БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (АТ)

Общая характеристика строения атома.А. состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки А. Размеры А. в целом определяются размерами его электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра А.

Характерные порядки размеров:

* Поперечное сечение.

Электронные оболочки А. не имеют строго определённой границы; значения размеров А. в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны (см. Атомные радиусы ).

Заряд ядра — основная характеристика А., обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым кратным элементарного положительного электрич. заряда е , равного по абсолютному значению заряду электрона —е . Заряд ядра равен + Ze , где Z — порядковый номер (атомный номер). Z = 1, 2, 3, 4,... для А. последовательных элементов в периодической системе элементов Менделеева, т. е. для атомов Н, Не, Li, Be, ...В нейтральном А. ядро с зарядом + Ze удерживает Z электронов с общим зарядом — Ze и полный заряд А. равен нулю; в положительном ионе —А., потерявшем k электронов (ионизованном А.), остаётся Z— k электронов ( k = 1, 2, 3, ... — кратность ионизации) и его заряд равен + ke , в отрицательном ионе —А., присоединившем k электронов,— содержится Z + k электронов, и его заряд равен — ke . Для положительного иона максимальное значение k = Z (такой ион потерял все свои электроны и состоит из «голого» ядра); для отрицательного свободного иона k = 1, для связанных А. возможно образование отрицательных ионов с k > 1 (в растворах, комплексных соединениях и ионных кристаллах ). Говоря об А. определённого элемента, подразумевают как нейтральные А., так и ионы этого элемента. Но иногда под А. понимают нейтральный А., в противоположность ионам. Положительные и отрицательные ионы при написании отличают от нейтрального А. индексом k + и k —, например О обозначает нейтральный А. кислорода ( Z = 8), О +, О 2+(или O ++), O 3+,..., O 8+— его положительные ионы,О —, O 2—(или О —— его отрицательные ионы. Совокупность нейтрального А. и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд. Простейший такой ряд начинается с А. водорода: H, He +, Li 2+, Be 3+, ...; члены этого ряда состоят из ядра и одного электрона.

Порядок значений зарядов ядер различных А. был определён английским физиком Э. Резерфордом в его первоначальных опытах по рассеянию альфа-частиц (1911). Значения Z были надёжно установлены английским физиком Г. Мозли (1913—14) на основе изучения рентгеновских спектров последовательных элементов в периодической системе. Кратность заряда ядра А. элементарному заряду е получила объяснение, исходя из представлений о строении ядра: Z равно числу протонов в ядре, протон имеет заряд + е , и полный заряд ядра равен сумме зарядов всех Z протонов, т. е. + Ze .

Масса атома возрастает с увеличением Z . Масса ядра А. приближённо пропорциональна массовому числу А — общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0,91 10 —27 г ) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы протона или нейтрона (1,67 10 —24 г ), и поэтому масса А. в целом определяется в основном массой его ядра.

А. данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А—Z может меняться); такие разновидности А. одного и того же элемента называются изотопами . Различие массы ядра почти не сказывается на строении их электронных оболочек, зависящем от заряда ядра Z . Химические и большинство физических свойств (оптические, электрические, магнитные), определяемые строением электронных оболочек, одинаковы или очень близки для всех изотопов данною элемента. Наибольшие отличия в свойствах (изотонические эффекты) получаются для изотопов водорода ( Z = 1) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого А. водорода ( А = 1), А. дейтерия ( А = 2) и А. трития ( А = 3).

Масса А. приближённо равна массовому числу А и изменяется от 1,67 10 —24 г для самого лёгкого А. водорода (основного изотопа: Z = 1, A = 1) до примерно 4 10 —22 г для самых тяжёлых А. трансурановых элементов ( Z = 100, А = 250).

Наиболее точные значения масс А. могут быть определены методами масс-спектроскопии . Масса А. не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше — на дефект массы D М = W/c 2', где W — энергия образования А. из ядра и электронов, а с — скорость света. Эта поправка — порядка массы одного электрона m е для тяжёлых А., а для лёгких А. пренебрежимо мала (порядка 10 —4массы электрона).

Энергия атома и её квантование. Благодаря малым размерам и большой массе ядра его можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс А. (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс А. мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно А. можно рассматривать как систему, в которой N электронов с зарядами — е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в А. происходит в ограниченном объёме — оно является связанным. Полная внутренняя энергия А. Е равна сумме кинетических энергий всех электронов Т и потенциальной энергии U — энергии притяжения их ядром и отталкивания их друг от друга (электростатической энергии взаимодействия электрических зарядов ядра и электронов, согласно закону Кулона).

В простейшем случае А. водорода один электрон с зарядом — е движется вокруг неподвижного центра с зарядом + е . В этом случае, согласно классической механике, кинетическая энергия

Т = 1/ 2 mv =p 2/ 2 m (1)

где m — масса, v — скорость, p = mv — количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии притяжения электрона ядром)

U = U ( r ) = —e 2/r (2)

и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция U ( r ) изображается кривой ( рис. 1 , а) , неограниченно убывающей при уменьшении r , т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U ( r ) на бесконечности принято за нуль. При отрицательных значениях полной энергии Е = Т + U < 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r = r max, при которых Т = 0, Е = U ( r max ) . При положительных значениях полной энергии E = T + U > 0 движение электрона является свободным — он может уйти на бесконечность с энергией Е = Т = 1/ 2mv 2, что соответствует ионизованному А. водорода Н +. Нейтральный А. водорода Н представляет, т. о., систему, состоящую из ядра и электрона в связанном состоянии с энергией E < 0.