 |
 |
|
 |
|
|
АТОМ |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
(от греч. atomos — неделимый)
частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определённый род А., обозначаемых символом элемента (например, А. водорода Н: А. железа Fe; А. ртути Hg; А. урана U).
А. могут существовать как в свободном состоянии, в газе, так и в связанном. Соединяясь химически с А. того же элемента или А. других элементов, они образуют более сложные микрочастицы — молекулы (См. Молекула), всё огромное многообразие химических соединений обусловлено различными сочетаниями А. в молекулах. Связываясь друг с другом непосредственно .или в составе молекул, А. образуют жидкости и твёрдые тела.
Свойства макроскопических тел — газообразных, жидких и твёрдых — и свойства отдельных молекул зависят от свойств входящих в их состав А. Все свойства А., физические и химические, определяются его строением как системы, состоящей из ядра и электронов, и подчиняются характерным для микроскопических явлений квантовым законам. Ниже излагаются современные представления о строении и свойствах А. (историю развития учения об А. см. в ст. Атомная физика).
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:
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | Линейные размеры | Площадь* | Объем |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Атом | 10—8 см | 10—16 см2 | 10—24 см3 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ядро | 10—12 см | 10—24 см2 | 10—36 см3 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Отношение | 104 | 108 | 1012 |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
* 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 (См. Комплексные соединения) и ионных кристаллах (См. Ионные кристаллы)). 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+, О2+(или O++), O3+,..., O8+ — его положительные ионы,О—, O2— (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+, Li2+, Be3+, ...; 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 (См. Массовое число) 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 (См. Изотопы). 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 (См. Масс-спектроскопия). Масса А. не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше — на Дефект массы М = W/c2', где W — энергия образования А. из ядра и электронов, а с — скорость света. Эта поправка — порядка массы одного электрона mе для тяжёлых А., а для лёгких А. пренебрежимо мала (порядка 10—4 массы 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 =1/2mv =p2/2m (1)
где m — масса, v — скорость, p = mv — количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии притяжения электрона ядром)
U = U(r) = —e2/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 = rmax, при которых Т = 0, Е = U(rmax). При положительных значениях полной энергии E = T + U > 0 движение электрона является свободным — он может уйти на бесконечность с энергией Е = Т = 1/2 mv2, 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.
Полная внутренняя энергия А. Е является его основной характеристикой как квантовой системы — системы, подчиняющейся квантовым законам (см. Квантовая механика). Как показывает огромный экспериментальный материал (см., например, Франка—Герца опыт (См. Франка - Герца опыт)), А. может длительно находиться лишь в состояниях с определённой энергией — стационарных (неизменных во времени) состояниях.
Существование стационарных состояний — один из основных законов физики микроскопических явлений — квантовой физики. Внутренняя энергия квантовой системы, состоящей из связанных микрочастиц (такой системой и является А.), может принимать одно из дискретного (прерывного) ряда значений
E1, E2, E3, ...(E1 < E2 < E3 < ...). (3)
Каждому из этих «дозволенных» значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых состояний движения. Промежуточными значениями энергии (например, лежащими между E1 и E2, E2 и E3 и т.д.) система обладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована, а нахождение возможных значений энергии называется квантованием энергии. Любое изменение энергии Е связано с квантовым (скачкообразным) переходом системы из одного стационарного квантового состояния в другое (см. ниже).
Графически возможные дискретные значения энергии (3) А. можно изобразить, по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (на различные уровни), в виде схемы уровней энергии (См. Уровни энергии), где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте Ei (i = 1, 2, 3, ...); такая схема приведена на рис. 1, б для А. водорода (на рис. 1, а при E < 0 оказываются, т. о., возможными лишь определённые ступеньки, соединённые горизонтальным пунктиром с уровнями схемы на рис. 1, б). Самый нижний уровень Ei, соответствующий наименьшей возможной энергии системы, называется основным, а все остальные (Ei > Ei, г = 2, 3, 4, ...) — возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные возбуждённые состояния из стационарного основного состояния) необходимо возбудить систему — сообщить ей извне энергию Ei—E1.
