Атом

Печат
Посещения: 11557

Атомът е най-малката градивната частица на елементите, която запазва техните химични свойства. Състои се от атомно ядро с положителен електричен заряд и отрицателно заредени електрони, които формират електронна обвивка. Размерите му са от порядъка на 10-10 m, а маса му е около 10-27 – 10-25 kg. Ядрото на атома заема изключително малка част от неговия обем и е 100 000 пъти по-малко от един атом, като размерите му са около 10-14 – 10-15м. Въпреки това в ядрото е съсредоточена почти цялата маса на атома. То има огромна плътност – 100 000 000 t/cm3.

 

Чрез отдаване или присъединяване на електрон атомът се превръща в положителен или отрицателен йон. Атомите съществуват в свободно или в свързано състояние (молекули).

История

Думата атом произлиза от гръцкото "ἄτομος"—átomos което означава неделим. Концепцията за атома като неделима съставна част на материята е предложена за първи път от античните философи на Индия и Древна Гърция. Още през 450 г. пр. Хр. Демокрит употребява термина атом. Той смята, че материята е изградена от атоми и от празно пространство и атомите са вечни и неизменими и се различават само по формата и размерите си. Многообразието на природата се дължи на свързването на различни по вид атоми.

През 1661 г. Робърт Бойл публикува труда си The Sceptical Chymist в който твърди, че веществото е съставено от различни комбинации на корпускули или атоми, а не от класическите елементи въздух, земя, огън и вода.

През 1803 Джон Далтон създава атомна теория, като дава определение за атома като най-малката частица на химичните елементи. Той счита, че атомите са толкова вида, колкото са елементите и това, че многообразието в света се дължи на различното съчетаване на атомите. Далтон представя нови символи за означаване на различните видове атоми, както и за означаване на комбинации от атоми (съединения). Далтон оценява атомните тегла на елементите според пропорциите на съответните маси, с които те се съединяват един с друг, като за единица приема водорода. Той допуска известни неточности при съставянето на своите таблици, които са коригирани през 1811 г. от Амедео Авогадро.

Джоузеф Джон Томсън открива съществуването на електрони при експериментите си с т.нар. катодни лъчи. Той стига до извода, че атомите са сложни частици, които могат  да се разделят на съставните си части. За да обясни наличието на положителен и отрицателен заряд, той предлага атомен модел, в който положително зареден материал, представляващ по-голямата част от атомната маса е разпределен в известна степен равномерно по целия атом, докато леките, отрицателни електрони са разпръснати в този материал като „семки на пъпеш”. Съгласно този модел сливането на няколко водородни атома в по-сложни атомни видове трябва да бъде визуализирано като сливане на сферични положителни заряди в един по-голям облак, последвано от преразпределение на електроните.

Този атомен модел е опроверган през 1911 г. от класическите експерименти на Ърнест Ръдърфорд, който изучава разсейването на потоци от алфа частици, преминаващи през тънки фолиа от различни материали. Ръдърфорд  установил, че почти всички частици преминават през фолиото и удрят екрана, разположен зад него. Около 0,1% обаче отскачали от фолиото в различни ъгли. Опитите показали, че малка част от атома би трябвало да е достатъчно плътна, за да разсее α-частиците. Ръдърфорд я нарекъл ядро. При обстрелването на азотни атоми с α-частици се отделили положително заредени частици, по-малки от α-частиците. Той ги нарекъл протони и предположил, че те са основни градивни частици на атомното ядро.  Джеймс Чадуик повторил опитите на Ръдърфорд, като използвал фолио от берилий. Той забелязал, че се отделят неутрални частици, способни да избият протоните на други атоми. Тези частици имали маса почти колкото тази на протона и били наречени неутрони.

Ръдърфорд съставил планетарен модел на атома, в чиито център е ядрото с положителен заряд, изградено от протони и неутрони, а отрицателно заредените електрони се движат около него, подобно на планетите около Слънцето.

