكترونات إلا بشكل تقريبي؛ في هذه الحالة، ينطلقون من نتائج حل مشكلة ذرة ذات إلكترون واحد.

طاقة ذرة الإلكترون الواحد بالتقريب غير النسبي (دون الأخذ في الاعتبار دوران الإلكترون) تساوي

العدد الصحيح n = 1، 2، 3، ... يحدد قيم الطاقة المنفصلة المحتملة - مستويات الطاقة - ويسمى رقم الكم الرئيسي، R هو ثابت ريدبيرج ويساوي 13.6 فولت. تتقارب (تتكثف) مستويات طاقة الذرة مع حد التأين E ∞ = 0، الموافق لـ n = ∞. بالنسبة للأيونات الشبيهة بالهيدروجين، يتغير فقط مقياس قيم الطاقة (Z 2 مرات). طاقة التأين لذرة شبيهة بالهيدروجين (طاقة ربط الإلكترون) هي (بالإلكترون فولت)

مما يعطي لـ H، He +، Li 2+، ... قيم 13.6 فولت، 54.4 فولت، 122.4 فولت، ....

الصيغة الأساسية (4) تتوافق مع التعبير U(r) = -Ze 2 /r للطاقة الكامنة للإلكترون في الحقل الكهربائينواة بشحنة +Ze. تم اشتقاق هذه الصيغة لأول مرة بواسطة N. Bohr من خلال النظر في حركة الإلكترون حول النواة في مدار دائري نصف قطره r وهي الحل الدقيق لمعادلة شرودنغر لمثل هذا النظام. تتوافق مستويات الطاقة (4) مع مدارات نصف القطر

حيث الثابت a 0 = 0.529·10 -8 سم = = 0.529 A هو نصف قطر المدار الدائري الأول لذرة الهيدروجين المطابق لمستوى سطحها (يُستخدم نصف قطر بور غالبًا كوحدة ملائمة لقياس الأطوال في الفيزياء الذرية ). يتناسب نصف قطر المدارات مع مربع عدد الكم الرئيسي n 2 ويتناسب عكسيا مع Z؛ بالنسبة للأيونات الشبيهة بالهيدروجين، يتناقص مقياس الحجم الخطي بمعامل Z مقارنة بذرة الهيدروجين. الوصف النسبي لذرة الهيدروجين، مع الأخذ في الاعتبار دوران الإلكترون، يتم تقديمه بواسطة معادلة ديراك.

وفقًا لميكانيكا الكم، يتم تحديد حالة ذرة الهيدروجين بالكامل من خلال القيم المنفصلة لأربع كميات فيزيائية: الطاقة E؛ الزخم المداري M l (زخم الإلكترون بالنسبة للنواة) ؛ إسقاطات M lz للزخم المداري على اتجاه تم اختياره بشكل تعسفي z؛ توقعات M sz من لحظة الدوران (الزخم الزاوي الجوهري للإلكترون M s). القيم الممكنةيتم تحديد هذه الكميات الفيزيائية بدورها من خلال أرقام الكم n، l، m l، m s، على التوالي. في التقريب، عندما يتم وصف طاقة ذرة الهيدروجين بالصيغة (4)، يتم تحديدها فقط بواسطة رقم الكم الرئيسي n، الذي يأخذ القيم الصحيحة 1، 2، 3، .... يتوافق مستوى الطاقة مع n المحدد مع عدة حالات تختلف في قيم الرقم الكمي المداري (السمت) l = 0, 1, ..., n-1. عادةً ما يتم الإشارة إلى الحالات ذات القيم المحددة لـ n وl على أنها 1s، 2s، 2r، 3s، ...، حيث تشير الأرقام إلى قيمة n، والحروف s، pr، d، f (المشار إليها فيما بعد باللاتينية) الأبجدية) - على التوالي، القيم ل = 0، 1، 2، 3. بالنسبة إلى n و l، فإن عدد الحالات المختلفة يساوي 2(2l + 1) - عدد مجموعات قيم عدد الكم المداري المغناطيسي m l عدد الدوران المغناطيسي m s (الأول يأخذ قيم 2l + 1، والثاني - 2 قيم). الرقم الإجماليمن حالات مختلفة مع إعطاء n و l يساوي 2n 2. وبالتالي، فإن كل مستوى طاقة لذرة الهيدروجين يتوافق مع 2.8، 18،...2n 2 (مع n = 1، 2، 3، ...) حالات كمومية ثابتة مختلفة. إذا كانت حالة كمومية واحدة فقط تتوافق مع مستوى طاقة، فإنها تسمى غير منحلة، إذا كانت حالتان أو أكثر منحطتان (انظر الانحطاط في نظرية الكم)، ويسمى عدد هذه الحالات g درجة الانحطاط أو تعدده (لـ مستويات الطاقة غير المتدهورة ز = 1). تتدهور مستويات الطاقة لذرة الهيدروجين، ودرجة انحلالها g n = 2n 2 .

