Η δομή των ατόμων - στοιχειώδη σωματίδια ύλης, ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια
Όλα τα φυσικά σώματα στη φύση αποτελούνται από έναν τύπο ύλης που ονομάζεται ύλη. Οι ουσίες χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες — απλές και σύνθετες ουσίες.
Πολύπλοκες ουσίες είναι εκείνες οι ουσίες που, μέσω χημικών αντιδράσεων, μπορούν να αποσυντεθούν σε άλλες, απλούστερες ουσίες. Σε αντίθεση με τις σύνθετες ουσίες, οι απλές ουσίες είναι εκείνες που δεν μπορούν να διασπαστούν χημικά σε ακόμη απλούστερες ουσίες.
Ένα παράδειγμα σύνθετης ουσίας είναι το νερό, το οποίο μέσω μιας χημικής αντίδρασης μπορεί να αποσυντεθεί σε δύο άλλες, απλούστερες ουσίες - το υδρογόνο και το οξυγόνο. Όσον αφορά τα δύο τελευταία, δεν μπορούν πλέον να αποσυντεθούν χημικά σε απλούστερες ουσίες και επομένως είναι απλές ουσίες ή, με άλλα λόγια, χημικά στοιχεία.
Στο πρώτο μισό του 19ου αιώνα, υπήρχε η υπόθεση στην επιστήμη ότι τα χημικά στοιχεία ήταν αμετάβλητες ουσίες που δεν είχαν κοινή σχέση μεταξύ τους. Ωστόσο, ο Ρώσος επιστήμονας D. I. Mendeleev (1834 — 1907) για πρώτη φορά το 1869αποκαλύπτει τη σχέση των χημικών στοιχείων, δείχνοντας ότι το ποιοτικό χαρακτηριστικό καθενός από αυτά εξαρτάται από το ποσοτικό του χαρακτηριστικό - ατομικό βάρος.
Μελετώντας τις ιδιότητες των χημικών στοιχείων, ο D. I. Mendeleev παρατήρησε ότι οι ιδιότητές τους επαναλαμβάνονταν περιοδικά ανάλογα με το ατομικό τους βάρος. Έδειξε αυτή την περιοδικότητα με τη μορφή πίνακα, ο οποίος εισήλθε στην επιστήμη με το όνομα «Περιοδικός Πίνακας Στοιχείων του Μεντελέεφ».
Παρακάτω είναι ο σύγχρονος περιοδικός πίνακας χημικών στοιχείων του Mendeleev.
Άτομα
Σύμφωνα με τις σύγχρονες επιστημονικές αντιλήψεις, κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από μια συλλογή από τα μικρότερα υλικά (υλικά) σωματίδια που ονομάζονται άτομα.
Ένα άτομο είναι το μικρότερο κλάσμα ενός χημικού στοιχείου που δεν μπορεί πλέον να αποσυντεθεί χημικά σε άλλα, μικρότερα και απλούστερα σωματίδια υλικού.
Τα άτομα χημικών στοιχείων διαφορετικής φύσης διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, τη δομή, το μέγεθος, τη μάζα, το ατομικό βάρος, την ίδια τους την ενέργεια και ορισμένες άλλες ιδιότητες. Για παράδειγμα, το άτομο υδρογόνου διαφέρει απότομα στις ιδιότητες και τη δομή του από το άτομο οξυγόνου και το τελευταίο από το άτομο ουρανίου κ.ο.κ.
Τα άτομα χημικών στοιχείων βρέθηκαν να είναι εξαιρετικά μικρά σε μέγεθος. Εάν υποθέσουμε υπό όρους ότι τα άτομα έχουν σφαιρικό σχήμα, τότε οι διάμετροί τους πρέπει να είναι ίσες με τα εκατό εκατομμυριοστά του εκατοστού. Για παράδειγμα, η διάμετρος ενός ατόμου υδρογόνου - του μικρότερου ατόμου στη φύση - είναι εκατο εκατομμυριοστό του εκατοστού (10-8 cm), και η διάμετρος των μεγαλύτερων ατόμων, για παράδειγμα, του ατόμου ουρανίου, δεν υπερβαίνει τα τριακόσια εκατομμυριοστά του εκατοστού (3 10-8 cm).Επομένως, το άτομο υδρογόνου είναι τόσες φορές μικρότερο από τη σφαίρα ακτίνας ενός εκατοστού, όση η τελευταία είναι μικρότερη από τη σφαίρα.
Λόγω του πολύ μικρού μεγέθους των ατόμων, η μάζα τους είναι επίσης πολύ μικρή. Για παράδειγμα, η μάζα ενός ατόμου υδρογόνου είναι m = 1,67· 10-24 Αυτό σημαίνει ότι ένα γραμμάριο υδρογόνου περιέχει περίπου 6·1023 άτομα.
Για τη συμβατική μονάδα μέτρησης των ατομικών βαρών των χημικών στοιχείων λαμβάνεται το 1/16 του βάρους ενός ατόμου οξυγόνου. Σύμφωνα με αυτό το ατομικό βάρος ενός χημικού στοιχείου, καλείται ένας αφηρημένος αριθμός, ο οποίος υποδεικνύει πόσες φορές το βάρος ενός δεδομένου χημικού στοιχείου είναι περισσότερο από το 1/16 του βάρους ενός ατόμου οξυγόνου.
Στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων του D. I. Mendeleev δίνονται τα ατομικά βάρη όλων των χημικών στοιχείων (δείτε τον αριθμό κάτω από το όνομα του στοιχείου). Από αυτόν τον πίνακα βλέπουμε ότι το ελαφρύτερο άτομο είναι το άτομο του υδρογόνου, το οποίο έχει ατομικό βάρος 1,008. Το ατομικό βάρος του άνθρακα είναι 12, το οξυγόνο είναι 16, και ούτω καθεξής.
Όσον αφορά τα βαρύτερα χημικά στοιχεία, το ατομικό τους βάρος υπερβαίνει το ατομικό βάρος του υδρογόνου κατά περισσότερο από διακόσιες φορές. Άρα η ατομική τιμή του υδραργύρου είναι 200,6, του ραδίου είναι 226 κ.ο.κ. Όσο μεγαλύτερη είναι η αριθμητική σειρά που καταλαμβάνει ένα χημικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, τόσο μεγαλύτερο είναι το ατομικό βάρος.
Τα περισσότερα από τα ατομικά βάρη των χημικών στοιχείων εκφράζονται ως κλασματικοί αριθμοί. Αυτό εξηγείται σε κάποιο βαθμό από το γεγονός ότι τέτοια χημικά στοιχεία αποτελούνται από ένα σύνολο πόσων τύπων ατόμων με διαφορετικά ατομικά βάρη αλλά με τις ίδιες χημικές ιδιότητες.
Τα χημικά στοιχεία που καταλαμβάνουν τον ίδιο αριθμό στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων και επομένως έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες αλλά με διαφορετικά ατομικά βάρη ονομάζονται ισότοπα.
Ισότοπα βρίσκονται στα περισσότερα χημικά στοιχεία, υπάρχουν δύο ισότοπα, ασβέστιο - τέσσερα, ψευδάργυρος - πέντε, κασσίτερος - έντεκα κ.λπ. Πολλά ισότοπα λαμβάνονται μέσω της τέχνης, μερικά από αυτά έχουν μεγάλη πρακτική σημασία.
Στοιχειώδη σωματίδια της ύλης
Για πολύ καιρό, πιστευόταν ότι τα άτομα των χημικών στοιχείων είναι το όριο της διαιρετότητας της ύλης, δηλαδή, όπως λέγαμε, τα στοιχειώδη «δομικά στοιχεία» του σύμπαντος. Η σύγχρονη επιστήμη απορρίπτει αυτή την υπόθεση αποδεικνύοντας ότι το άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι ένα άθροισμα ακόμη μικρότερων υλικών σωματιδίων από το ίδιο το άτομο.
Σύμφωνα με τη θεωρία των ηλεκτρονίων για τη δομή της ύλης, το άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι ένα σύστημα που αποτελείται από έναν κεντρικό πυρήνα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται «στοιχειώδη» σωματίδια του υλικού που ονομάζονται ηλεκτρόνια. Οι πυρήνες των ατόμων, σύμφωνα με τις γενικά αποδεκτές απόψεις, αποτελούνται από ένα σύνολο «στοιχειωδών» υλικών σωματιδίων — πρωτόνια και νετρόνια.
Για να κατανοήσετε τη δομή των ατόμων και τις φυσικοχημικές διεργασίες σε αυτά, είναι απαραίτητο να εξοικειωθείτε τουλάχιστον εν συντομία με τα βασικά χαρακτηριστικά των στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν τα άτομα.
Καθορίζεται ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα αληθινό σωματίδιο με το μικρότερο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο που παρατηρείται στη φύση.
Εάν υποθέσουμε υπό όρους ότι το ηλεκτρόνιο ως σωματίδιο έχει σφαιρικό σχήμα, τότε η διάμετρος του ηλεκτρονίου θα πρέπει να είναι ίση με 4 ·10-13 cm, δηλαδή είναι δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερη από τη διάμετρο κάθε ατόμου.
Ένα ηλεκτρόνιο, όπως κάθε άλλο υλικό σωματίδιο, έχει μάζα. Η «μάζα ηρεμίας» του ηλεκτρονίου, δηλαδή η μάζα που έχει σε κατάσταση σχετικής ηρεμίας, είναι ίση με mo = 9,1 · 10-28 G.
Η εξαιρετικά μικρή «μάζα ηρεμίας» του ηλεκτρονίου δείχνει ότι οι αδρανειακές ιδιότητες του ηλεκτρονίου είναι εξαιρετικά αδύναμες, πράγμα που σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο, υπό την επίδραση μιας εναλλασσόμενης ηλεκτρικής δύναμης, μπορεί να ταλαντωθεί στο διάστημα με συχνότητα πολλών δισεκατομμυρίων περιόδων ανά δεύτερος.
