В атоме. Квантовые числа

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Строение вещества - учение о том, какие силы определяют его состав и структуру. В случае химии состав и структура определяются на уровне атомов и молекул, а действующие между ними силы определяются взаимодействием заряженных элементарных частиц - электронов и протонов.

При изучении строения вещества принята естественная последовательность: сначала изучают строение атомов, а затем - строение состоящих из них молекул и немолекулярных веществ, то есть химическую связь между атомами.

Глава 2. Строение атома

Корпускулярно-волновое описание движения электрона

в атоме. Квантовые числа

До конца ХIХ века полагали, что атом – неделимая и неизменяющаяся частица. Открытие радиоактивности урана и некоторых других элементов (А. Беккерель, 1896 г.) и объяснение её расщеплением ядер атомов (Э. Резерфорд, Ф. Содди, 1903 г.), а также открытие электрона, как составной части атома (Дж. Стоней, 1881 г; Дж. Томсон, 1897 г.), доказали сложное строение атома.

Было экспериментально доказано (Э. Резерфорд, 1911 г.), что атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, имеющего размеры порядка 10^-6 нм и легкой оболочки из отрицательно заряженных электронов, имеющей размеры порядка 10^-1 нм (т.е. в 100000 раз больше, чем ядро); масса ядра примерно в 2000 раз больше массы электронов, а заряды ядра и электронной оболочки равны между собой.

Ядро атома, в свою очередь, состоит из положительно заряженных частиц - протонов (p) и незаряженных частиц - нейтронов (n), имеющих примерно одинаковые массы (табл. 2.1). При этом абсолютные величины зарядов частиц принято выражать в единицах заряда электрона - 1,602·10^-19Кл = 1 ед. заряда.

Таблица 2.1

Свойства элементарных частиц

Частица (символ)	Местоположение в атоме	Относительный заряд	Относительная масса (а.е.м.)
Протон (p)	в ядре	+1	1,00728
Нейтрон (n)	в ядре		1,00867
Электрон ( )	в оболочке	-1	0,00055

Природа элемента, его основные химические свойства определяются числом протонов в ядре, равным его заряду Z. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра (или число протонов в ядре), относятся к одному и тому же элементу. Атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но различное число нейтронов в ядре (N), называются изотопами. Например, изотопами элемента кальция являются ⁴⁰₂₀Ca (20p + 20n), ⁴²₂₀Ca (20p+22n) и ⁴³₂₀Ca (20p+23 n).

Обратите внимание: состав ядра изотопа указывается цифрами перед символом элемента. При этом верхний индекс обозначает общее число протонов и нейтронов (нуклонов). Сумму протонов (Z) и нейтронов (N), содержащихся в ядре атома, называют массовым числом(А). Нижний индекс обозначает число протонов (Z), а разность между ними равна числу нейтронов N = A - Z. Сумма масс протонов и нейтронов атомного ядра всегда несколько больше, чем масса ядра. Например, масса ядра изотопа ⁴₂He, содержащего два протона и два нейтрона, составляет 4,001506 а.е.м., а сумма масс этих четырех нуклонов равна 4,031882. Разница (дефект массы) составляет 0,030376 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. Он соответствует энергии, которая выделяется при образовании ядра из протонов и нейтронов и может быть рассчитана по уравнению Эйнштейна:

E = mc²,

где m - масса (кг), c - скорость света (3·10 м^.с^-1 ).

Так как 1 а.е.м. = 1,6605655·10^-27 кг, то легко подсчитать, что при образовании ядра атома гелия выделяется огромное количество энергии (28,2 МэВ » 2,8^.10⁹ кДж/моль ядер), что в миллионы раз больше, чем при образовании химической связи.

В настоящее время для всех элементов известны изотопы: всего около 300 устойчивых и более 1400 неустойчивых (радиоактивных). Определяют их по массам (масс-спектрометрия), а радиоактивные – по спектрам излучения.

Исследования, проведенные в конце ХIХ века и начале ХХ, показали неприменимость законов классической физики для описания поведения микрообъектов. На основе этих исследований была создана новая наука - квантовая (волновая) механика, в основе которой лежат представления о квантовании энергии и двойственной (корпускулярно-волновой) природе микрочастиц.