Атом – представляет собой один из структурных уровней организации материи и наименьшую часть химических элементов, являющихся носителями его свойств. Атомы различного вида в различных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Строение атома раздел физики (атомная физика), изучающий структуру атома¹. Атомизм – общепринятая концепция микромира, которая возникла с открытием радиоактивности А.Беккерелем в 1896 году, которому предшествовало открытие в 1895 г В. Рентгеном катодных (электронных) лучей, впоследствии названных рентгеновскими. Эти работы стимулировали стремительное исследование этих явлений Дж. Томсоном, П. Кюри и М. Кюри. В 1905 г после работы А.Эйнштейна по анализу броуновского движения, наличие самих атомов по косвенному влиянию на частицы в жидкости, стало уже очевидностью их существования. Но затем ученым понадобилось 20 лет для развития теории атомного строения, что привело к созданию квантовой механики. И только еще после 30-летних усилий физики и технологий Э.Мюллеру удалось с помощью микроскопа создать первые изображения атомов. Но и с помощью современных приборов атомы не удается рассмотреть в деталях. В описании внутреннего строения атомного ядра до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые служат предметом интенсивных исследований.

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. Первым атомы за всеобщие начала признал Левкипп (V в. д. э ). Его идеи развивал Демокрит. У них мы находим предположения о том, что окружающий нас мир состоит из корпускул, атомов, которые и определяют предельную делимость материи. Другими словами микромир как бы пронизывает все сущее макромира.

Левкипп рассуждал: я делю какую-то часть вещества пополам, каждую половинку еще пополам и так до тех пор, пока разделенные частицы уже не могут быть обнаружены, а, следовательно, разделены на более мелкие. Вот эти частицы, которые не могут быть разделены, поскольку невидимы, но они существуют, и были названы атомами (атом – неделимый).

Демокрит (V-IV в.д.н.э.) полагал, что эти крохотные частицы, которые уже разделить нельзя, носятся в пустом бесконечном пространстве.А свойства того или иного вещества определяются формой и массой. По его представлениям у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды – гладки, поэтому она способна течь. Даже душа согласно Демокриту, состоит из атомов.

В XVII и XVIII вв химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX. начале ХХ веков были открыты субатомные частицы и составная структура атома. Стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

Атомизм или атомистика как учение о прерывном, дискретном существовании материи просуществовал до конца XIX века.

С открытием рентгеновского излучения (1895) немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845 – 1923) и радиоактивности (1896) Антуаном Анри Беккерелем (1852 – 1908) началась эра интенсивного познания микромира в живом и неживом веществе. Хотя к этому времени учёные уже знали многое, что определяло само понятие микромира.

Концепция атомистического (дискретного, квантового) строения материи на самом деле пронизывает все естествознание на протяжении всей его истории.

История исследования модели строения атома основана на следующих концепциях.

Модель атома Дж.Дж. Томсона представляется как модель «пудинга с изюмом». Он предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость и была им опровергнута после проведённого им же опыта по рассеиванию альфа-частиц.

В 1904 году японский физик Х. Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбиталям вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалось ошибочной, но некоторые важные её положения вошли в модель Резерфорда.

В 1911 году Э. Резерфорд на основе экспериментальных исследований пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системе, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой, согласно которой электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а следовательно, терять энергию. Стало быть, он просто должен упасть на ядро за очень малое время.

Для объяснения стабильности атомов Н. Бору пришлось ввести так называемые постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов в строении атома. Квантовая механика не допускает, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям. Неопределённость координаты электрона согласно принципу неопределённости Гейзенберга и дополнительности Бора в атоме может быть сравнима с размерами самого атома. В этой связи возникло представление о дуализме частиц, слагающих атом, обладающие одновременно свойствами частицы и волны.

Химический элемент представляет собой совокупность атомов определенного сорта. Это та грань, которая отделяет невидимый микромир от макромира, поскольку совокупность атомов дает возможность нам, например, наблюдать графит и алмаз, золото и серебро, платину и самородную медь, состоящие из совокупности атомов одного сорта.

Каковы же свойства атома?

Атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), которые удерживаются в ядре сильным ядерными взаимодействиями. Протон обладает положительным зарядом. Масса протона (1,6726×10⁻²⁴ г) в 1836 раз тяжелее электрона. Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Его масса (1,6929×10⁻²⁴ г) в 1839 раз тяжелее электрона. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10⁻¹⁵ м, но размеры этих частиц определены недостаточно точно ².

