Основные сведения о строении атома

В настоящее время в недрах атома найдено множество (несколько сот) различных частиц, получивших название элементарных (субатомных). Некоторые из них стабильны, другие же существуют миллионные доли секунды. Из всей совокупности субатомных частиц для химии фундаментальное значение имеют три: электрон, протон и нейтрон.

Электрон. Существование электронов, как материальных частиц, экспериментально было доказано английским физиком Томсоном. Электрон – элементарная частица с отрицательным зарядом величиной -1,6×10^-19 Кл. Условный заряд электрона принят равным –1. Масса электрона равна 9,1×10^-28 г. ¾ это масса покоя, т.е. масса, которой обладает электрон, когда его скорость мала по сравнению со скоростью света. Электрон обозначается символом`ē.

Протон. Эта элементарная частица была открыта английским физиком Резерфордом. Имеет электрический заряд точно равный заряду электрона, но положительный: +1,6×10^-19 Кл. Условно заряд протона принят равным +1. Масса протона равна 1,67×10^-24 г (в 1836 раз больше массы электрона), а в а. е. м. приблизительно равна 1, т. е. практически равна массе атома водорода. Протон обозначается буквой p.

Нейтрон. Эта частица была открыта английским физиком Чедвиком. Нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нейтрона примерно равна массе протона (чуть больше), или в а. е. м. приблизительно также равна 1. Нейтрон обозначается буквой n.

Строение ядра атома

Согласно протонно-нейтронной теории (советский физик Иваненко, немецкий физик Гейзенберг) ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые называются нуклонами. Ядро по своим размерам в тысячи раз меньше атома и характеризуется исключительно большой плотностью (1см³ ядерного вещества имеет массу 10¹¹ кг). Это очень большая величина: если предположить, что одно зёрнышко пшеницы состоит из ядерного вещества, то оно весило бы более ста тысяч тонн. Протоны и нейтроны могут переходить друг в друга, и в настоящее время рассматриваются как различные состояния одной и той же частицы – нуклона.

Заряд ядра (в условных единицах) равен числу протонов в нём и порядковому номеру элемента в периодической системе (английский физик Мозли).

Атом – электронейтральная частица, поэтому положительный заряд ядра численно равен числу электронов. Поскольку электроны весят очень мало, то масса ядра по существу равна массе атома. Масса ядра в а. е. м. равна сумме масс нуклонов (т. е. сумме протонов и нейтронов). Эту величину называют массовым числом ядра и обозначают буквой А:

А = Z + N,

где Z - заряд ядра, равный числу протонов, N - число нейтронов в ядре.

Реально масса ядра всегда меньше простой суммы масс нуклонов: при образовании ядра некоторая часть массы нуклонов уходит в виде излучения. Разность между суммой масс нуклонов и массой образовавшегося ядра носит

название дефекта ядерной массы. Чем эта величина больше, тем прочнее ядро.

Нуклонный состав атомных ядер сокращенно записывается следующим образом: , где – символ химического элемента.

Протоны своей совокупностью в ядре атома определяют химическую природу элемента (нуклида). Изменение их числа приводит к образованию атома другого элемента.

Изотопы – это разновидность атомов одного и того же элемента, ядра которых имеют одинаковый заряд, но разные массовые числа. Иначе говоря, изотопы – это нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N. Например, (протий), (дейтерий), (тритий).

В природе элементы находятся в виде изотопов. Так, природный хлор состоит из изотопа (77,4%) и изотопа (22,6%). Поэтому относительная атомная масса любого элемента – это средняя величина массовых чисел природных изотопов этого элемента с учётом их процентного содержания. Химические свойства всех изотопов одного элемента одинаковые. Это значит, что главной характеристикой элемента является не относительная атомная масса, а заряд ядра (порядковый номер). Изменение заряда ядра приводит к образованию другого элемента.

Изобары – это различные элементы, ядра атомов которых имеют одинаковую массу (А₁ = А₂), но различаются по заряду. Следовательно, Z₁ ¹ Z₂, N₁ ¹ N₂. Иными словами изобары – это нуклиды с одинаковым А и различными Z и N_. Например: и . Здесь А₁ = А₂ = 40; Z₁ = 19 и Z₂ = 20; N₁ = 21; N₂ = 20.

Изотоны – различные элементы, ядра атомов которых имеют одинаковое количество нейтронов, но различаются по заряду и массе. Следовательно, у изотонов N₁ = N₂, но Z₁ ¹ Z₂ и соответственно А₁ ¹ А₂. Например: и .

Всё изложенное выше говорит о том, что положительный заряд ядра определяет фундаментальную основу атома, его индивидуальность. В процессе химических реакций атомное ядро остаётся без изменения.

