Akákoľvek látka je tvorená veľmi malými časticami tzv atómov . Atóm je najmenšia častica chemického prvku, ktorá si zachováva všetky svoje charakteristické vlastnosti. Na predstavu veľkosti atómu stačí povedať, že ak by sa dali umiestniť blízko seba, potom by milión atómov zaberalo vzdialenosť len 0,1 mm.
Ďalší vývoj vedy o štruktúre hmoty ukázal, že aj atóm má zložitú štruktúru a pozostáva z elektrónov a protónov. Tak vznikla elektronická teória štruktúry hmoty.
V dávnych dobách sa zistilo, že existujú dva typy elektriny: pozitívna a negatívna. Množstvo elektriny obsiahnuté v tele sa začalo nazývať náboj. V závislosti od typu elektriny, ktorú telo má, môže byť náboj kladný alebo záporný.
Experimentálne sa tiež zistilo, že podobné náboje sa odpudzujú a na rozdiel od nábojov priťahujú.
Uvažujme elektrónová štruktúra atómu. Atómy sú tvorené ešte menšími časticami ako sú oni sami, tzv elektróny.
DEFINÍCIA:Elektrón je najmenšia častica hmoty, ktorá má najmenší záporný elektrický náboj.
Elektróny obiehajú okolo centrálneho jadra pozostávajúceho z jedného alebo viacerých protóny A neutróny, na koncentrických dráhach. Elektróny sú negatívne nabité častice, protóny sú pozitívne a neutróny sú neutrálne (obrázok 1.1).
DEFINÍCIA:Protón je najmenšia častica hmoty, ktorá má najmenší kladný elektrický náboj.
Existencia elektrónov a protónov je nepochybná. Vedci nielenže určili hmotnosť, náboj a veľkosť elektrónov a protónov, ale dokonca ich prinútili pracovať v rôznych elektrických a rádiotechnických zariadeniach.
Zistilo sa tiež, že hmotnosť elektrónu závisí od rýchlosti jeho pohybu a že elektrón sa v priestore nielen pohybuje dopredu, ale aj rotuje okolo svojej osi.
Najjednoduchší v štruktúre je atóm vodíka (obr. 1.1). Skladá sa z protónového jadra a elektrónu rotujúceho veľkou rýchlosťou okolo jadra, čím sa vytvára vonkajší obal (orbita) atómu. Zložitejšie atómy majú niekoľko obalov, cez ktoré rotujú elektróny.
Tieto obaly sa postupne od jadra plnia elektrónmi (obrázok 1.2).
Teraz sa na to pozrime . Vonkajší plášť je tzv valencia, a počet elektrónov v ňom obsiahnutých sa nazýva valencia. Čím ďalej od jadra valenčná škrupina, tým menšiu príťažlivú silu každý valenčný elektrón zažije od jadra. Atóm teda zvyšuje schopnosť pripájať elektróny na seba v prípade, že valenčný obal nie je vyplnený a nachádza sa ďaleko od jadra, alebo ich stratí.
Elektróny vonkajšieho obalu môžu prijímať energiu. Ak elektróny nachádzajúce sa vo valenčnom obale dostanú potrebnú úroveň energie z vonkajších síl, môžu sa od nej odtrhnúť a opustiť atóm, to znamená, že sa stanú voľnými elektrónmi. Voľné elektróny sa môžu náhodne pohybovať z jedného atómu na atóm. Tie materiály, ktoré obsahujú veľké množstvo voľných elektrónov, sa nazývajú vodičov
.
Izolátory
, je opakom vodičov. Zabraňujú toku elektrického prúdu. Izolátory sú stabilné, pretože valenčné elektróny niektorých atómov vyplňujú valenčné obaly iných atómov a spájajú ich. Tým sa zabráni tvorbe voľných elektrónov.
Zaujmite strednú polohu medzi izolátormi a vodičmi polovodičov
, ale o nich si povieme neskôr
Uvažujme vlastnosti atómu. Atóm, ktorý má rovnaký počet elektrónov a protónov, je elektricky neutrálny. Atóm, ktorý získa jeden alebo viac elektrónov, sa stáva záporne nabitým a nazýva sa záporný ión. Ak atóm stratí jeden alebo viac elektrónov, stane sa kladným iónom, to znamená, že sa nabije kladne.