لحالات مختلفة من ذرة الهيدروجين نحصل على و توزيع مختلفكثافة الإلكترونات. يعتمد ذلك على الأعداد الكمومية n، l وفي هذه الحالة تختلف كثافة الإلكترون لحالات s (l=0) عن الصفر في المركز، أي في موقع النواة، ولا تعتمد على الاتجاه ( كروياً)، وبالنسبة لباقي الحالات (l>0) فهي تساوي صفراً في المركز وتعتمد على الاتجاه. يظهر توزيع كثافة الإلكترون لحالات ذرة الهيدروجين مع n = 1، 2، 3 في الشكل 2؛ تنمو أبعاد "السحابة الإلكترونية" وفقًا للصيغة (6) بما يتناسب مع n2 (ينخفض ​​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، l، m l و m s كما في ذرة الهيدروجين. يتم أيضًا الحفاظ على توزيع كثافة الإلكترون، إلا أنه يزيد بمقدار Z مرات.

عمل الحقول الخارجية على الذرة. الذرة كنظام كهربائي في المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية تكتسب طاقة إضافية. يستقطب المجال الكهربائي الذرة - فهو يزيح سحب الإلكترونات بالنسبة للنواة (انظر قابلية استقطاب الذرات والأيونات والجزيئات)، ويوجه المجال المغناطيسي بطريقة معينة العزم المغناطيسي للذرة، المرتبط بحركة الإلكترون حولها. النواة (مع الزخم المداري M l) ودورانها. تتوافق الحالات المختلفة لذرة الهيدروجين التي لها نفس الطاقة E n في مجال خارجي معان مختلفةطاقة إضافية ΔE، ويتم تقسيم مستوى الطاقة المنحل E n إلى عدد من المستويات الفرعية. إن انقسام مستويات الطاقة في المجال الكهربائي - تأثير ستارك - وانقسامها في المجال المغناطيسي - تأثير زيمان - يتناسبان مع قوة المجالات المقابلة.

التفاعلات المغناطيسية الصغيرة داخل الذرة تؤدي أيضًا إلى تقسيم مستويات الطاقة. بالنسبة لذرة الهيدروجين والأيونات الشبيهة بالهيدروجين، هناك تفاعل في مدار الدوران - تفاعل الدوران واللحظات المدارية للإلكترون؛ إنه يحدد ما يسمى بالبنية الدقيقة لمستويات الطاقة - تقسيم المستويات المثارة E n (لـ n>1) إلى مستويات فرعية. بالنسبة لجميع مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين، يُلاحظ أيضًا وجود بنية فائقة الدقة، وذلك بسبب التفاعلات المغناطيسية الصغيرة جدًا للدوران النووي مع العزوم الإلكترونية.

الأغلفة الإلكترونية للذرات المتعددة الإلكترونات. تختلف نظرية الذرة التي تحتوي على إلكترونين أو أكثر بشكل أساسي عن نظرية ذرة الهيدروجين، حيث توجد في مثل هذه الذرة جزيئات متطابقة تتفاعل مع بعضها البعض - الإلكترونات. إن التنافر المتبادل للإلكترونات في ذرة متعددة الإلكترونات يقلل بشكل كبير من قوة ارتباطها بالنواة. على سبيل المثال، طاقة إزالة إلكترون واحد في أيون الهيليوم (He +) هي 54.4 فولت، بينما في ذرة الهيليوم المحايدة، نتيجة تنافر الإلكترونات، تنخفض طاقة إزالة أحدهما إلى 24.6 فولت. بالنسبة للإلكترونات الخارجية للذرات الأثقل، فإن الانخفاض في قوة روابطها بسبب تنافر الإلكترونات الداخلية يكون أكثر أهمية. تلعب خصائص الإلكترونات دورًا مهمًا في الذرات متعددة الإلكترونات كجسيمات دقيقة متطابقة (انظر مبدأ الهوية) مع دوران s = 1/2، والذي ينطبق عليه مبدأ باولي. ووفقا لهذا المبدأ، في نظام الإلكترونات لا يمكن أن يكون هناك أكثر من إلكترون واحد في كل حالة كمومية، مما يؤدي إلى تكوين أغلفة إلكترونية للذرة، والتي تمتلئ بدقة أرقام معينةالإلكترونات.

بالنظر إلى عدم إمكانية التمييز بين الإلكترونات المتفاعلة مع بعضها البعض، فمن المنطقي أن نتحدث فقط عن الحالات الكمومية للذرة ككل. ومع ذلك، من الممكن النظر بشكل تقريبي في الحالات الكمومية للإلكترونات الفردية وتوصيف كل منها من خلال مجموعة من الأرقام الكمومية n، l، m l و m s، على غرار الإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين. في هذه الحالة، فإن طاقة الإلكترون تعتمد ليس فقط على n، كما هو الحال في ذرة الهيدروجين، ولكن أيضًا على l؛ لا يزال لا يعتمد على m l و m s. الإلكترونات ذات n وl المعطاة في ذرة متعددة الإلكترونات لها نفس الطاقة وتشكل غلافًا إلكترونيًا محددًا. تتم الإشارة إلى هذه الإلكترونات المكافئة والأغلفة التي تشكلها، مثل الحالات الكمومية ومستويات الطاقة المعطاة n وl، بالرموز ns، nα، nd، nf، ... (لـ 1 = 0، 1، 2،3، ...) ويتحدثون عن إلكترونات 2p، وأغلفة 3s-o6، وما إلى ذلك.