Для современного понимания квантово-механической модели атома имеют большое значение открытия корпускулярно-волновой природы электрона и принципа неопределённости.

Корпускулярно-волновая природа электрона

Впервые двойственная природа была установлена для света. Эйнштейн показал, что свет распространяется в виде корпускул – фотонов. Причём каждый фотон – квант света несёт свою энергию. Связь массы и энергии определяется известным уравнением Эйнштейна:

Е = m×c²

где Е – энергия кванта, соответствующая массе m, с –скорость света.

Из этого уравнения следует, что с одной стороны энергия света обладает массой, а с другой стороны масса обладает свойствами энергии.

Энергия кванта зависит также от частоты излучения:

Е = h×n

где h – постоянная Планка, равная 6,6×10^-27 эрг×с, n - частота излучения.

Приравнивая эти два выражения, получим:

h×n = m×c²

Частота излучения равна отношению расстояния с, которое проходит излучение в одну секунду к длине волны:

n = ,

где l - длина волны.

Подставляя выражение частоты, получим:

,

Откуда:

Эта зависимость, выведенная для света согласно гипотезе французского физика Луи де Бройля (1924 г.) должна сохраняться и для любых микрочастиц. Если рассматривать электрон как материальную частицу с массой m и скоростью v, то длина её волны выразится так:

В этом выражении объединяются как волновые, так и корпускулярные свойства электрона.

Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновой природе электрона была подтверждена экспериментально американскими физиками К. Девиссоном и Т. Джермером. Они обнаружили, что электроны при отражении от грани кристалла давали дифракционную картину, т. е. проявляли волновые свойства.

Принцип неопределённости Гейзенберга. Немецкий физик Гейзенберг показал, что в атомном пространстве траекторию микрочастицы уже нельзя рассматривать с математической точностью. Вместо этого должна существовать полоса неопределённости, в которой частица может двигаться по всей области возможных положений. Это движение имеет характерные черты волнового движения. Поэтому можно говорить лишь о вероятности того, что частица будет в данном месте в данный момент. Принцип неопределённости можно сформулировать следующим образом: невозможно одновременно точно определить и положение и скорость частицы атомного масштаба. Чем точнее измеряют скорость, тем больше неопределённость в координате и наоборот.

Квантово-механическая модель атома

Представление о двойственной природе электрона и открытие принципа неопределённости Гейзенберга привело к созданию новой теории строения атома. Основой современной теории строения атома является квантово-механическое описание атома, предложенное выдающимся немецким физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии Э. Шредингером. Сущность его заключается в том, что движение электрона описывается волновым уравнением, а местоположение электрона определяется по вероятностным принципам. Электронную волну Шредингер представил в виде особой волновой функции, зависящей от координат трехмерного пространства  =  (х,у,z). Подставив эту функцию в уравнение, характеризующее стоячие волны в трёхмерном пространстве и включив в него известное соотношение де Бройля , Шредингер получил знаменитое уравнение, названное его именем. Оно является формой математического описания электронной структуры атома. Уравнение Шредингера имеет вид:

где - суммы вторых производных волновой функции по координатам х, у, z (оператор Лапласа); m – масса электрона; Е – полная энергия электрона; U – потенциальная энергия электрона; h – постоянная Планка;  - радиан = 180⁰.

Согласно этой теории вместо определённых орбит электронов можно говорить лишь о вероятности их нахождения в атомном пространстве. Квантовая механика ввела понятие атомной орбитали – части атомного пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна. Электрон рассматривается как бы размазанным в пространстве орбитали в виде электронного облака с плотностью в каждой точке, пропорциональной  ². В этом смысле под атомной орбиталью понимается атомное пространство, заключающее в себе ~90% электронного облака.

В настоящее время уравнение Шредингера имеет точные решения только для атома водорода и водородоподобных, т .е одноэлектронных атомов, например Не⁺, Li²⁺ и т. д.

Квантовые характеристики состояний электрона в атоме

Формы атомных орбиталей определяются характером движения электрона. Отсутствие промежуточных форм между орбиталями свидетельствует о скачкообразном переходе электрона из одного состояния в другое, т. е. о различных квантовых состояниях электрона на разных орбиталях.

Для описания орбиталей и электронов существует система квантовых характеристик, формально обозначаемых квантовыми числами. Идея квантовых чисел появилась при попытке понять положения спектральных линий в атомных спектрах, т. е. энергии, которым они соответствуют.

Главное квантовое число n определяет возможные уровни энергии и размер орбитали (электронного облака), т. е. степень его удаления от ядра. Оно может принимать любые целочисленные значения от 1 до ¥:

n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,…, ¥.

Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа образует энергетический (квантовый) уровень. Орбитали с одинаковым значением n близки между собой по энергии и по размеру. Величину n можно рассматривать как номер энергетического уровня, считая от ядра. Эти уровни обозначают также большими буквами латинского алфавита: K, L, M, N, O, P, Q.

Энергетический уровень, полностью или частично заполненный электронами, образует электронный слой. Число электронных слоёв в атоме соответствует номеру периода периодической системы, в котором находится данный элемент. В атомах всех известных в настоящее время элементов максимальное число застраиваемых энергетических уровней равно семи, что соответствует числу периодов современной периодической таблицы. На одном энергетическом уровне могут находиться орбитали (электронные облака) с разными геометрическими формами.

Квантовое состояние атома с наименьшей энергией называется нормальным (основным), все другие состояния атома с большими уровнями энергии называются возбуждёнными.

Изучение атомных спектров показало, что энергетический уровень представляет собой совокупность некоторых энергетических подуровней. Расщепление энергетического уровня на подуровни с одинаковым главным квантовым числом происходит из-за неодинаковой энергии атомных орбиталей разной формы. Энергетический подуровень – это совокупность атомных орбиталей, которые находятся на одном энергетическом уровне и имеют одинаковую форму. Для характеристики энергетических (квантовых) подуровней вводится побочное (орбитальное) квантовое число.

Орбитальное квантовое число (побочное, азимутальное) характеризует различные энергетические состояния электронов на данном уровне, определяет форму атомных орбиталей (электронных облаков), а также величину орбитального момента количества движения L. Величина L определяется, как известно, произведением mvr,

где m – масса электрона, движущегося вокруг ядра атома; v – вектор скорости электрона; r – радиус орбиты электрона (рисунок).

Рисунок. К объяснению орбитального момента количества движения

Как видно из рисунка L является вектором, направление которого перпендикулярно плоскости расположения векторов v и r.

Орбитальный момент количества движения может принимать только дискретные значения, задаваемые орбитальным квантовым числом l:

где h – постоянная Планка, равная 6,62×10^-34 Дж×с

Орбитальное квантовое число может принимать целочисленные значения от 0 до n - 1:

l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,…, n - 1.

Энергетические подуровни принято обозначать латинскими буквами и соответственно называть s-, p-, d-, f-, g-, h-, i-состояниями, а электроны, находящиеся в этих состояниях - s-, p-, d-, f- … электронами. Эти буквенные значения взяты из номенклатуры атомной спектроскопии.

Энергетический подуровень, полностью или частично заполненный электронами, образует электронный подслой. Например, подслой s, подслой p и т. д. Число возможных подуровней на уровне строго определено и численно равно главному квантовому числу. Так, на первом энергетическом уровне (n = 1) возможен только один подуровень (l = 0). Для второго уровня (n = 2) возможно два подуровня (l = 0, l = 1), для третьего уровня (n = 3) возможно три подуровня (l = 0, l = 1, l = 2) и т. д.

Решения уравнения Шредингера показали, что:

- орбитали, для которых l = 0, имеют форму шара (сферы) и называются s-орбиталями;

- орбитали, для которых l = 1, имеют форму объёмной восьмёрки (гантели) и называются p-орбиталями;

- орбитали с большими значениями l имеют более сложную форму и соответственно обозначаются так: d-орбитали для l = 2, f-орбитали для l = 3 и т. д.

Атомные орбитали одного подуровня имеют одинаковые значения главного квантового числа (n) и одинаковые значения побочного квантового числа (l). Орбитали, находящиеся на одном энергетическом уровне, но имеющие различную форму (разные значения l), обладают неодинаковой энергией Е: Е_s < Е_p < Е_d < Е_f.

Энергетические состояния электронов символически обозначаются цифрами и буквами. Арабской цифрой обозначают главное квантовое число, а латинской буквой записывают соответствующее орбитальноеквантовое число. Например: состояние электрона 3p означает, что он находится на третьем энергетическом уровне в р-подуровне, т. е. форма его атомной орбитали – «гантель».

При помещении атома во внешнее магнитное поле происходит дальнейшее расщепление спектральных линий. В магнитном поле происходит расщепление энергетических подуровней. Это говорит о том¸ что электрон обладает не только электростатическими, но и магнитными свойствами.

В зависимости от расположения орбитали по отношению к внешнему магнитному полю энергия электрона будет различной. Эта энергия электрона также изменяется скачками, вследствие чего орбитали располагаются в пространстве определённым образом. При данных n и l может быть несколько состояний электрона с одинаковой энергией. Такие состояния называется вырожденными.

Движение электрона по замкнутой орбите вокруг ядра атома вызывает появление магнитного поля. Состояние электрона, обусловленное орбитальным магнитным моментом электрона, характеризуется магнитным квантовым числом.