Atóm je najmenšia častica hmoty. Jeho štúdium sa začalo v starovekom Grécku, keď štruktúra atómu pritiahla pozornosť nielen vedcov, ale aj filozofov. Aká je elektrónová štruktúra atómu a aké základné informácie sú známe o tejto častici?
Atómová štruktúra
Už starovekí grécki vedci hádali o existencii najmenších chemických častíc, ktoré tvoria akýkoľvek predmet a organizmus. A ak v XVII-XVIII storočia. chemici si boli istí, že atóm je nedeliteľná elementárna častica, potom sa na prelome 19.-20. storočia experimentálne podarilo dokázať, že atóm nie je nedeliteľný.
Atóm, ktorý je mikroskopickou časticou hmoty, pozostáva z jadra a elektrónov. Jadro je 10 000-krát menšie ako atóm, no takmer celá jeho hmota je sústredená v jadre. Hlavnou charakteristikou atómového jadra je, že má kladný náboj a skladá sa z protónov a neutrónov. Protóny sú kladne nabité, zatiaľ čo neutróny nemajú náboj (sú neutrálne).
Sú navzájom spojené prostredníctvom silnej jadrovej interakcie. Hmotnosť protónu je približne rovnaká ako hmotnosť neutrónu, ale je 1840-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Protóny a neutróny majú v chémii spoločný názov – nukleóny. Atóm samotný je elektricky neutrálny.
Atóm akéhokoľvek prvku môže byť označený elektronickým vzorcom a elektronickým grafickým vzorcom:
Ryža. 1. Elektronický grafický vzorec atómu.
Jediný chemický prvok z periodickej tabuľky, ktorý vo svojom jadre neobsahuje neutróny, je ľahký vodík (protium).
Elektrón je záporne nabitá častica. Elektrónový obal pozostáva z elektrónov pohybujúcich sa okolo jadra. Elektróny majú tú vlastnosť, že sú priťahované k jadru a medzi sebou sú ovplyvňované Coulombovou interakciou. Na prekonanie príťažlivosti jadra musia elektróny prijímať energiu z vonkajšieho zdroja. Čím ďalej je elektrón od jadra, tým menej energie je potrebné.
Modely atómov
Vedci sa dlho snažili pochopiť podstatu atómu. Staroveký grécky filozof Demokritos k tomu prispel už od začiatku. Hoci sa nám teraz jeho teória zdá banálna a príliš jednoduchá, v čase, keď sa myšlienky o elementárnych časticiach ešte len začínali objavovať, bola jeho teória o kúskoch hmoty braná úplne vážne. Democritus veril, že vlastnosti akejkoľvek látky závisia od tvaru, hmotnosti a iných charakteristík atómov. Takže napríklad oheň, veril, má ostré atómy - to je dôvod, prečo oheň horí; Voda má hladké atómy, takže môže prúdiť; V pevných predmetoch boli podľa jeho názoru atómy drsné.
Demokritos veril, že úplne všetko sa skladá z atómov, dokonca aj ľudská duša.
V roku 1904 J. J. Thomson navrhol svoj model atómu. Hlavné ustanovenia teórie sa scvrkli na skutočnosť, že atóm bol reprezentovaný ako kladne nabité telo, vo vnútri ktorého boli elektróny so záporným nábojom. Túto teóriu neskôr vyvrátil E. Rutherford.
Ryža. 2. Thomsonov model atómu.
Aj v roku 1904 japonský fyzik H. Nagaoka navrhol raný planetárny model atómu analogicky s planétou Saturn. Podľa tejto teórie sú elektróny spojené do prstencov a rotujú okolo kladne nabitého jadra. Táto teória sa ukázala ako nesprávna.