وفقًا لمبدأ باولي، فإن أي إلكترونين في الذرة يجب أن يكونا في حالات كمومية مختلفة، وبالتالي يختلفان في واحد على الأقل من أرقام الكم الأربعة n، l، m l و m s، وبالنسبة للإلكترونات المكافئة (n و l هي نفسها) - في قيم 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 الموجودة في أغلفة الإلكترونات المملوءة بالكامل. وبالتالي، فإن الأصداف s-، p-، d-، f-، ... مليئة بـ 2، 6، 10، 14، ... الإلكترونات، بغض النظر عن قيمة n. تشكل الإلكترونات ذات n معين طبقة تتكون من أغلفة ذات l = 0، 1، 2، ...، n - 1 ومملوءة بإلكترونات 2n 2، ما يسمى بطبقة K-، L-، M، N. عندما تمتلئ بالكامل لدينا:

في كل طبقة، تتميز الأصداف ذات l الأصغر بكثافة إلكترون أعلى. تتناقص قوة الرابطة بين الإلكترون والنواة بزيادة n، وبالنسبة لـ n معينة، مع زيادة l. كلما كان ارتباط الإلكترون أضعف في الغلاف المقابل، زاد مستوى طاقته. تقوم النواة التي لها Z معين بربط الإلكترونات حسب الترتيب المتناقص لقوة روابطها: أول إلكترونين 1s، ثم إلكترونين 2s، وستة إلكترونات 2p، وما إلى ذلك. تتمتع ذرة كل عنصر كيميائي بتوزيع معين للإلكترونات عبر الأغلفة - إلكتروناتها الإلكترونية التكوين، على سبيل المثال:

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

تتميز كل ذرة بتكوين إلكترون عادي، والذي يحدث عندما تكون جميع الإلكترونات في الذرة مرتبطة بإحكام شديد، وتكوينات إلكترونية مثارة، عندما يكون إلكترون واحد أو أكثر مرتبطًا بشكل فضفاض - ويوجد في مستويات طاقة أعلى. على سبيل المثال، بالنسبة لذرة الهيليوم، إلى جانب 1s2 العادي، من الممكن تكوين تكوينات إلكترونية مثارة: 1s2s، 1s2p، ... (إلكترون واحد مثار)، 2s 2، 2s2p، ... (كلا الإلكترونين مثار). يتوافق تكوين إلكتروني معين مع مستوى طاقة واحد للذرة ككل، إذا كانت أغلفة الإلكترونات مملوءة بالكامل (على سبيل المثال، التكوين الطبيعي لذرة Ne 1s 2 2s 2 2п 6)، وعدد من مستويات الطاقة إذا كان هناك عبارة عن أصداف مملوءة جزئيًا (على سبيل المثال، التكوين الطبيعي لذرة النيتروجين 1s 2 2s 2 2r 3 حيث يكون الغلاف 2r نصف مملوء). في ظل وجود قذائف d و f مملوءة جزئيًا، يمكن أن يصل عدد مستويات الطاقة المقابلة لكل تكوين إلى عدة مئات، وبالتالي فإن مخطط مستويات الطاقة للذرة ذات الأصداف المملوءة جزئيًا معقد للغاية. مستوى الطاقة الأرضية للذرة هو أدنى مستوى لتكوين الإلكترون الطبيعي.

التحولات الكمومية في الذرة. أثناء التحولات الكمومية، تتحرك الذرة من حالة ثابتة إلى أخرى - من مستوى طاقة إلى آخر. عند الانتقال من مستوى طاقة أعلى E i إلى مستوى طاقة أقل E k، تتخلى الذرة عن الطاقة E i - E k، وأثناء الانتقال العكسي تستقبلها. كما هو الحال في أي نظام كمي، يمكن أن تكون التحولات الكمومية للذرة من نوعين: مع إشعاع (انتقالات بصرية) وبدون إشعاع (انتقالات غير إشعاعية أو غير بصرية). إن أهم ما يميز التحول الكمي هو احتماليته، والتي تحدد عدد المرات التي يمكن أن يحدث فيها هذا التحول.

في التحولات الكمومية مع الإشعاع، تمتص الذرة (الانتقال E k → E i) أو تنبعث (الانتقال E i → E k) الإشعاع الكهرومغناطيسي. تمتص الذرة الطاقة الكهرومغناطيسية وتنبعث منها على شكل كم خفيف – فوتون – يتميز بتردد تذبذب معين v، حسب العلاقة:

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

يمكن للذرة في الحالة الأرضية أن تمتص الفوتونات فقط، ولكن في الحالات المثارة يمكنها امتصاصها وإصدارها. يمكن للذرة الحرة في الحالة الأرضية أن توجد إلى أجل غير مسمى. مدة بقاء الذرة في حالة مثارة (عمر هذه الحالة) محدودة، وتفقد الذرة تلقائيًا (تلقائيًا) طاقة الإثارة جزئيًا أو كليًا، وتنبعث منها فوتونًا وتنتقل إلى مستوى طاقة أقل؛ جنبا إلى جنب مع هذا الانبعاث التلقائي، من الممكن أيضا الانبعاث المحفز، والذي يحدث، مثل الامتصاص، تحت تأثير الفوتونات من نفس التردد. كلما زاد احتمال التحول التلقائي، كلما كان عمر الذرة المثارة أقصر؛ أما بالنسبة لذرة الهيدروجين فهو حوالي 10 -8 ثانية.