Η μάζα του ηλεκτρονίου είναι τόσο μικρή που χρειάζονται 1027 μονάδες για να παραχθεί ένα γραμμάριο ηλεκτρονίων. Για να έχουμε τουλάχιστον κάποια φυσική ιδέα αυτού του κολοσσιαίου μεγάλου αριθμού, θα δώσουμε ένα παράδειγμα. Εάν ένα γραμμάριο ηλεκτρονίων μπορούσε να διαταχθεί σε ευθεία γραμμή το ένα κοντά στο άλλο, τότε θα σχημάτιζαν μια αλυσίδα μήκους τεσσάρων δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων.
Η μάζα του ηλεκτρονίου, όπως κάθε άλλο μικροσωματίδιο υλικού, εξαρτάται από την ταχύτητα της κίνησής του. Ένα ηλεκτρόνιο σε κατάσταση σχετικής ηρεμίας έχει μια «μάζα ηρεμίας» μηχανικής φύσης, παρόμοια με τη μάζα οποιουδήποτε φυσικού σώματος. Όσο για τη «μάζα κίνησης» του ηλεκτρονίου, η οποία αυξάνεται όσο αυξάνεται η ταχύτητα της κίνησής του, είναι ηλεκτρομαγνητικής προέλευσης. Αυτό οφείλεται στην παρουσία ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο ως είδος ύλης με μάζα και ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.
Όσο πιο γρήγορα κινείται το ηλεκτρόνιο, τόσο περισσότερο εκδηλώνονται οι αδρανειακές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητικού του πεδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του τελευταίου και, κατά συνέπεια, η ηλεκτρομαγνητική του ενέργεια. είναι φυσικό η μάζα της ορμής του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του ηλεκτρονίου να αποδίδεται απευθείας στο ίδιο το ηλεκτρόνιο.
Το ηλεκτρόνιο, εκτός από τις ιδιότητες ενός σωματιδίου, έχει και κυματικές ιδιότητες.Διαπιστώθηκε πειραματικά ότι η ροή των ηλεκτρονίων, όπως μια ροή φωτός, διαδίδεται με τη μορφή μιας κυματικής κίνησης. Η φύση της κυματικής κίνησης της ροής ηλεκτρονίων στο χώρο επιβεβαιώνεται από τα φαινόμενα παρεμβολής και περίθλασης ηλεκτρονιακών κυμάτων.
Ηλεκτρονική παρεμβολή Είναι το φαινόμενο της υπέρθεσης των ηλεκτρονίων μεταξύ τους και της περίθλασης ηλεκτρονίων — αυτό είναι το φαινόμενο των ηλεκτρονικών κυμάτων που κάμπτονται στα άκρα μιας στενής σχισμής από την οποία διέρχεται η δέσμη ηλεκτρονίων. Επομένως, το ηλεκτρόνιο δεν είναι απλώς ένα σωματίδιο, αλλά ένα «κύμα σωματιδίων», το μήκος του οποίου εξαρτάται από τη μάζα και την ταχύτητα του ηλεκτρονίου.
Διαπιστώθηκε ότι το ηλεκτρόνιο, εκτός από τη μεταφορική του κίνηση, εκτελεί και μια περιστροφική κίνηση γύρω από τον άξονά του. Αυτός ο τύπος κίνησης ηλεκτρονίων ονομάζεται "spin" (από την αγγλική λέξη "spin" - spindle). Ως αποτέλεσμα αυτής της κίνησης, το ηλεκτρόνιο, εκτός από τις ηλεκτρικές ιδιότητες λόγω του ηλεκτρικού φορτίου, αποκτά και μαγνητικές ιδιότητες, μοιάζοντας από αυτή την άποψη στοιχειώδους μαγνήτη.
Ένα πρωτόνιο είναι ένα πραγματικό σωματίδιο με θετικό ηλεκτρικό φορτίο ίσο σε απόλυτη τιμή με το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου.
Η μάζα του πρωτονίου είναι 1,67 · 10-24 r, δηλαδή περίπου 1840 φορές μεγαλύτερη από την «υπόλοιπη μάζα» του ηλεκτρονίου.
Σε αντίθεση με ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, είναι δηλαδή ένα ηλεκτρικά ουδέτερο «στοιχειώδες» σωματίδιο της ύλης. Η μάζα του νετρονίου είναι πρακτικά ίση με τη μάζα του πρωτονίου.
Τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τα άτομα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έλκονται μεταξύ τους ως σωματίδια με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία.Ταυτόχρονα, το ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο από το πρωτόνιο απωθούνται ως σωματίδια με τα ίδια ηλεκτρικά φορτία.
Όλα αυτά τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω των ηλεκτρικών τους πεδίων. Αυτά τα πεδία είναι ένα ειδικό είδος ύλης που αποτελείται από μια συλλογή στοιχειωδών σωματιδίων υλικού που ονομάζονται φωτόνια. Κάθε φωτόνιο έχει ένα αυστηρά καθορισμένο ποσό ενέργειας (ενεργειακό κβάντο) που είναι εγγενές σε αυτό.