V roku 1911 E. Rutherford po vykonaní série experimentov dospel k záveru, že atóm má podobnú štruktúru ako planetárny systém. Elektróny sa totiž podobne ako planéty pohybujú po dráhach okolo ťažkého, kladne nabitého jadra. Tento opis však odporoval klasickej elektrodynamike. Potom dánsky fyzik Niels Bohr v roku 1913 predstavil postuláty, ktorých podstatou bolo, že elektrón, ktorý je v niektorých špeciálnych stavoch, nevyžaruje energiu. Bohrove postuláty teda ukázali, že klasická mechanika nie je použiteľná na atómy. Planetárny model opísaný Rutherfordom a doplnený Bohrom sa nazýval Bohr-Rutherford planetárny model.
Ryža. 3. Bohr-Rutherfordov planetárny model.
Ďalšie štúdium atómu viedlo k vytvoreniu takej sekcie, ako je kvantová mechanika, pomocou ktorej boli vysvetlené mnohé vedecké fakty. Moderné predstavy o atóme sa vyvinuli z Bohr-Rutherfordovho planetárneho modelu. Vyhodnotenie správy
Priemerné hodnotenie: 4.4. Celkový počet získaných hodnotení: 469.
Dokumentárne vzdelávacie filmy. Séria "Fyzika".
Atóm (z gréc. atomos – nedeliteľný) je jednojadrová, chemicky nedeliteľná častica chemického prvku, nositeľa vlastností látky. Látky sa skladajú z atómov. Samotný atóm pozostáva z kladne nabitého jadra a záporne nabitého elektrónového oblaku. Vo všeobecnosti je atóm elektricky neutrálny. Veľkosť atómu je úplne určená veľkosťou jeho elektrónového oblaku, pretože veľkosť jadra je v porovnaní s veľkosťou elektrónového oblaku zanedbateľná. Jadro pozostáva zo Z kladne nabitých protónov (náboj protónu zodpovedá +1 v ľubovoľných jednotkách) a N neutrónov, ktoré nenesú náboj (protóny a neutróny sa nazývajú nukleóny). Náboj jadra je teda určený iba počtom protónov a rovná sa poradovému číslu prvku v periodickej tabuľke. Kladný náboj jadra je kompenzovaný záporne nabitými elektrónmi (elektrónový náboj -1 v ľubovoľných jednotkách), ktoré tvoria elektrónový oblak. Počet elektrónov sa rovná počtu protónov. Hmotnosti protónov a neutrónov sú rovnaké (1 a 1 amu).
Hmotnosť atómu je určená hmotnosťou jeho jadra, pretože hmotnosť elektrónu je približne 1850-krát menšia ako hmotnosť protónu a neutrónu a pri výpočtoch sa zriedka berie do úvahy. Počet neutrónov môže byť určený rozdielom medzi hmotnosťou atómu a počtom protónov (N=A-Z). Typ atómu chemického prvku s jadrom pozostávajúcim z presne definovaného počtu protónov (Z) a neutrónov (N) sa nazýva nuklid.
Pred štúdiom vlastností elektrónu a pravidiel tvorby elektronických úrovní je potrebné dotknúť sa histórie tvorby predstáv o štruktúre atómu. Nebudeme uvažovať o úplnej histórii formovania atómovej štruktúry, ale zameriame sa iba na najrelevantnejšie a „najsprávnejšie“ myšlienky, ktoré môžu najjasnejšie ukázať, ako sa elektróny nachádzajú v atóme. Prítomnosť atómov ako základných zložiek hmoty bola prvýkrát navrhnutá už starovekými gréckymi filozofmi. Potom história štruktúry atómu prešla zložitou cestou a rôznymi myšlienkami, ako je nedeliteľnosť atómu, Thomsonov model atómu a iné. Najbližší model atómu navrhol Ernest Rutherford v roku 1911. Atóm prirovnal k slnečnej sústave, kde jadro atómu fungovalo ako slnko a elektróny sa okolo neho pohybovali ako planéty. Umiestnenie elektrónov na stacionárne dráhy bolo veľmi dôležitým krokom k pochopeniu štruktúry atómu. Takýto planetárny model štruktúry atómu bol však v rozpore s klasickou mechanikou. Faktom je, že keď sa elektrón pohybuje po svojej dráhe, mal by stratiť potenciálnu energiu a nakoniec „spadnúť“ na jadro a atóm by mal prestať existovať. Tento paradox bol odstránený zavedením postulátov Nielsom Bohrom. Podľa týchto postulátov sa elektrón pohyboval po stacionárnych dráhach okolo jadra a za normálnych podmienok energiu neabsorboval ani nevyžaroval. Postuláty ukazujú, že zákony klasickej mechaniky nie sú vhodné na opis atómu. Tento model atómu sa nazýva Bohr-Rutherfordov model. Pokračovaním planetárnej štruktúry atómu je kvantovomechanický model atómu, podľa ktorého budeme uvažovať o elektróne.