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

في التحولات الكمومية غير الإشعاعية، تكتسب الذرة أو تفقد الطاقة عند تفاعلها مع جزيئات أخرى تصطدم بها في غاز أو ترتبط لفترة طويلة في جزيء أو سائل أو صلب. في الغاز، يمكن اعتبار الذرة حرة خلال الفترات الزمنية بين الاصطدامات؛ أثناء الاصطدام (الاصطدام)، يمكن للذرة أن تتحرك إلى مستوى أدنى أو مستوى عالطاقة. يسمى هذا الاصطدام غير مرن (على عكس الاصطدام المرن، حيث تتغير فقط الطاقة الحركية للحركة الانتقالية للذرة، وتبقى طاقتها الداخلية دون تغيير). إحدى الحالات الخاصة المهمة هي اصطدام ذرة حرة بالإلكترون؛ عادة يتحرك الإلكترون بشكل أسرع من الذرة، وزمن الاصطدام قصير جدًا ويمكننا الحديث عن تأثير الإلكترون. يعد إثارة الذرة بتأثير الإلكترون إحدى طرق تحديد مستويات الطاقة فيها.

الكيميائية و الخصائص الفيزيائيةذرة. يتم تحديد معظم خصائص الذرة من خلال بنية وخصائص أغلفة الإلكترون الخارجية، حيث ترتبط الإلكترونات بالنواة بشكل ضعيف نسبيًا (طاقات الربط من عدة إلكترون فولت إلى عدة عشرات من الإلكترون فولت). إن بنية الأغلفة الداخلية للذرة، التي ترتبط إلكتروناتها بشكل أكثر إحكامًا (طاقات ربط تصل إلى مئات وآلاف وعشرات الآلاف من الإلكترونات)، تظهر فقط عندما تتفاعل الذرة مع الجسيمات السريعة والفوتونات عالية الطاقة (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 - الزخم والطاقة الحركية. تعتمد الخواص الرنانة والخصائص الفيزيائية الأخرى للذرة على اللحظات الميكانيكية والمغناطيسية والكهربائية المرتبطة بها للذرة (انظر الرنين المغنطيسي الإلكتروني، الرنين المغناطيسي النووي، الرنين الرباعي النووي).

من السهل أن تتعرض الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي للذرة إلى تأثيرات خارجية. عندما تتجمع الذرات معًا، تحدث تفاعلات كهروستاتيكية قوية، مما قد يؤدي إلى تكوين رابطة كيميائية. تتجلى التفاعلات الكهروستاتيكية الأضعف بين ذرتين في استقطابهما المتبادل - إزاحة الإلكترونات بالنسبة للنواة، وهو الأقوى بالنسبة للإلكترونات الخارجية الضعيفة الارتباط. تنشأ قوى التجاذب الاستقطابي بين الذرات، والتي يجب مراعاتها حتى عند المسافات الكبيرة بينها. يحدث استقطاب الذرة أيضًا في المجالات الكهربائية الخارجية؛ ونتيجة لذلك، تتغير مستويات الطاقة في الذرة، والأهم من ذلك، يتم تقسيم مستويات الطاقة المتدهورة (تأثير ستارك). يمكن أن يحدث استقطاب الذرة تحت التأثير الحقل الكهربائيموجة ضوئية (كهرومغناطيسية) ؛ فهو يعتمد على تردد الضوء، الذي يحدد مدى الاعتماد عليه وعلى معامل الانكسار (انظر تشتت الضوء)، المرتبط باستقطاب الذرة. يتجلى الارتباط الوثيق بين الخصائص البصرية للذرة وخصائصها الكهربائية بشكل واضح في أطيافها الضوئية.

يتم تحديد الخصائص المغناطيسية للذرات بشكل أساسي من خلال بنية أغلفةها الإلكترونية. يعتمد العزم المغناطيسي للذرة على العزم الميكانيكي (انظر النسبة المغناطيسية الميكانيكية)؛ في الذرة ذات الأغلفة الإلكترونية المملوءة بالكامل تكون صفرًا، تمامًا مثل العزم الميكانيكي. الذرات ذات الأغلفة الإلكترونية الخارجية المملوءة جزئيًا عادةً ما يكون لها لحظات مغناطيسية غير صفرية وتكون مغناطيسية مسايرة. في المجال المغناطيسي الخارجي، يتم تقسيم جميع مستويات الذرات التي لا يساوي عزمها المغناطيسي الصفر - ويحدث تأثير زيمان. جميع الذرات لديها نفاذية مغناطيسية، والتي تنتج عن ظهور لحظة مغناطيسية فيها تحت تأثير عامل خارجي. حقل مغناطيسي(ما يسمى بالعزم المغناطيسي المستحث، يشبه العزم ثنائي القطب الكهربائي للذرة).