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10⁻²⁸ г., отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Таким образом, вся основная масса атома сосредоточена в его ядре.

Вокруг ядра электрон формирует «облако вероятности». Это состояние описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми. Каждой орбитали соответствует свой уровень. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях.

«Облако вероятности» находится внутри потенциального барьера, окружающее ядро, а взаимодействие с ним определяется электромагнитным взаимодействием. Чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию извне. Следовательно, чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо затратить.

Статистическая физика – раздел физики, исследующий методами теории вероятностей поведение систем частиц в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии³. Обычно при исследовании таких систем физиков не интересует случайное поведение каждой конкретной частицы. Статистическая физика описывает, как из движений частиц системы (идеальных газов, реальных газов, квантовых газов, конденсированных сред) складывается усреднённая эволюция системы частиц в целом.

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона как и всех фермионов подчиняться правилу (запрет Паули), по которому два электрона не могут находится в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны формируют пару: один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой – состояние со спином вниз. В этом случае магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.

В ферромагнетиках нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле.Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.

Несмотря на то, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, его масса меньше суммы масс составляющих ядро частиц, что приводит к нарушению принципа суперпозиции. Разность между суммой масс частиц, находящихся вне ядра, и массой ядра называют дефектом масс, который характеризует энергию связи нуклонов в ядре. Наибольшей энергией связи обладают ядра атомов с магическими числами протонов и нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82.

Ядро атома характеризуется электрическим зарядом (Z- заряд протона), массой m_p и массовым числом А, равным числу нуклонов в ядре. Z – измеряемый в единицах e, равен числу электронов в нейтральном атоме и определяет химические свойства элемента. К настоящему времени известны ядра с Z от 1 до 107 и с А от 1 до 260. Ядра с одинаковым Z, но разным числом нейтронов, называют изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z называются изобарами.

Радиус ядра для разных атомов лежит в пределах 2∙10^-15– 10∙10^-15 м и не имеет чёткой границы, которая определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Электронная оболочка также не имеет строго определенной границы и составляет около 10∙10^-10м и представляет собой «электронную атмосферу» ядра атома, толщина которой на 5 порядков (в 100000 раз) больше диаметра ядра. Радиус атома зависит от его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства (спина), от положения в периодической системе.

Размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу периодической системы и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус , а самый большой — атом цезия. Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Ученые из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков ученые использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля. Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра

В ядре атома отчетливо различают внутреннюю область (керн) и поверхностный слой. Плотность числа нуклонов во внутренней области для ядер с А>10 примерно постоянна и равна 1,68∙10³⁸ нуклонов/см³. Поверхностный слой имеет толщину 1,5∙10^-15 м. Радиус ядра увеличивается с ростом числа нуклонов. Возбужденные уровни ядра атомов свидетельствуют о наличии в нем оболочек стационарных орбит нуклонов относительно ядра (керна). Нуклоны ядер сильно взаимодействуют с мезонами, поэтому процессы виртуального рождения и поглощения мезонов нуклонами происходит непрерывно. Таким образом, в результате сильных взаимодействий ядро все время окружено атмосферой, состоящей из мезонов (шубы). Наряду с облаком виртуальных мезонов ядра атома окружают электромагнитные и гравитационные поля и физический вакуум, образуя физическое поле ядра атома.

Пространство физического поля вокруг ядра атома формирует электронное облако, а между ним и ядром атома располагается тонкая структура, названная структурой альфа.

Именно с целью описания внутреннего строения атома А.Зоммерфельдом в 1916 г была введена постоянная тонкой структуры альфа. Значение постоянной структуры альфа состоит в описании электромагнитного взаимодействия. Оно характеризует силу, с которой атомное ядро притягивает окружающие электроны и вероятность, с которой происходит поглощение фотона атомом.

Спин ядра атома – внутренний (собственный) момент количества движения – складывается из спинов входящих в него нуклонов и из орбитальных моментов количества движения нуклонов и может принимать только целые числа от 1/2 до 9/2 значения постоянной Планка ћ. Все ядра с четным количеством нейтронов и протонов имеют спин J = 0.

Из известных около 2230 ядер атомов 250 из них представляют собой стабильные нуклиды и содержатся только до элементов с Z = 82. Остальные нуклиды нестабильны.

Физические и химические свойства атомов элементов и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра Z (атомных весов). Определяются фундаментальным периодическим законом Д.И.Менделеева.