Elektrón je kvázičastica vykazujúca dualitu vlna-častica. Je to častica (telieska) aj vlna. Vlastnosti častice zahŕňajú hmotnosť elektrónu a jeho náboj a vlnové vlastnosti zahŕňajú schopnosť difrakcie a interferencie. Spojenie medzi vlnovými a korpuskulárnymi vlastnosťami elektrónu sa odráža v de Broglieho rovnici.
Atóm je najmenšia častica hmoty pozostávajúca z jadra a elektrónov. Štruktúra elektronických obalov atómov je určená polohou prvku v periodickej tabuľke chemických prvkov od D.I.
Elektrón a elektrónový obal atómu
Atóm, ktorý je vo všeobecnosti neutrálny, pozostáva z kladne nabitého jadra a záporne nabitého elektrónového obalu (elektrónový oblak), pričom celkové kladné a záporné náboje sú v absolútnej hodnote rovnaké. Pri výpočte relatívnej atómovej hmotnosti sa hmotnosť elektrónov neberie do úvahy, pretože je zanedbateľná a 1840-krát menšia ako hmotnosť protónu alebo neutrónu.
Ryža. 1. Atóm.
Elektrón je úplne jedinečná častica, ktorá má dvojakú povahu: má vlastnosti vlny aj častice. Neustále sa pohybujú okolo jadra.
Priestor okolo jadra, kde je najpravdepodobnejšia pravdepodobnosť nájdenia elektrónu, sa nazýva elektrónový orbitál alebo elektrónový oblak. Tento priestor má špecifický tvar, ktorý je označený písmenami s-, p-, d- a f-. S-elektrónový orbitál má sférický tvar, p-orbitál má tvar činky alebo trojrozmernej osmičky, tvary d- a f-orbitálov sú oveľa zložitejšie.
Ryža. 2. Tvary elektrónových orbitálov.
Okolo jadra sú elektróny usporiadané v elektrónových vrstvách. Každá vrstva je charakterizovaná svojou vzdialenosťou od jadra a jej energiou, a preto sa elektronické vrstvy často nazývajú elektrónové energetické úrovne. Čím je hladina bližšie k jadru, tým je energia elektrónov v ňom nižšia. Jeden prvok sa líši od druhého v počte protónov v jadre atómu, a teda v počte elektrónov. V dôsledku toho sa počet elektrónov v elektrónovom obale neutrálneho atómu rovná počtu protónov obsiahnutých v jadre tohto atómu. Každý nasledujúci prvok má vo svojom jadre o jeden protón viac a vo svojom elektrónovom obale o jeden elektrón viac.
Novo vstupujúci elektrón zaberá orbitál s najnižšou energiou. Maximálny počet elektrónov na úroveň je však určený vzorcom:
kde N je maximálny počet elektrónov a n je počet energetickej hladiny.
Prvá úroveň môže mať iba 2 elektróny, druhá môže mať 8 elektrónov, tretia môže mať 18 elektrónov a štvrtá úroveň môže mať 32 elektrónov. Vonkajšia úroveň atómu nemôže obsahovať viac ako 8 elektrónov: akonáhle počet elektrónov dosiahne 8, začne sa napĺňať ďalšia úroveň, ďalej od jadra.