مع التأين المتسلسل للذرة، أي مع إزالة إلكتروناتها، بدءًا من الإلكترونات الخارجية من أجل زيادة قوة روابطها، تتغير جميع خصائص الذرة، التي يحددها غلافها الخارجي، وفقًا لذلك. المزيد والمزيد من الإلكترونات المقيدة بإحكام تصبح خارجية؛ ونتيجة لذلك، فإن قدرة الذرة على الاستقطاب في مجال كهربائي تتناقص بشكل كبير، وتزداد المسافات بين مستويات الطاقة وترددات التحولات البصرية بين هذه المستويات (مما يؤدي إلى تحول الأطياف نحو أطوال موجية أقصر بشكل متزايد). يظهر عدد من الخصائص دورية: خصائص الأيونات ذات الإلكترونات الخارجية المتشابهة متشابهة؛ على سبيل المثال، N 3+ (إلكترونان 2s) يظهر تشابهًا مع N 5+ (إلكترونان 1s). وينطبق هذا على الخصائص والمواضع النسبية لمستويات الطاقة والأطياف الضوئية والعزوم المغناطيسية للذرة وما إلى ذلك. يحدث التغيير الأكثر دراماتيكية في الخصائص عند إزالة الإلكترون الأخير من الغلاف الخارجي، عندما تبقى فقط الأغلفة المملوءة بالكامل، على سبيل المثال، عند الانتقال من N 4+ إلى N 5+ (التكوينات الإلكترونية 1s 2 2s و1s 2). في هذه الحالة، يكون الأيون هو الأكثر استقرارًا ومجموع عزومه الميكانيكية والمغناطيسية الكلية يساوي الصفر.

تختلف خصائص الذرة في الحالة المرتبطة (على سبيل المثال، جزء من الجزيء) عن خصائص الذرة الحرة. تخضع خصائص الذرة لأكبر التغيرات، والتي تحددها الإلكترونات الخارجية التي تشارك في ارتباط ذرة معينة بأخرى. وفي الوقت نفسه، فإن الخصائص التي تحددها إلكترونات الأغلفة الداخلية قد تظل دون تغيير تقريبًا، كما هو الحال بالنسبة لأطياف الأشعة السينية. قد تتعرض بعض خصائص الذرة لتغيرات صغيرة نسبيًا، والتي يمكن من خلالها الحصول على معلومات حول طبيعة تفاعلات الذرات المرتبطة. مثال مهمقد يكون بمثابة تقسيم لمستويات الطاقة الذرية في البلورات والمركبات المعقدة، والذي يحدث تحت تأثير المجالات الكهربائية الناتجة عن الأيونات المحيطة.

تتنوع الطرق التجريبية لدراسة بنية الذرة ومستويات طاقتها وتفاعلاتها مع الذرات الأخرى والجسيمات الأولية والجزيئات والمجالات 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 التأثيرات الدقيقة المرتبطة بالذرة بشكل متزايد. منذ بداية القرن التاسع عشر، كان وجود الذرة واضحا للعلماء، ولكن تجربة لإثبات حقيقة وجودها أجراها ج. بيرين في بداية القرن العشرين. ومع تطور الفحص المجهري، أصبح من الممكن الحصول على صور للذرات على السطح المواد الصلبة. تم رؤية الذرة لأول مرة بواسطة إي. مولر (الولايات المتحدة الأمريكية، 1955) باستخدام المجهر الأيوني الميداني الذي اخترعه. تتيح مجاهر القوة الذرية والمجاهر النفقية الحديثة الحصول على صور للأسطح الصلبة بدقة جيدة على المستوى الذري (انظر الشكل 3).

أرز. 3. صورة للتركيب الذري لسطح السيليكون حصل عليها الأستاذ بجامعة أكسفورد م. كابستيل باستخدام مجهر المسح النفقي.

توجد ما يسمى بالذرات الغريبة وتستخدم على نطاق واسع في مختلف الدراسات، على سبيل المثال الذرات الميونية، أي الذرات التي يتم فيها استبدال كل أو جزء من الإلكترونات بميونات سالبة، الميونيوم، البوزيترونيوم، وكذلك الذرات الهادرونية المكونة من بيونات مشحونة، كاونات والبروتونات والديوترونات وما إلى ذلك. كما تم إجراء الملاحظات الأولى لذرة الهيدروجين المضاد (2002) - وهي ذرة تتكون من بوزيترون وبروتون مضاد -.

مضاءة : ولد م. الفيزياء الذرية. الطبعة الثالثة. م، 1970؛ Fano U.، Fano L. فيزياء الذرات والجزيئات. م.، 1980؛ Shpolsky E. V. الفيزياء الذرية. الطبعة السابعة. م، 1984. ت 1-2؛ إلياشيفيتش م. أ. التحليل الطيفي الذري والجزيئي. الطبعة الثانية. م، 2000.

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

الإلكترونهو أصغر جسيم من مادة له شحنة كهربائية سالبة e=1.6·10 -19 كولوم، ويُعتبر شحنة كهربائية أولية. توجد الإلكترونات التي تدور حول النواة في أغلفة الإلكترونات K وL وM وما إلى ذلك. K هي القشرة الأقرب إلى النواة. يتم تحديد حجم الذرة من خلال حجم غلافها الإلكتروني. يمكن للذرة أن تفقد إلكترونات وتصبح أيونًا موجبًا أو تكتسب إلكترونات وتصبح أيونًا سالبًا. تحدد شحنة الأيون عدد الإلكترونات المفقودة أو المكتسبة. تسمى عملية تحويل الذرة المحايدة إلى أيون مشحون بالتأين.