Η αλληλεπίδραση σωματιδίων υλικών ηλεκτρικά φορτισμένων υλικών λαμβάνει χώρα μέσω της ανταλλαγής φωτονίων μεταξύ τους. Η δύναμη αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων συνήθως ονομάζεται ηλεκτρική δύναμη.
Τα νετρόνια και τα πρωτόνια στους πυρήνες των ατόμων αλληλεπιδρούν επίσης μεταξύ τους. Ωστόσο, αυτή η μεταξύ τους αλληλεπίδραση δεν λαμβάνει χώρα πλέον μέσω ηλεκτρικού πεδίου, αφού το νετρόνιο είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο της ύλης, αλλά μέσω του λεγόμενου πυρηνικό πεδίο.
Αυτό το πεδίο είναι επίσης ένα ειδικό είδος ύλης που αποτελείται από μια συλλογή στοιχειωδών υλικών σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια... Η αλληλεπίδραση νετρονίων και πρωτονίων λαμβάνει χώρα μέσω της ανταλλαγής μεσονίων μεταξύ τους. Η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ νετρονίων και πρωτονίων ονομάζεται πυρηνική δύναμη.
Έχει διαπιστωθεί ότι οι πυρηνικές δυνάμεις δρουν στους πυρήνες των ατόμων σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις - περίπου 10-13 cm.
Οι πυρηνικές δυνάμεις υπερβαίνουν κατά πολύ τις ηλεκτρικές δυνάμεις της αμοιβαίας απώθησης των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι είναι σε θέση όχι μόνο να ξεπεράσουν τις δυνάμεις αμοιβαίας απώθησης των πρωτονίων μέσα στους πυρήνες των ατόμων, αλλά και να δημιουργήσουν πολύ ισχυρά συστήματα πυρήνων από τη συλλογή πρωτονίων και νετρονίων.
Η σταθερότητα του πυρήνα οποιουδήποτε ατόμου εξαρτάται από την αναλογία δύο αντικρουόμενων δυνάμεων - πυρηνικής (αμοιβαία έλξη πρωτονίων και νετρονίων) και ηλεκτρική (αμοιβαία απώθηση πρωτονίων).
Ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις που δρουν στους πυρήνες των ατόμων συμβάλλουν στη μετατροπή των νετρονίων και των πρωτονίων μεταξύ τους. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις νετρονίων και πρωτονίων λαμβάνουν χώρα ως αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ή της απορρόφησης ελαφρύτερων στοιχειωδών σωματιδίων, για παράδειγμα μεσονίων.
Τα σωματίδια που εξετάζουμε ονομάζονται στοιχειώδη επειδή δεν αποτελούνται από ένα άθροισμα άλλων, απλούστερων σωματιδίων ύλης. Αλλά ταυτόχρονα, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι είναι σε θέση να μεταμορφωθούν ο ένας στον άλλο, να προκύψουν σε βάρος του άλλου. Έτσι, αυτά τα σωματίδια είναι κάποιοι πολύπλοκοι σχηματισμοί, δηλαδή η στοιχειώδης φύση τους είναι υπό όρους.
Χημική δομή των ατόμων
Το απλούστερο άτομο στη δομή του είναι το άτομο υδρογόνου. Αποτελείται από μια συλλογή μόνο δύο στοιχειωδών σωματιδίων - ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου. Το πρωτόνιο στο σύστημα ατόμου υδρογόνου παίζει το ρόλο ενός κεντρικού πυρήνα γύρω από τον οποίο ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται σε μια συγκεκριμένη τροχιά. Στο σχ. 1 δείχνει σχηματικά ένα μοντέλο του ατόμου υδρογόνου.
Ρύζι. 1. Διάγραμμα της δομής του ατόμου του υδρογόνου
Αυτό το μοντέλο είναι μόνο μια κατά προσέγγιση προσέγγιση της πραγματικότητας. Το γεγονός είναι ότι το ηλεκτρόνιο ως «κύμα σωματιδίων» δεν έχει όγκο οριοθετημένο έντονα από το εξωτερικό περιβάλλον. Και αυτό σημαίνει ότι δεν πρέπει να μιλάμε για κάποια ακριβή γραμμική τροχιά του ηλεκτρονίου, αλλά για ένα είδος ηλεκτρονιακού νέφους. Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει τις περισσότερες φορές κάποια μεσαία γραμμή του νέφους, η οποία είναι μία από τις πιθανές τροχιές του στο άτομο.
Θα πρέπει να ειπωθεί ότι η τροχιά του ίδιου του ηλεκτρονίου δεν είναι αυστηρά αμετάβλητη και ακίνητη στο άτομο - επίσης, λόγω της αλλαγής της μάζας του ηλεκτρονίου, κάνει μια ορισμένη περιστροφική κίνηση. Επομένως, η κίνηση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο είναι σχετικά περίπλοκη. Δεδομένου ότι ο πυρήνας του ατόμου του υδρογόνου (πρωτόνιο) και το ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία, ελκύουν το ένα το άλλο.