Опитите на Ръдърфорд с разсейване на алфа частици от различни материали също позволяват директно пресмятане на електричния заряд на съответното ядро, или още броят на електроните в атомната обвивка. Така може да се направи изводът, че броя на електроните в атома съвпада с поредното число (атомно число) на елемента.

В основата на атомната физика е откриването на спектралните линии, чието изучаване довежда до създаването на атомния модел от Н. Бор (1913). В този модел за атома Бор взема за основа модела на Ръдърфорд, но с една съществена разлика: електроните обикалят около ядрото само по точно определени кръгови орбити с точни стойности на характеризиращите ги момент на импулса и енергия. Този модел обяснява емисионните и абсорбционни спектрални линии и дискретния характер на спектъра.

През 20-те години на XX век се развива квантовата теория. Квантовата механика е теоретична основа на атомната физика. През 1924 г. Луи дьо Бройл изказва предположението, че всички частици имат поведение и на вълни. През 1926 г. Ервин Шрьодингер създава математически модел на тази идея, представяйки електроните като вълни. Следствие на модела е невъзможността да се определят едновременно положението и импулсът на електрона (принцип на неопределеността на Хайзенберг). Така моделът на Бор става невалиден. Съвременният модел на атома е моделът на атомните орбитали, който описва позицията на електроните спрямо ядрото само като вероятности.

 

Строеж

Атомно ядро

Ядрото на атома е съставено от субатомните частици нуклони – общото име на два от барионите (тежки частици): неутрони (незаредена частица) и протони (положително заредена частица), които имат еднакви маси. Самите протони и неутрони са съставени от други частици – кварки. Броят на протоните е равен на броя на електроните и на поредния номер на химичния елемент в периодичната система. Броят на протоните в атома се нарича атомно число. Сборът от броя на протоните и броя на неутроните дава масовото число А. Например: въглеродът има 6 протона и 6 неутрона и масовото му число е 12. Протоните имат заряд 1,6.10-19 кулона, който е приет за единица относителен заряд - е. Зарядът на ядрото  q = Ze, където Z е  номера на химичния елемент в таблицата на Менделеев. Относителната масса на протоните е 1,00784 или 1,670.10-27kg. Неутроните са електронеутрални частици с относителна маса 1,00868 или 1,678.10-27kg. Масата на атомите е прието да се изразява в атомни единици за маса. За атомна единица за маса е приета 1/12 от масата на атома на въглерода, ядрото на който е изградено от 12 нуклона (неутрони и протони) .

Нуклоните в ядрото са свързани с ядрени сили. Това са най-големите сили, които действат на най-късо разстояние. Въпреки че протоните, поради положителния си заряд, се отблъскват взаимно, атомното ядро е стабилно и не се разпада. За да действат тези сили,  разстоянието между частиците трябва да е съизмеримо с големината на атомното ядро. т.е. около 10-14 - 10-15м.

Изотопите на един химичен елемент са атоми с еднакъв брой протони и различен брой неутрони в ядрата. Те имат еднакви химични свойства, тъй като те се определят от броя и разположението на електроните от най-външния електронен слой на електронната обвивка, а те са едни и същи. Те обаче могат да имат различни физични свойства. Водородът има три изотопа – протий (само 1 протон и без неутрони), деутерий (1 протон и 1 неутрон) и тритий (1 протон и 2 неутрона). Най-големи разлики в свойствата си проявяват точно тези изотопи, заради голямата разлика в масовите числа. Броят на изотопите на даден елемент не е неограничен, т.като при голяма разлика в боря неутрони и ядрата стават нестабилни.

С помощта на изотопите се определя относителната атомна маса на даден елемент. Например хлорът има два естествени изотопа с масово число 35 и 37, а процентното им съдържание е съответно 75% и 25%. Тогава се умножават масово число и процентно съдържание за всеки изотоп и стойностите се събират. Така за хлора се получава относителна атомна маса 35,5. 