النواة الذرية(الجزء المركزي من الذرة) يتكون من جزيئات 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 ذات شحنة كهربائية موجبة واحدة وكتلة أكبر بـ 1836 مرة من كتلة الإلكترون. البروتون هو نواة ذرة العنصر الأخف وهو الهيدروجين. عدد البروتونات في النواة Z . نيوترونهو جسيم أولي محايد (ليس له شحنة كهربائية) كتلته قريبة جدًا من كتلة البروتون. وبما أن كتلة النواة تتكون من كتلة البروتونات والنيوترونات، فإن عدد النيوترونات في نواة الذرة يساوي A - Z، حيث A هو العدد الكتلي لنظير معين (انظر). يُطلق على البروتون والنيوترون اللذين يشكلان النواة اسم النيوكليونات. في النواة، ترتبط النيوكليونات بواسطة قوى نووية خاصة.

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

يمكن أن يتم انتقال البروتون إلى نيوترون في النواة بطريقتين: إما أن ينبعث جسيم له كتلة تساوي كتلة الإلكترون، ولكن بشحنة موجبة، يسمى البوزيترون (اضمحلال البوزيترون)، من النواة، أو تلتقط النواة أحد الإلكترونات من الغلاف K الأقرب إليها (K -capture).

في بعض الأحيان تحتوي النواة الناتجة على طاقة زائدة (تكون في حالة مثارة)، وعند عودتها إلى الحالة الطبيعية، تطلق طاقة زائدة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي بطول موجي قصير جدًا - . يتم استخدام الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات النووية عمليا في مختلف الصناعات.

الذرة (باليونانية الذرة - غير قابلة للتجزئة) هي أصغر جسيم من العنصر الكيميائي الذي له خواصه الكيميائية. كل عنصر يتكون من ذرات نوع معين. تتكون الذرة من نواة تحمل شحنة كهربائية موجبة، وإلكترونات سالبة الشحنة (انظر)، تشكل أغلفةها الإلكترونية. حجم الشحنة الكهربائية للنواة يساوي Z-e، حيث e هي الشحنة الكهربائية الأولية التي تساوي شحنة الإلكترون (4.8·10 -10 وحدات كهربائية)، وZ هو العدد الذري لهذا العنصر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية (انظر ). نظرًا لأن الذرة غير المتأينة محايدة، فإن عدد الإلكترونات الموجودة فيها يساوي أيضًا Z. يتضمن تكوين النواة (انظر النواة الذرية) النيوكليونات، وهي جسيمات أولية ذات كتلة أكبر بحوالي 1840 مرة من كتلة الإلكترون (يساوي 9.1 10 - 28 جم)، والبروتونات (انظر)، موجبة الشحنة، والنيوترونات عديمة الشحنة (انظر). يسمى عدد النيوكليونات في النواة بالعدد الكتلي ويشار إليه بالحرف A. ويحدد عدد البروتونات في النواة، الذي يساوي Z، عدد الإلكترونات التي تدخل الذرة، وبنية أغلفة الإلكترونات والمواد الكيميائية خصائص الذرة. عدد النيوترونات في النواة هو A-Z. النظائر هي أنواع من نفس العنصر، تختلف ذراتها عن بعضها البعض في العدد الكتلي A، ولكنها لها نفس Z. وبالتالي، في نوى ذرات النظائر المختلفة لنفس العنصر توجد أعداد مختلفة من النيوترونات بنفس العدد عدد البروتونات. عند الإشارة إلى النظائر، يُكتب العدد الكتلي A فوق رمز العنصر، والعدد الذري أدناه؛ على سبيل المثال، يتم تعيين نظائر الأكسجين:

يتم تحديد أبعاد الذرة من خلال أبعاد أغلفة الإلكترونات وهي لجميع Z بقيمة تتراوح بين 10 -8 سم وبما أن كتلة جميع الإلكترونات في الذرة أقل بعدة آلاف المرات من كتلة النواة ، كتلة الذرة تتناسب مع العدد الكتلي. يتم تحديد الكتلة النسبية لذرة نظير معين بالنسبة لكتلة ذرة نظير الكربون C12، مأخوذة بـ 12 وحدة، وتسمى كتلة النظائر. وتبين 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 النظائري ويسمى الوزن الذري (الكتلة).

الذرة عبارة عن نظام مجهري، ولا يمكن تفسير بنيتها وخصائصها إلا باستخدام نظرية الكم، التي تم إنشاؤها بشكل رئيسي في العشرينات من القرن العشرين وتهدف إلى وصف الظواهر على المستوى الذري. أظهرت التجارب أن الجسيمات الدقيقة - الإلكترونات والبروتونات والذرات وما إلى ذلك - بالإضافة إلى الجسيمات، لها خصائص موجية، تتجلى في الحيود والتداخل. في نظرية الكم، لوصف حالة الأجسام الدقيقة، يتم استخدام مجال موجة معين، يتميز بوظيفة موجية (دالة Ψ). تحدد هذه الوظيفة احتمالات الحالات المحتملة للكائن الدقيق، أي أنها تصف الإمكانيات المحتملة لظهور بعض خصائصه. إن قانون تباين الدالة Ψ في المكان والزمان (معادلة شرودنجر)، والذي يسمح للمرء بإيجاد هذه الدالة، يلعب نفس الدور في نظرية الكم مثل قوانين نيوتن للحركة في الميكانيكا الكلاسيكية. يؤدي حل معادلة شرودنغر 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 الطاقة المختلفة (المكممة). لقد حصل نظام مستويات الطاقة الذرية، المحسوب بطرق نظرية الكم، على تأكيد رائع في التحليل الطيفي. يحدث انتقال الذرة من الحالة الأرضية المقابلة لأدنى مستوى طاقة E 0 إلى أي من الحالات المثارة E i عند امتصاص جزء معين من الطاقة E i - E 0 . تنتقل الذرة المثارة إلى حالة أقل إثارة أو أرضية، عادة عن طريق إصدار فوتون. في هذه الحالة، طاقة الفوتون hv تساوي الفرق في 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، أتاحت نظرية الكم تفسير خصائص أخرى للذرات. وعلى وجه الخصوص، تم شرح التكافؤ وطبيعة الروابط الكيميائية وبنية الجزيئات، وتم إنشاء نظرية الجدول الدوري للعناصر.