Ταυτόχρονα, η ελεύθερη ενέργεια του ηλεκτρονίου, που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, αναπτύσσει μια φυγόκεντρη δύναμη που τείνει να το απομακρύνει από τον πυρήνα. Επομένως, η ηλεκτρική δύναμη αμοιβαίας έλξης μεταξύ του πυρήνα του ατόμου και του ηλεκτρονίου και η φυγόκεντρος δύναμη που ασκεί το ηλεκτρόνιο είναι αντίθετες δυνάμεις.
Σε κατάσταση ισορροπίας, το ηλεκτρόνιό τους καταλαμβάνει μια σχετικά σταθερή θέση σε κάποια τροχιά του ατόμου. Δεδομένου ότι η μάζα του ηλεκτρονίου είναι πολύ μικρή, τότε για να εξισορροπηθεί η δύναμη έλξης προς τον πυρήνα του ατόμου, πρέπει να περιστρέφεται με τεράστια ταχύτητα ίση με περίπου 6·1015 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο στο σύστημα ενός ατόμου υδρογόνου, όπως και κάθε άλλο άτομο, κινείται κατά μήκος της τροχιάς του με γραμμική ταχύτητα που υπερβαίνει τα χίλια χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Υπό κανονικές συνθήκες, ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται σε ένα άτομο του είδους στην τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα. Ταυτόχρονα έχει την ελάχιστη δυνατή ποσότητα ενέργειας. Εάν για τον ένα ή τον άλλο λόγο, για παράδειγμα, υπό την επίδραση άλλων υλικών σωματιδίων που έχουν εισβάλει στο ατομικό σύστημα, το ηλεκτρόνιο μετακινηθεί σε τροχιά που είναι πιο μακριά από το άτομο, τότε θα έχει ήδη μια ελαφρώς μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας.
Ωστόσο, το ηλεκτρόνιο παραμένει σε αυτή τη νέα τροχιά για ένα ασήμαντο χρονικό διάστημα, μετά από το οποίο περιστρέφεται πίσω στην τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα του ατόμου.Κατά τη διάρκεια αυτής της πορείας εγκαταλείπει την περίσσεια ενέργειά του με τη μορφή ενός κβάντου μαγνητικής ακτινοβολίας—ακτινοβολούμενης ενέργειας (Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται από μια μακρινή τροχιά σε μια πιο κοντά στον πυρήνα ενός ατόμου, εκπέμπει ένα κβάντο ακτινοβολούμενης ενέργειας
Όσο περισσότερη ενέργεια λαμβάνει το ηλεκτρόνιο από το εξωτερικό, τόσο περισσότερο κινείται στην τροχιά που είναι πιο μακριά από τον πυρήνα του ατόμου και τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που εκπέμπει όταν περιστρέφεται στην τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα.
Με τη μέτρηση της ποσότητας ενέργειας που εκπέμπεται από το ηλεκτρόνιο κατά τη μετάβαση από διαφορετικές τροχιές σε αυτήν που βρίσκεται πλησιέστερα στον πυρήνα του ατόμου, ήταν δυνατό να διαπιστωθεί ότι ένα ηλεκτρόνιο στο σύστημα ενός ατόμου υδρογόνου, όπως και στο σύστημα οποιουδήποτε άλλου άτομο, δεν μπορεί να πάει σε μια τυχαία τροχιά, σε μια αυστηρά καθορισμένη σύμφωνα με αυτή την ενέργεια που λαμβάνει υπό την επίδραση μιας εξωτερικής δύναμης. Οι τροχιές που μπορεί να καταλάβει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο ονομάζονται επιτρεπόμενα τροχιακά.
Εφόσον το θετικό φορτίο του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου (το φορτίο του πρωτονίου) και το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου είναι αριθμητικά ίσα, το συνολικό τους φορτίο είναι μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι το άτομο υδρογόνου στην κανονική του κατάσταση είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο.
Αυτό ισχύει για τα άτομα όλων των χημικών στοιχείων: το άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου στην κανονική του κατάσταση είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο λόγω της αριθμητικής ισότητας θετικών και αρνητικών φορτίων.
Δεδομένου ότι ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου περιέχει μόνο ένα «στοιχειώδες» σωματίδιο — ένα πρωτόνιο, ο λεγόμενος μαζικός αριθμός αυτού του πυρήνα είναι ίσος με ένα. Ο μαζικός αριθμός του πυρήνα ενός ατόμου οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων που συνθέτουν αυτόν τον πυρήνα.
Το φυσικό υδρογόνο αποτελείται κυρίως από μια συλλογή ατόμων με μαζικό αριθμό ίσο με ένα. Ωστόσο, περιέχει επίσης έναν άλλο τύπο ατόμων υδρογόνου, με αριθμό μάζας ίσο με δύο. Οι πυρήνες αυτών των βαρέων ατόμων υδρογόνου, που ονομάζονται δευτερόνια, αποτελούνται από δύο σωματίδια, ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Αυτό το ισότοπο του υδρογόνου ονομάζεται δευτέριο.