Електронна обвивка

Електронната обвивка е съставена от електроните, обикалящи около ядрото на атома по законите на квантовата механика. Елекртонът е стабилна отрицателно заредена частица (лептон) с маса 9,11.10-28 g ≈ 0,511 MeV/c2.

Според законите на класическата физика след като електроните се движат по орбити, те би трябвало да излъчват енергия, но излъчвайки енергия те биха паднали върху ядрото.  Така  атомите щяха да съществуват само за една милиардна част от секундата. Освен това, постоянното излъчване на енергия означава непрекъснат спектър, докато атомите имат линеен спектър, характерен за всеки елемент. Всяка линия от спектъра отговаря на определена енергия и има определен цвят.

Според постулатите на Бор в атомите съществуват стационарни орбити на електроните, движението по които не е съпроводено с излъчване на енергия. Стационарните състояния на атомите се характеризират с определени стойности на тяхната енергия Е1, Е2, Е3,….Когато атомът се намира в стационарно състояние (електроните се движат по стационарните орбити), той не излъчва енергия. При преминаване на атома от едно стационарно състояние с енергия Е1 в друго състояние с енергия Е2 (преминаване на един електрон от една “стационарна орбита” на друга) атомът излъчва или поглъща квант енергия

hn  = Е1 – Е2.

Когато атомът излъчва енергия, спектърът се нарича емисионен, а когато поглъща – абсорбционен. Тъй като енергиите на стационарните състояния са постоянни, то и спектърът не се променя и е характерен за всеки елемент.

Макс Планк предлага хипотеза, според която светлината се излъчва и поглъща на порции, наречени кванти и така полага основите на квантовата механика. Според него големината на енергетичния квант зависи от честотата на лъчението и от един коефициент (константа на Планк). Квантите са наречени фотони. Фотонът е неутрална частица, обуславяща електромагнитните явления. Има нулева маса в покой и се разпространява със скоростта на светлината c. Фотоните притежават корпускулярно–вълнов дуализъм, т.е. те проявят свойства на вълни и на частици.

Луи дьо Бройл предположил, че това е вярно и за протоните и неутроните, което предположение е доказано опитно по-късно. Когато микрочастиците се отнасят като частици, те имат маса и скорост на движение, затова имат и импулс. Когато се отнасят като вълни, те имат дължина на вълната. Дължината на вълната, която притежава една частица зависи от константата на Планк и от импулса – т.е. от масата и скоростта.

Според принципа на неопределеността, формулиран от Вернер Хайзенберг, не е възможно едновременно да се определят импулсът и мястото на електрона в атома. Причината е, че детекцията на електрон става посредством регистриране на фотон, отделен от него, но когато електронът отдаде фотон, неговата енергия се е променила и той вече е различен от първоначалния електрон. Според този принцип няма орбити на електроните, а електронна плътност - вероятността за откриване на електрона в пространството около атомното ядро. Електронен облак е област от пространството, в която електронната плътност е над 90%.

Атомна орбитала е математическа функция, характеризираща вероятността електронът да е на дадено място при измерване на положението му. Около ядрото съществува само дискретно (квантувано) множество от такива орбитали, тъй като останалите възможни вълнови форми са нестабилни. Орбиталите може да имат структура и се различават една от друга по размер, форма и ориентация.

Всяка атомна орбитала съответства на определено енергийно ниво на електрона. Електронът може да премине към по-високо енергийно ниво, поглъщайки фотон, а при спонтанно излъчване на фотон може да се премести на по-ниско енергийно ниво. Тези специфични енергийни стойности, съответстващи на енергиите на квантовите състояния, са причината за атомните спектрални линии

Квантови числа

Главното квантово число има стойности цели числа от 1 до безкрайност. То определя енергията, размерите на атомната орбитала, както и отдалечеността на електрона от ядрото. Колкото повече нараства стойността му, толкова се повишава енергията и атомната орбитала става по-голяма. Електрони, чиито състояния се характеризират с едно и също главно квантово число, са близки по енергия и образуват електронен слой. Номерът на електронния слой съвпада с главното квантово число. В електронния слой максимално може да има n2 на брой атомни орбитали и 2n2 на брой електрона.