Štruktúra elektronických obalov atómov
Každý prvok stojí v určitom období. Perióda je horizontálny súbor prvkov usporiadaných v poradí zvyšujúceho sa náboja jadier ich atómov, ktorý začína alkalickým kovom a končí inertným plynom. Prvé tri obdobia v tabuľke sú malé a ďalšie, počnúc štvrtou periódou, sú veľké a pozostávajú z dvoch riadkov. Číslo obdobia, v ktorom sa prvok nachádza, má fyzický význam. Znamená to, koľko úrovní elektronickej energie je v atóme ľubovoľného prvku daného obdobia. Prvok chlór Cl je teda v 3. perióde, to znamená, že jeho elektrónový obal má tri elektrónové vrstvy. Chlór je v skupine VII tabuľky a v hlavnej podskupine. Hlavná podskupina je stĺpec v rámci každej skupiny, ktorý začína obdobím 1 alebo 2.
Stav elektrónových obalov atómu chlóru je teda nasledovný: atómové číslo prvku chlór je 17, čo znamená, že atóm má 17 protónov v jadre a 17 elektrónov v elektrónovom obale. Na úrovni 1 môžu byť len 2 elektróny, na úrovni 3 - 7 elektrónov, keďže chlór je v hlavnej podskupine skupiny VII. Potom na úrovni 2 je: 17-2-7 = 8 elektrónov.
Všetko na svete sa skladá z atómov. Ale odkiaľ sa vzali a z čoho sú vyrobené? Dnes odpovieme na tieto jednoduché a základné otázky. Koniec koncov, mnohí ľudia žijúci na planéte hovoria, že nerozumejú štruktúre atómov, z ktorých sa sami skladajú.
Prirodzene, drahý čitateľ chápe, že v tomto článku sa snažíme prezentovať všetko na najjednoduchšej a najzaujímavejšej úrovni, takže ho „nezaťažujeme“ vedeckými výrazmi. Tým, ktorí chcú študovať problematiku na odbornejšej úrovni, odporúčame prečítať si odbornú literatúru. Napriek tomu vám informácie v tomto článku môžu dobre poslúžiť pri štúdiu a jednoducho vás urobia erudovanejším.
Atóm je častica látky mikroskopickej veľkosti a hmotnosti, najmenšia časť chemického prvku, ktorá je nositeľom jej vlastností. Inými slovami, je to najmenšia častica látky, ktorá môže vstúpiť do chemických reakcií.
História a štruktúra objavu
Pojem atóm bol známy už v starovekom Grécku. Atomizmus je fyzikálna teória, ktorá tvrdí, že všetky hmotné objekty sú zložené z nedeliteľných častíc. Spolu so starovekým Gréckom sa myšlienka atomizmu paralelne rozvíjala aj v starovekej Indii.
Nie je známe, či mimozemšťania hovorili vtedajším filozofom o atómoch, alebo na to prišli sami, no túto teóriu mohli chemici experimentálne potvrdiť oveľa neskôr – až v sedemnástom storočí, keď sa Európa vynorila z priepasti inkvizície a stredoveku.
Po dlhú dobu bola dominantnou myšlienkou štruktúry atómu myšlienka, že ide o nedeliteľnú časticu. Skutočnosť, že atóm sa stále dá rozdeliť, sa ukázala až na začiatku dvadsiateho storočia. Rutherford vďaka svojmu slávnemu experimentu s vychyľovaním častíc alfa zistil, že atóm pozostáva z jadra, okolo ktorého sa točia elektróny. Bol prijatý planetárny model atómu, podľa ktorého elektróny obiehajú okolo jadra ako planéty našej slnečnej sústavy okolo hviezdy.
Moderné predstavy o štruktúre atómu pokročili ďaleko. Jadro atómu zase tvoria subatomárne častice, čiže nukleóny – protóny a neutróny. Sú to nukleóny, ktoré tvoria väčšinu atómu. Navyše, protóny a neutróny tiež nie sú nedeliteľné častice a pozostávajú zo základných častíc - kvarkov.
Jadro atómu má kladný elektrický náboj a elektróny rotujúce na obežnej dráhe záporný. Atóm je teda elektricky neutrálny.
Nižšie uvádzame základnú schému štruktúry atómu uhlíka.