Το φυσικό υδρογόνο περιέχει πολύ μικρές ποσότητες δευτερίου. Για κάθε έξι χιλιάδες ελαφρά άτομα υδρογόνου (αριθμός μάζας ίσος με ένα), υπάρχει μόνο ένα άτομο δευτερίου (βαρύ υδρογόνο). Υπάρχει ένα άλλο ισότοπο υδρογόνου, το υπερβαρύ υδρογόνο που ονομάζεται τρίτιο. Στον πυρήνα ενός ατόμου αυτού του ισοτόπου υδρογόνου, υπάρχουν τρία σωματίδια: ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια, συνδεδεμένα μεταξύ τους με πυρηνικές δυνάμεις. Ο μαζικός αριθμός του πυρήνα ενός ατόμου τριτίου είναι τρεις, δηλαδή το άτομο τριτίου είναι τρεις φορές βαρύτερο από το ελαφρύ άτομο υδρογόνου.
Αν και τα άτομα των ισοτόπων υδρογόνου έχουν διαφορετικές μάζες, εξακολουθούν να έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες, για παράδειγμα, το ελαφρύ υδρογόνο, μπαίνοντας σε μια χημική αντίδραση με το οξυγόνο, σχηματίζει μια σύνθετη ουσία με αυτό - νερό. Ομοίως, το ισότοπο του υδρογόνου, το δευτέριο, ενώνεται με το οξυγόνο για να σχηματίσει νερό, το οποίο, σε αντίθεση με το συνηθισμένο νερό, ονομάζεται βαρύ νερό. Το βαρύ νερό χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή πυρηνικής (ατομικής) ενέργειας.
Επομένως, οι χημικές ιδιότητες των ατόμων δεν εξαρτώνται από τη μάζα των πυρήνων τους, αλλά μόνο από τη δομή του ηλεκτρονιακού κελύφους του ατόμου. Επειδή τα άτομα ελαφρού υδρογόνου, δευτερίου και τριτίου έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων (ένα για κάθε άτομο), αυτά τα ισότοπα έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες.
Δεν είναι τυχαίο ότι το χημικό στοιχείο υδρογόνο κατέχει τον πρώτο αριθμό στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.Το γεγονός είναι ότι υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ του αριθμού κάθε στοιχείου στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων και του μεγέθους του φορτίου στον πυρήνα ενός ατόμου αυτού του στοιχείου. Μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: ο αύξων αριθμός κάθε χημικού στοιχείου στον περιοδικό πίνακα στοιχείων είναι αριθμητικά ίσος με το θετικό φορτίο του πυρήνα αυτού του στοιχείου, και επομένως με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω του.
Εφόσον το υδρογόνο καταλαμβάνει τον πρώτο αριθμό στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, αυτό σημαίνει ότι το θετικό φορτίο του πυρήνα του ατόμου του είναι ίσο με ένα και ότι ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα.
Το χημικό στοιχείο ήλιο είναι δεύτερο στον περιοδικό πίνακα στοιχείων. Αυτό σημαίνει ότι έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα ίσο με δύο μονάδες, δηλαδή, ο πυρήνας του πρέπει να περιέχει δύο πρωτόνια και στο κέλυφος ηλεκτρονίων του ατόμου - δύο ηλεκτρόδια.
Το φυσικό ήλιο αποτελείται από δύο ισότοπα - βαρύ και ελαφρύ ήλιο. Ο μαζικός αριθμός του βαρέως ηλίου είναι τέσσερα. Αυτό σημαίνει ότι εκτός από τα δύο πρωτόνια που αναφέρθηκαν παραπάνω, δύο ακόμη νετρόνια πρέπει να εισέλθουν στον πυρήνα του βαρέως ατόμου ηλίου. Όσον αφορά το ελαφρύ ήλιο, ο αριθμός μάζας του είναι τρεις, δηλαδή, εκτός από δύο πρωτόνια, ένα ακόμη νετρόνιο θα πρέπει να εισέλθει στη σύνθεση του πυρήνα του.
Έχει βρεθεί ότι στο φυσικό ήλιο ο αριθμός των ελαφρών ατόμων ηλίου είναι περίπου το ένα εκατομμυριοστό των βαρέων ατόμων γονιδίου. Στο σχ. Το σχήμα 3 δείχνει ένα σχηματικό μοντέλο του ατόμου ηλίου.
Ρύζι. 3. Διάγραμμα της δομής του ατόμου ηλίου
Η περαιτέρω επιπλοκή της δομής των ατόμων των χημικών στοιχείων οφείλεται στην αύξηση του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων στους πυρήνες αυτών των ατόμων και ταυτόχρονα στην αύξηση του αριθμού των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες (Εικ. 4). Χρησιμοποιώντας τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, είναι εύκολο να προσδιοριστεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων που αποτελούν διαφορετικά άτομα.