 Орбиталното квантово число има стойности цели числа от 0 до n-1 – то зависи от главното квантово число и определя енергията и формата на атомната орбитала. Колкото повече нараства стойността му, толкова се повишава енергията, а формата се усложнява. Когато стойността на орбиталното квантово число е 0, атомната орбитала има форма на сфера и се нарича s-орбитала, при стойност 1 – на пространствена осморка и се нарича p-орбитала и при стойност 2 – на пространствена детелина и се нарича d-орбитала. При стойност 4 формата вече е по-сложна, а орбиталата е f. Електрони, чиито състояния се характеризират с едно и също главно и орбитално квантово число, образуват подслой. Броят на подслоевете в даден слой е равен на главното квантово число – в първия слой има един подслой, във втория слой – два подслоя и т.н. В един подслой максимално може да има 2l + 1на брой атомни орбитали и 4l + 2 на брой електрона.

Магнитното квантово число има стойности от  -l, до +l, включително нула. То определя пространствената насоченост на атомната орбитала, а също и броят на орбиталите в един подслой – 2l + 1. Така за третия електронен слой (главно квантово число 3) орбиталното квантово число има 3 стойности - l = 0, m има стойност само 0 – една 3s-орбитала; при l = 1, m има три стойности – три 3p орбитали, при l = 2, m има 5 стойности – пет 3d АО. Електрони, които имат едни и същи главни, орбитални и магнитни квантови числа, се намират на една и съща атомна орбитала. Трите квантови числа характеризират напълно атомната орбитала – нейната големина, форма и пространствена насоченост. Енергията на електроните не зависи от магнитното квантово число, затова всички електрони от един подслой имат еднаква енергия.

Първият електронен слой е изграден само от една атомна орбитала – 1s. Вторият електронен слой е изграден от два подслоя. На първия подслой се намира 2s-AO, a на втория подслой – три 2p-АО. Всяка от трите 2p-АО се различава само по магнитното си квантово число – по пространствената си насоченост.

Третият електронен слой е изграден от три подслоя. В първия подслой се намира 3s-AO. Във втория са три 3р-АО. В третия подслой се намират пет 3d-АО. Те се различават само по магнитното си квантово число.

Спиновото квантово число характеризира спинът на електрона, който определя магнитните свойства на електрона – в коя посока ще се върти електрона спрямо собствената си ос. Тъй като възможностите за това са само две, то и спиновото квантово число има две стойности - ±½. Това условно се означава със стрелки – насочена нагоре или насочена надолу. Четирите квантови числа – главно, орбитално, магнитно и спиново – характеризират състоянието на електрона. След като за магнитното квантово число има само две стойности, това означава, че на една атомна орбитала могат да се намират максимално 2 електрона – с две различни спинови квантови числа.

Атомен радиус е разстоянието от атомното ядро до най-отдалеченият максимум на електронната плътност. Измерва се в pm или в Å. С увеличаване на поредния номер по периодите атомният радиус намалява. Причината е, че броят протони расте, докато броят електрони остава същият и така електроните се привличат по-силно от ядрото. По групи атомният радиус се увеличава, защото се увеличава броят на електронните слоеве. Елементът с най-голям атомен радиус е цезият (225 pm),  а най-малкият атом е хелий с радиус от 32 pm.

Ядрени сили 

Свързването на нуклоните в ядро свидетелства за наличието на особени ядрени сили в ядрото. Лесно можем да се убедим, че тези сили не се свеждат до познатите ни до тук видове сили – тези сили не са нито гравитационни, нито електрични, нито магнитни.