Vlastnosti atómov
Hmotnosť
Hmotnosť atómov sa zvyčajne meria v jednotkách atómovej hmotnosti - a.m.u. Atómová hmotnostná jednotka je hmotnosť 1/12 voľne spočívajúceho atómu uhlíka v jeho základnom stave.
V chémii sa tento koncept používa na meranie hmotnosti atómov "moľa". 1 mol je množstvo látky, ktoré obsahuje počet atómov rovný Avogadrovmu číslu.
Veľkosť
Veľkosti atómov sú extrémne malé. Najmenší atóm je teda atóm hélia, jeho polomer je 32 pikometrov. Najväčším atómom je atóm cézia, ktorý má polomer 225 pikometrov. Predpona pico znamená desať až mínus dvanásta mocnina! To znamená, že ak zmenšíme 32 metrov tisícmiliardkrát, dostaneme veľkosť polomeru atómu hélia.
Rozsah vecí je zároveň taký, že atóm je v skutočnosti na 99 % prázdny. Jadro a elektróny zaberajú extrémne malú časť jeho objemu. Pre prehľadnosť zvážte tento príklad. Ak si predstavíte atóm v podobe olympijského štadióna v Pekingu (alebo možno nie v Pekingu, predstavte si len veľký štadión), tak jadro tohto atómu bude čerešničkou umiestnenou v strede poľa. Dráhy elektrónov by boli niekde na úrovni horných tribún a čerešňa by vážila 30 miliónov ton. Pôsobivé, však?
Odkiaľ pochádzajú atómy?
Ako viete, rôzne atómy sú teraz zoskupené v periodickej tabuľke. Obsahuje 118 (a ak s predpovedanými, ale zatiaľ neobjavenými prvkami - 126) prvkov, nepočítajúc izotopy. Ale nebolo to tak vždy.
Na samom začiatku vzniku vesmíru neexistovali žiadne atómy, ba čo viac, existovali iba elementárne častice, ktoré medzi sebou interagovali pod vplyvom obrovských teplôt. Ako by povedal básnik, bola to skutočná apoteóza častíc. V prvých troch minútach existencie vesmíru sa v dôsledku poklesu teploty a zhody mnohých faktorov začal proces primárnej nukleosyntézy, keď sa z elementárnych častíc objavili prvé prvky: vodík, hélium, lítium a deutérium (ťažký vodík). Práve z týchto prvkov vznikli prvé hviezdy, v hĺbkach ktorých prebiehali termonukleárne reakcie, v dôsledku ktorých „horeli“ vodík a hélium, pričom vznikali ťažšie prvky. Ak bola hviezda dostatočne veľká, ukončila svoj život takzvanou „supernovou“ explóziou, v dôsledku ktorej boli atómy vrhnuté do okolitého priestoru. Takto dopadla celá periodická tabuľka.
Môžeme teda povedať, že všetky atómy, z ktorých sa skladáme, boli kedysi súčasťou starých hviezd.
Prečo sa jadro atómu nerozpadne?
Vo fyzike existujú štyri typy základných interakcií medzi časticami a telami, ktoré tvoria. Ide o silné, slabé, elektromagnetické a gravitačné interakcie.
Práve vďaka silnej interakcii, ktorá sa prejavuje na škále atómových jadier a je zodpovedná za príťažlivosť medzi nukleónmi, je atóm takým „tvrdým orieškom“.
Nie je to tak dávno, čo si ľudia uvedomili, že keď sa jadrá atómov rozdelia, uvoľní sa obrovská energia. Štiepenie ťažkých atómových jadier je zdrojom energie v jadrových reaktoroch a jadrových zbraniach.
Takže, priatelia, keď sme vám predstavili štruktúru a základy štruktúry atómu, môžeme vám len pripomenúť, že sme pripravení vám kedykoľvek pomôcť. Nezáleží na tom, či potrebujete dokončiť diplom z jadrovej fyziky alebo najmenší test - situácie sú rôzne, ale z každej situácie existuje východisko. Premýšľajte o rozsahu vesmíru, objednajte si prácu od Zaochnika a pamätajte - nie je dôvod na obavy.