Ρύζι. 4. Σχέδια κατασκευής ατομικών πυρήνων: 1 — ήλιο, 2 — άνθρακας, 3 — οξυγόνο
Ο κανονικός αριθμός ενός χημικού στοιχείου είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα του ατόμου και ταυτόχρονα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Όσον αφορά το ατομικό βάρος, είναι περίπου ίσο με τον μαζικό αριθμό του ατόμου, δηλαδή τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων που λαμβάνονται μαζί στον πυρήνα. Επομένως, αφαιρώντας από το ατομικό βάρος ενός στοιχείου έναν αριθμό ίσο με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου, είναι δυνατό να προσδιοριστεί πόσα νετρόνια περιέχονται σε έναν δεδομένο πυρήνα.
Έχει διαπιστωθεί ότι οι πυρήνες των ελαφρών χημικών στοιχείων, που έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων στη σύνθεσή τους, διακρίνονται από πολύ υψηλή αντοχή, καθώς οι πυρηνικές δυνάμεις σε αυτούς είναι σχετικά μεγάλες. Για παράδειγμα, ο πυρήνας ενός βαρέος ατόμου ηλίου είναι εξαιρετικά ανθεκτικός επειδή αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια που συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις.
Οι πυρήνες των ατόμων των βαρύτερων χημικών στοιχείων περιέχουν ήδη στη σύνθεσή τους άνισο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, γι' αυτό και ο δεσμός τους στον πυρήνα είναι ασθενέστερος από ό,τι στους πυρήνες των ελαφρών χημικών στοιχείων. Οι πυρήνες αυτών των στοιχείων μπορούν να χωριστούν σχετικά εύκολα όταν βομβαρδιστούν με ατομικά «βλήματα» (νετρόνια, πυρήνες ηλίου κ.λπ.).
Όσον αφορά τα βαρύτερα χημικά στοιχεία, ιδιαίτερα τα ραδιενεργά, οι πυρήνες τους χαρακτηρίζονται από τόσο χαμηλή αντοχή που διασπώνται αυθόρμητα στα συστατικά τους μέρη. Για παράδειγμα, άτομα του ραδιενεργού στοιχείου ραδίου, που αποτελούνται από έναν συνδυασμό 88 πρωτονίων και 138 νετρονίων, διασπώνται αυθόρμητα και γίνονται άτομα του ραδιενεργού στοιχείου ραδονίου. Τα άτομα των τελευταίων, με τη σειρά τους, διασπώνται στα συστατικά τους μέρη, περνώντας στα άτομα άλλων στοιχείων.
Έχοντας εξοικειωθεί εν συντομία με τα συστατικά μέρη των πυρήνων των ατόμων των χημικών στοιχείων, ας εξετάσουμε τη δομή των κελυφών ηλεκτρονίων των ατόμων. Όπως γνωρίζετε, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων μόνο σε αυστηρά καθορισμένες τροχιές. Επιπλέον, είναι τόσο συγκεντρωμένα στο κέλυφος ηλεκτρονίων κάθε ατόμου που μπορούν να διακριθούν μεμονωμένα κελύφη ηλεκτρονίων.
Κάθε φλοιό μπορεί να περιέχει έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων, τα οποία δεν υπερβαίνουν έναν αυστηρά συγκεκριμένο αριθμό. Έτσι, για παράδειγμα, στο πρώτο κέλυφος ηλεκτρονίων που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα ενός ατόμου μπορεί να υπάρχουν το πολύ δύο ηλεκτρόνια, στο δεύτερο - όχι περισσότερα από οκτώ ηλεκτρόνια κ.λπ.
Εκείνα τα άτομα στα οποία τα εξωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων είναι πλήρως γεμάτα έχουν το πιο σταθερό κέλυφος ηλεκτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι ένα άτομο κρατά σταθερά όλα τα ηλεκτρόνια του και δεν χρειάζεται να λάβει επιπλέον ποσότητα από αυτά από το εξωτερικό. Για παράδειγμα, ένα άτομο ηλίου έχει δύο ηλεκτρόνια που γεμίζουν πλήρως το πρώτο κέλυφος ηλεκτρονίων και ένα άτομο νέον έχει δέκα ηλεκτρόνια, από τα οποία τα δύο πρώτα γεμίζουν πλήρως το πρώτο φλοιό ηλεκτρονίων και τα υπόλοιπα - το δεύτερο (Εικ. 5).
Ρύζι. 5. Διάγραμμα της δομής του ατόμου νέον
Επομένως, τα άτομα ηλίου και νέον έχουν αρκετά σταθερά κελύφη ηλεκτρονίων, δεν τείνουν να τα αλλάζουν με κανέναν ποσοτικό τρόπο. Τέτοια στοιχεία είναι χημικά αδρανή, δηλαδή δεν εισέρχονται σε χημική αλληλεπίδραση με άλλα στοιχεία.