الذرة، كوحدة معزولة، تتكون من نواة مشحونة بشحنة موجبة وإلكترونات تحمل شحنة سالبة. وهذا ما تتكون منه الذرة.

يوجد في وسطها نواة تتكون من جزيئات أصغر - البروتونات والنيوترونات. بالنسبة إلى نصف قطر الذرة بأكملها، فإن نصف قطر النواة أصغر بحوالي مائة ألف مرة. الكثافة الأساسية عالية للغاية.

النواة المستقرة ذات الشحنة الموجبة هي البروتون. النيوترون هو جسيم أولي ليس له شحنة كهربائية، وكتلته تساوي تقريبًا كتلة البروتون. تتكون كتلة النواة، على التوالي، من الكتلة الإجمالية للبروتونات والنيوترونات، والتي يُختصر مجموعها في النواة بالنوكليون. ترتبط هذه النيوكليونات في النواة بطريقة فريدة، فعدد البروتونات في الذرة يساوي العدد المحدد في الغلاف الذري، ونتيجة لذلك، تشكل الأساس الخواص الكيميائيةذرة.

يحمل الإلكترون، باعتباره أصغر جسيم للمادة، في داخله تيارًا كهربائيًا سلبيًا أوليًا ويدور باستمرار حول النواة في مدارات معينة، على غرار دوران الكواكب حول الشمس. وهكذا، لمسألة ما تتكون الذرة، يمكن إعطاء الإجابة التالية: من الجسيمات الأولية ذات الشحنات الإيجابية والسلبية والمحايدة.

هناك النمط التالي: حجم الذرة يعتمد على حجم غلافها الإلكتروني، أو ارتفاع مدارها. كجزء من الإجابة على سؤال مما تتكون الذرة، يمكننا توضيح أنه يمكن إضافة الإلكترونات وإزالتها من الذرة. هذا الظرف يحول الذرة إلى أيون موجب أو بالتالي إلى أيون سلبي. وتسمى عملية تحول الجسيم الكيميائي الأولي بالتأين.

ب المركزة مخزون كبيرالطاقة التي يمكن إطلاقها أثناء التفاعلات النووية. تحدث مثل هذه التفاعلات، كقاعدة عامة، عندما تصطدم النوى الذرية مع جزيئات أولية أخرى أو مع نوى العناصر الكيميائية الأخرى. ونتيجة لذلك، تكون نوى جديدة قادرة على التشكل. على سبيل المثال، التفاعل قادر على تنفيذ انتقال النيوترون إلى بروتون، في حين يتم إزالة جسيم بيتا، المعروف باسم الإلكترون، من نواة الذرة.

يمكن تنفيذ التحول النوعي في مركز الذرة من البروتون إلى النيوترون بطريقتين. في الحالة الأولى، يخرج من النواة جسيم له كتلة تساوي كتلة الإلكترون، ولكن بشحنة موجبة، يسمى البوزيترون (ما يسمى اضمحلال البوزيترون). يتضمن الخيار الثاني التقاط نواة الذرة لأحد الإلكترونات الأقرب إليها من مدار K (التقاط K). وهكذا تتغير العناصر الكيميائية من عنصر إلى آخر بسبب المادة التي تتكون منها الذرة.

هناك حالات للنواة المتكونة عندما يكون لديها فائض من الطاقة، وبعبارة أخرى، تكون في حالة مثارة. في حالة التحول إلى الحالة الطبيعية، تطلق النواة طاقة زائدة على شكل جزء من الإشعاع الكهرومغناطيسي بطول موجي قصير جدًا - هكذا يتشكل إشعاع جاما. تجد الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات النووية تطبيقًا عمليًا في عدد من فروع العلوم والصناعة.

تتكون الذرة منالنواة الذرية والإلكترونات. إذا كان عدد البروتونات في النواة يتزامن مع عدد الإلكترونات، فإن الذرة ككل تتحول إلى محايدة كهربائيا. وبخلاف ذلك، فهو يحتوي على بعض الشحنات الموجبة أو السالبة ويسمى أيونًا. وفي بعض الحالات، يُفهم الذرات فقط على أنها أنظمة محايدة كهربائيًا تكون فيها شحنة النواة مساوية لشحنة الإلكترونات الإجمالية، وبالتالي تتناقض مع الشحنة الكهربائية الأيونات.

جوهر، التي تحمل تقريبًا كامل كتلة الذرة (أكثر من 99.9%)، وتتكون من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات غير مشحونة مرتبطة معًا من خلال تفاعل قوي. تصنف الذرات حسب عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة: عدد البروتونات Z يتوافق مع العدد الذري في الجدول الدوري ويحدد انتمائه إلى عدد معين عنصر كيميائيوعدد النيوترونات N - لنظير محدد لهذا العنصر. ويحدد الرقم Z أيضًا صافي الشحنة الكهربائية الموجبة (Ze) للنواة الذرية وعدد الإلكترونات الموجودة في الذرة المحايدة، وهو ما يحدد حجمها.