Международная группа ученых из России, Швейцарии и Польши сумела химическим способом подтвердить образование 112-го элемента таблицы Менделеева. Первое сообщение о синтезе 112-го элемента с массой 283 в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) им. Г. Н. Флерова ОИЯИ группа авторов во главе с Юрием Оганесяном опубликовала еще в 1999 году. В 2000 и 2001 годах сообщили о синтезе 114-го и 116-го элементов.

Свои усилия объединили химики из ЛЯР ОИЯИ (Дубна, Россия) и их коллеги из П.Шеррер института и Бернского университета (Швейцария), а также Варшавского института электронных технологий (Польша). Заместитель директора ЛЯР по научной работе профессор Сергей Дмитриев сообщил, что 112-й элемент согласно периодическому закону Менделеева – гомолог ртути и должен быть таким же легколетучим и образовывать амальгамы с золотом. Также он мог оказаться сходен по химическим свойствам с благородным газом радоном. Поэтому ученые параллельно изучали и поведение этих элементов в условиях эксперимента. В ходе эксперимента в Дубнинском циклотроне У400 ученые бомбардировали мишень из плутония-242 ионами кальция-48. В итоге синтезировались ядра элемента 114. После альфа-распада они образовывали элемент 112 с атомной массой 283 и временем жизни около четырех секунд. В течение опыта детекторами зарегистрирован распад двух ядер, полностью соответствующий по своим свойствам распаду изотопа элемента 112 с массовым числом 283, синтезированного в физическом эксперименте. Распад наблюдался 11 мая 2006 года в 02.40.50 и 25 мая 2006 года в 08.37.11 (время московское). Ядра элемента 112 после испускания альфа-частицы с энергией 9,5 млн. электроновольт превращались в ядра изотопа элемента 110 с массовым числом 279, которые спустя примерно полсекунды спонтанно делились на два осколка. Зарегистрированные энергии осколков были существенно выше хорошо известных энергий осколков при делении урана с массой 235, которое происходит в ядерных реакторах.

Химические элементы могут иметь один или несколько изотопов со стабильными или нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду. В результате атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса влияния сильных взаимодействий. Выделяют три основные формы радиоактивного распада.

Альфа распад возникает в условиях, когда ядро испускает альфа-частицу  (ядро атома гелия). В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.

Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий. В результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В случае распада нейтрона происходит испускание электрона и антинейтрино, а в случае протона – испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.

Гамма-излучение наблюдается из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа - или бета-частицы после радиоактивного распада.

Любой радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада (временем, за которое распадается половина его ядер). Это процесс экспоненциального порядка, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада.

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре атома удерживаются вместе ядерными силами. По своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром. Природа изобрела потрясающий механизм устойчивости, в котором центр является «диктатором» устойчивости не только микромира, но и макромира (Солнечной системы, галактики). Какова структура устойчивости или неустойчивости мира вселенной (Метагалактики) и супермира – множества вселенных? Или всё это – выражение неустойчивости во времени, являющейся причиной развития и перманентно сменяющих друг друга простоты и сложности окружающего реального мира?…

Молекулярная физика

Соединение атомов химических элементов приводит к образованию молекул. Молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются как материальные точки и в которой атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов.

Особенность физики молекулярных соединений, что количество частиц, участвующих в образовании вещества слишком велико чтобы свести решение задач взаимодействия молекул к точечным телам. В то же время количество частиц не настолько велико, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики 4. В результате в молекулярной физике выделяются направления исследования вещества: физика атомных кластеров физика сложных молекул физика ридберговских атомов – высоковозбуждённых состояний атомов, физика атомов и молекул при сверхнизких температурах и бозе-эйнштейновская конденсация.

Таким образом, молекулы являются объектом изучения теории строения молекул квантовой химией. Развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает методами электронной спектроскопии, колебатьельной спектроскопии, ядерным магнитным резонансом и т.д. Единственными прямыми методами исследования молекул являются дифракционные методы рентгеноструктурного анализа и дифракции нейтронов.

Молекула конкретного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых главными взаимодействиями - химическими связями .Химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качестве критерия индивидуальности свойств молекулы не учитываются. Допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда – четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами. Природа химической связи в классической теории не рассматривается – учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии.

Атомы, составляющие молекулу, формируют структуру. Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров. Однако не все химические вещества построены из молекул, равно как отнюдь не все молекулы отвечают химическим веществам, которые могут быть выделены

Ссылки