Ядрените сили са “късо действащи”; те бързо намаляват до нула при разстояния, по-големи от около 2,2.10 – 15 m. Това разстояние се нарича радиус на действие на ядрените сили. Ядрените сили, които действат между два неутрона, са почти същите, както тези между протон и неутрон или между два протона; разбира се, в случая с протони освен ядрени сили действат още и електрични сили на отблъскване. Ядрените сили проявяват “насищане”, това значи, че всеки нуклон си взаимодейства само с “най-близките си съседи” за разлика от електричните взаимодействия, при които всяка частица си взаимодейства с всички останали частици едновременно.

В ядрото действат два вида сили – ядрените сили на привличане между нуклоните и кулоновите сили на отблъскване между протоните. Кулоновите сили на взаимодействие между протоните действат на значително по-големи разстояния от големината на радиуса на действие на ядрените сили. Устойчивостта на ядрата означава, че големината на ядрените сили на привличане значително превишава големината на кулоновите сили на отблъскване и в резултат на тяхното съвместно действие ядрото заема някаква област в пространството, размерите на която приемаме за размер на ядрото. 

Енергия на свързване на отделен нуклон в ядрото наричаме физичната величина, равна на работата, която трябва да се извърши за да се отдели нуклона от ядрото без да му се придаде кинетична енергия. Пълната енергия на свързване на ядрото съответно се определя от работата, която трябва да бъде извършена за разделяне на ядрото на съставящите го нуклони, без да им се придаде кинетична енергия.

Енергиите на свързване на ядрата са от порядъка на милиони електронволта. Енергиите на свързване между електроните и ядрото в атома са много по-малки и именно това позволява отделното разглеждане на атомните от ядрените процеси. Енергията на свързване е една от най-важните величини, характеризиращи здравината на ядрото. Най-устойчиви от енергетична гледна точка са ядрата от средната част от таблицата на Менделеев. Тежките и леките ядра са по-неустойчиви. Това означава, че енергетично изгодни са следните процеси:

1. Деление на тежките ядра на по-леки – реакции на деление;

2. Сливане на леките ядра едно с друго в по-тежки – термоядрени реакции.

И при двата процеса се отделя огромно количество енергия. 

 

Радиокативност

Радиоактивност или още радиоактивен разпад е способността на атомните ядра на нестабилни изотопи на химични елементи да се превръщат спонтанно в ядра на други химични елементи, при което се излъчва енергия във формата на електромагнитно лъчение или частици.

През 1896 г. френският физик Антоан Анри Бекерел открива неизвестно спонтанно излъчване на урановата сол, което е наречено радиоактивност. Той поставя парче уранова руда до опакована фотографска плака на тъмно в шкаф и след време забелязва, че тя е осветена въпреки, че не е имало достъп до светлина. По-късно се открива, че и други вещества, освен урана, излъчват подобно лъчение. Мария и Пиер Кюри откриват, че радият излъчва много по-силно лъчение, затова и лъчението било наречено радиоактивно.

Времето, за което половината радиоактивни атоми се разпадат, се нарича време на полуразпад и варира от части от секундата до милиони години. Самата радиоактивност се измерва по броя на разпаданията за една секунда и единицата за радиоактивност е бекерел – 1 Bq е едно разпадане за секунда.

Aлфа лъчите са вид радиоактивно лъчение с висока йонизираща и сравнително ниска прониквателна способност. Скоростта им е до 30 000km/s. Алфа лъчите всъщност представляват поток от хелиеви ядра - два протона и два неутрона и имат положителен заряд. В електрично поле те се отклоняват към катода.

Бета лъчите са друг вид радиоактивно лъчение с малка йонизираща способност. Тяхната скорост е от 100 000 до 270 000km/s. Бета лъчите представляват поток от електрони с висока кинетична енергия, затова те имат отрицателен заряд и в електрично поле се отклоняват към анода.

Гама лъчите са третия вид радиоактивно лъчение. Те са с най-висока прониквателна и най-ниска йонизираща способност. Скоростта им е 300 000km/s и представляват поток от фотони с малка дължина на вълната и висока честота. Те са електронеутрални и в електрично поле не променят посоката си.

 

Използвана литература:

1.      https://www.znam.bg

2.      https://www.wikipedia.org

3.