الذرات من أنواع مختلفة وبكميات مختلفة، مرتبطة بروابط بين الذرات، تشكل جزيئات.

خصائص الذرة

بحكم التعريف، فإن أي ذرتين لهما نفس عدد البروتونات في نواتيهما تنتميان إلى نفس العنصر الكيميائي. ذرات لها نفس عدد البروتونات ولكن كميات مختلفةتسمى النيوترونات نظائر عنصر معين. على سبيل المثال، تحتوي ذرات الهيدروجين دائمًا على بروتون واحد، ولكن هناك نظائر بدون نيوترونات (الهيدروجين -1، يُسمى أحيانًا أيضًا البروتيوم - الشكل الأكثر شيوعًا)، مع نيوترون واحد (الديوتيريوم) ونيوترونان (التريتيوم). وتشكل العناصر المعروفة سلسلة طبيعية متصلة حسب عدد البروتونات الموجودة في النواة، تبدأ بذرة الهيدروجين ببروتون واحد وتنتهي بذرة الأونوكتيوم التي تحتوي في النواة على 118 بروتونا. جميع نظائر عناصر الجدول الدوري، بدءاً بالرقم 83 (البزموت)، مشعة.

وزن

وبما أن البروتونات والنيوترونات لها أكبر مساهمة في كتلة الذرة، الرقم الإجماليويسمى عدد هذه الجسيمات بالعدد الكتلي. غالبًا ما يتم التعبير عن الكتلة الساكنة للذرة بوحدات الكتلة الذرية (amu)، والتي تسمى أيضًا دالتون (Da). تُعرَّف هذه الوحدة بأنها 1⁄12 من الكتلة الباقية لذرة الكربون 12 المحايدة، والتي تساوي تقريبًا 1.66 × 10−24 جم. الهيدروجين-1 هو أخف نظير للهيدروجين والذرة ذات الكتلة الأصغر، ولها وزنه الذري حوالي 1.007825 أ. كتلة الذرة تساوي تقريبًا حاصل ضرب العدد الكتلي لكل وحدة كتلة ذرية، وأثقل نظير مستقر هو الرصاص 208 بكتلة 207.9766521 أ. يأكل.

نظرًا لأن كتل حتى أثقل الذرات في الوحدات العادية (على سبيل المثال، الجرام) صغيرة جدًا، يتم استخدام المولات في الكيمياء لقياس هذه الكتل. يحتوي المول الواحد من أي مادة، حسب التعريف، على نفس العدد من الذرات (حوالي 6.022·1023). يتم اختيار هذا الرقم (رقم أفوجادرو) بحيث إذا كانت كتلة العنصر 1 أ. م، فإن كتلة مول من ذرات هذا العنصر تساوي 1 جم، على سبيل المثال، كتلة الكربون 12 أ. م، لذا فإن 1 مول من الكربون يزن 12 جم.

مقاس

ليس للذرات حدود خارجية محددة بوضوح، لذلك يتم تحديد أحجامها من خلال المسافة بين نوى الذرات المجاورة التي شكلت رابطة كيميائية (Covalent radius) أو من خلال المسافة إلى أبعد مدار إلكتروني مستقر في الغلاف الإلكتروني لهذا الذرة (نصف القطر الذري). يعتمد نصف القطر على موقع الذرة في الجدول الدوري، ونوع الرابطة الكيميائية، وعدد الذرات القريبة (رقم التنسيق)، وخاصية ميكانيكا الكم المعروفة باسم الدوران. في الجدول الدوري للعناصر، يزداد حجم الذرة كلما تحركت إلى أسفل عمود، ويتناقص كلما تحركت إلى أسفل صف من اليسار إلى اليمين. وعليه فإن أصغر ذرة هي ذرة هيليوم نصف قطرها 32م، وأكبرها ذرة سيزيوم (225م). وهذه الأحجام 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.

تم إثبات صغر الذرات الأمثلة التالية. إن شعرة الإنسان أكثر سمكا بمليون مرة من ذرة الكربون. تحتوي قطرة الماء الواحدة على 2 سيكستيليون (21021) ذرة أكسجين، وضعف عدد ذرات الهيدروجين. قيراط واحد من الماس يزن 0.2 جرام يتكون من 10 سيكستيليون ذرة كربون. إذا أمكن تكبير تفاحة إلى حجم الأرض، فإن ذراتها ستصل إلى الحجم الأصلي للتفاحة.

قدم علماء من معهد خاركوف للفيزياء والتكنولوجيا أول صور للذرة في تاريخ العلم. للحصول على الصور، استخدم العلماء مجهرًا إلكترونيًا يسجل الإشعاع والمجالات (المجهر الإلكتروني لانبعاث المجال، FEEM). قام الفيزيائيون بوضع العشرات من ذرات الكربون بالتتابع في غرفة مفرغة ومرروا عبرها تفريغًا كهربائيًا بقوة 425 فولت. إن إشعاع الذرة الأخيرة في السلسلة على شاشة الفسفور جعل من الممكن الحصول على صورة لسحابة من الإلكترونات حول النواة.