Магнитное квантовое число m_l определяет число атомных орбиталей в подуровне и характеризует их ориентацию вокруг ядра. От m_l зависит проекция орбитального момента количества движения электрона на некоторое направление магнитного поля z L_z (рисунок):

Рисунок. К объяснению набора значений магнитного квантового числа для l=2.

На рисунке стрелками показаны допустимые направления орбитального момента количества движения. Каждому направлению вектора соответствует определенное значение его проекции на ось z. Все проекции вектора L на ось z равны некоторой величине, умноженной на целые числа (положительные или отрицательные), включая нуль. Эти числа и есть значения магнитного квантового числа m_l :

h

L_z = ¾ m_l

2p

Допустимые направления орбитального момента количества движения L определяются значениями магнитного квантового числа. От его значения зависит взаимодействие магнитного поля, создаваемого электроном, с внешним магнитным полем.

В соответствии с принципом квантования энергии магнитное квантовое число для каждого значения l принимает все целочисленные значения от +l до –l, включая 0:

m_l = 0, ±1, ±2, ±3,…, ±l

Между l и m_l существует зависимость (таблица).

Т а б л и ц а

Орбитальное квантовое число, l	Магнитное квантовое число, ml	Обозначение атомной орбитали	Число атомных орбиталей на подуровне
0 1 2 3	0 +1, 0, -1 +2, +1, 0, -1, -2 +3, +2, +1, 0, 1, 2, 3	s p d f	1 3 5 7

Из таблицы видно, что число значений m_l определяет число орбиталей на подуровне, оно равно: 2l + 1. При любой величине вектора L (l = 0,1,2,…, n – 1) электрон может принимать 2l + 1 ориентаций, соответствующих значениям проекций m_l = 0, ±1, ±2,…, ±l. Например, p-орбиталь («гантель») может ориентироваться в пространстве в трёх различных положениях, так как в случае l = 1 магнитное квантовое число может иметь три значения: +1, 0, 1. Поэтому электронные облака вытянуты по осям декартовых координат x, у и z, причём ось каждого из них перпендикулярна двум другим. В соответствии с направлениями координат p-орбитали обозначаются P_x, Р_у, Р_z:

В отсутствие магнитного поля всем орбиталям с одинаковыми значениями n и l соответствуют одинаковые энергии. Но в присутствии магнитного поля орбиталям с различными m_l соответствуют различные уровни энергии. Это происходит потому, что энергия взаимодействия магнитного поля электрона с внешним магнитным полем зависит от величины магнитного квантового числа. Именно поэтому в магнитном поле происходит расщепление некоторых атомных спектральных линий (эффектЗеемана).

d-Орбитали имеют более сложную форму – розетки или сложной гантели. Их на подуровне, как видно из таблицы, пять. Четыре из них – своеобразные четырёхлепестковые образования, различающиеся друг от друга своим расположением в пространстве.

Одна из этих орбиталей d_ху лежат в плоскости ху:

вторая d_xz лежит в плоскости xz:

третья d_уz лежит в плоскости уz :

Характерная их особенность состоит в том, что лепестки этих трёх типов d-орбиталей расположены между осями координат.

Четвертая d-орбиталь также четырёхлепестковая. Её лепестки вытянуты по осям х и у и расположены в плоскости ху:

Эту d-орбиталь обозначают символом d_х² - _у².

Пятая d-орбиталь имеет своеобразную форму. Она расположена на оси z, которая является её осью вращения:

Обозначение пятой d-орбитали d_Z².

Спиновое квантовое число m_s. Для полного объяснения всех свойств атома была выдвинута гипотеза (голландские физики Уленбек и Гаудсмит) о наличии у электрона так называемого спина – специфическом свойстве, особом состоянии движения, в чём-то похожем на вращение заряженной сферы. Сначала предполагалось, что это явление связано с вращательным движением электрона вокруг собственной оси (аналогично вращению Земли вокруг своей оси при движении её по орбите вокруг Солнца). В настоящее время установлено, что спин электрона является его неотъемлемым свойством, подобно заряду и массе электрона. Спин – это чисто квантовое свойство электрона, не имеющее классических аналогов. Строго говоря, спин – это собственный момент импульса электрона, не связанный с движением в пространстве. Спин электрона есть векторная величина. Этот вектор может ориентироваться только в двух противоположных направлениях (вдоль нормали к плоскости орбиты электрона). Для всех электронов абсолютное значение спина всегда равно ¹/₂. Проекция спина на ось z (спиновое квантовое число m_s = +¹/₂ или m_s = -¹/₂. Знаки «плюс» и «минус» соответствуют «параллельной» и «антипараллельной» установке спина.