Ωστόσο, τα περισσότερα χημικά στοιχεία έχουν άτομα όπου τα εξωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων δεν είναι πλήρως γεμάτα με ηλεκτρόνια. Για παράδειγμα, ένα άτομο καλίου έχει δεκαεννέα ηλεκτρόνια, τα δεκαοκτώ από τα οποία γεμίζουν πλήρως τα τρία πρώτα κελύφη και το δέκατο ένατο ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο επόμενο, μη γεμισμένο φλοιό ηλεκτρονίων. Η αδύναμη πλήρωση του τέταρτου κελύφους ηλεκτρονίων με ηλεκτρόνια οδηγεί στο γεγονός ότι ο πυρήνας του ατόμου συγκρατεί πολύ ασθενώς το πιο εξωτερικό - το δέκατο ένατο ηλεκτρόνιο, και επομένως το τελευταίο μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί από το άτομο. …
Ή, για παράδειγμα, το άτομο οξυγόνου έχει οκτώ ηλεκτρόνια, δύο από τα οποία γεμίζουν πλήρως το πρώτο κέλυφος και τα υπόλοιπα έξι βρίσκονται στο δεύτερο κέλυφος. Έτσι, για την πλήρη ολοκλήρωση της κατασκευής του δεύτερου κελύφους ηλεκτρονίων στο άτομο οξυγόνου, του λείπουν μόνο δύο ηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, το άτομο οξυγόνου όχι μόνο κρατά σταθερά τα έξι ηλεκτρόνια του στο δεύτερο κέλυφος, αλλά έχει επίσης την ικανότητα να προσελκύει δύο ηλεκτρόνια που λείπουν προς τον εαυτό του για να γεμίσει το δεύτερο κέλυφος ηλεκτρονίων του. Αυτό το επιτυγχάνει με χημικό συνδυασμό με τα άτομα τέτοιων στοιχείων στα οποία τα εξωτερικά ηλεκτρόνια συνδέονται ασθενώς με τους πυρήνες τους.
Τα χημικά στοιχεία των οποίων τα άτομα δεν έχουν εξωτερικά στρώματα ηλεκτρονίων πλήρως γεμάτα με ηλεκτρόνια είναι, κατά κανόνα, χημικά ενεργά, δηλαδή εισέρχονται πρόθυμα σε μια χημική αλληλεπίδραση.
Έτσι, τα ηλεκτρόνια στα άτομα των χημικών στοιχείων είναι διατεταγμένα σε μια αυστηρά καθορισμένη σειρά και οποιαδήποτε αλλαγή στη χωρική τους διάταξη ή στην ποσότητα τους στο ηλεκτρονιακό κέλυφος του ατόμου οδηγεί σε αλλαγή των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του τελευταίου.
Η ισότητα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων στο ατομικό σύστημα είναι ο λόγος που το συνολικό ηλεκτρικό του φορτίο είναι μηδέν. Αν παραβιαστεί η ισότητα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων στο ατομικό σύστημα, τότε το άτομο γίνεται ηλεκτρικά φορτισμένο σύστημα.
Ένα άτομο στο σύστημα του οποίου η ισορροπία των αντίθετων ηλεκτρικών φορτίων διαταράσσεται λόγω του γεγονότος ότι έχει χάσει μέρος των ηλεκτρονίων του ή, αντίθετα, έχει αποκτήσει περίσσευμα από αυτά, ονομάζεται ιόν.
Αντίθετα, εάν ένα άτομο αποκτήσει υπερβολικό αριθμό ηλεκτρονίων, γίνεται αρνητικό ιόν. Για παράδειγμα, ένα άτομο χλωρίου που έχει λάβει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο γίνεται ένα μεμονωμένα φορτισμένο αρνητικό ιόν χλωρίου Cl-... Ένα άτομο οξυγόνου που έχει λάβει δύο επιπλέον ηλεκτρόνια γίνεται ένα διπλά φορτισμένο αρνητικό ιόν οξυγόνου Ο, και ούτω καθεξής.
Ένα άτομο που έχει γίνει ιόν γίνεται ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σύστημα σε σχέση με το εξωτερικό περιβάλλον. Και αυτό σημαίνει ότι το άτομο άρχισε να κατέχει ένα ηλεκτρικό πεδίο, μαζί με το οποίο σχηματίζει ένα ενιαίο υλικό σύστημα και μέσω αυτού του πεδίου πραγματοποιεί ηλεκτρική αλληλεπίδραση με άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια ύλης - ιόντα, ηλεκτρόνια, θετικά φορτισμένους πυρήνες ατόμων, και τα λοιπά.
Η ικανότητα των διαφορετικών ιόντων να έλκονται μεταξύ τους είναι ο λόγος που συνδυάζονται χημικά, σχηματίζοντας πιο πολύπλοκα σωματίδια ύλης – μορίων.
Συμπερασματικά, πρέπει να σημειωθεί ότι οι διαστάσεις του ατόμου είναι πολύ μεγάλες σε σύγκριση με τις διαστάσεις των πραγματικών σωματιδίων από τα οποία αποτελούνται. Ο πυρήνας του πιο πολύπλοκου ατόμου, μαζί με όλα τα ηλεκτρόνια, καταλαμβάνει το ένα δισεκατομμυριοστό του όγκου του ατόμου. Ένας απλός υπολογισμός δείχνει ότι εάν ένα κυβικό μέτρο πλατίνας μπορεί να πιεστεί τόσο σφιχτά ώστε να εξαφανιστούν οι ενδοατομικοί και διατομικοί χώροι, τότε θα προκύψει όγκος ίσος με περίπου ένα κυβικό χιλιοστό.