Квантование энергии А. является следствием волновых свойств электронов. Нельзя считать, что электрон в А. движется как материальная точка по определённой траектории, согласно законам классической механики. Эти законы справедливы лишь для частиц большой массы (макрочастиц), а для электрона, как микрочастицы, необходимо учитывать, наряду с его корпускулярными свойствами (свойствами частицы), и его волновые свойства. Согласно квантовой механике, движению микрочастицы массы m со скоростью v соответствует длина волны = h/mv, где h — Планка постоянная. Для электрона в А. ~ 10—8 см, т. е. порядка линейных размеров А., и учёт волновых свойств электрона в А. является необходимым. Связанное движение электрона в А. схоже со стоячей волной (См. Стоячие волны), и его следует рассматривать не как движение материальной точки по траектории, а как сложный колебательный процесс. Для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определённые значения длины волны (и, следовательно, частоты колебаний v). Так как, согласно квантовой механике, v = E/h, отсюда следует, что система, состоящая, подобно А., из связанных микрочастиц, может иметь лишь определённые значения энергии, т. е. энергия квантуется и получается дискретная последовательность уровней энергии — дискретный энергетический спектр. Для А. водорода такая дискретная последовательность получается при Е < 0 (см. рис. 1). Свободное, т. е. не ограниченное в пространстве, поступательное движение микрочастицы, например движение электрона, оторванного от А. (в случае А. водорода — электрона с энергией Е > 0), сходно с распространением бегущей волны в неограниченном объёме, для которой возможны любые значения (и v). Энергия такой свободной микрочастицы может принимать любые значения, т. е. не квантуется, и получается непрерывная последовательность уровней энергии — непрерывный энергетический спектр. Для А. водорода такая непрерывная последовательность, соответствующая ионизованному А., получается при E > 0. Значение Е = 0 соответствует границе ионизации, а разность Е — Е1 = Еион представляет энергию ионизации: для А. водорода она равна 13,6 эв.
Распределение электронной плотности. Состояние электрона в А. можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда с некоторой плотностью — распределением электронной плотности. При этом электроны рассматриваются наглядным образом, как «размазанные» в пространстве и образующие «электронное облако». Такая модель правильнее характеризует электроны в А., чем модель точечного электрона, движущегося, согласно теории Бора (см. Атомная физика), по строго определённым орбитам. Вместе с тем боровским орбитам можно сопоставить определённые распределения электронной плотности. Для основного уровня энергии Е1 электронная плотность концентрируется вблизи ядра; для возбуждённых уровней энергии E2, E3, E4,... она распределяется на всё больших средних расстояниях от ядра (что соответствует возрастанию размера орбит в теории Бора). В сложном А. эти электроны группируются в оболочки, окружающие ядро на различных расстояниях и характеризующиеся определёнными распределениями электронной плотности. Прочность связи электронов в более внешних оболочках меньше, чем во внутренних, и слабее всего электроны связаны в самой внешней оболочке, обладающей наибольшими размерами, которые и определяют размеры А. в целом. При ионизации А. теряет внешние электроны; размеры положительных ионов тем меньше размеров нейтрального А., чем выше кратность иона. Наоборот, размеры отрицательных ионов больше размеров нейтрального А.
Учёт спина электрона и спина ядра. В теории А. весьма существен учёт Спина электрона — его собственного (спинового) момента количества движения, с наглядной точки зрения соответствующего вращению электрона вокруг собственной оси (если электрон рассматривать как частицу малых размеров). Со спином электрона связан его Магнитный момент. Поэтому в А. необходимо учитывать, наряду с электростатическими взаимодействиями (см. выше), и магнитные взаимодействия, определяемые спиновым магнитным моментом, а также орбитальным магнитным моментом, связанным с движением электрона вокруг ядра; магнитные взаимодействия малы по сравнению с электростатическими. Наиболее существенное влияние спина проявляется в сложных А.: от спина электронов зависит заполнение электронных оболочек А. определённым числом электронов (см. ниже).
Ядро в А. также может обладать собственным механическим моментом — ядерным спином, с которым связан небольшой ядерный магнитный момент (в сотни и тысячи раз меньший электронного магнитного момента), а в некоторых случаях и т. н. квадрупольный электрический момент (см. Моменты атомных ядер). Это приводит к дополнительным очень малым взаимодействиям ядра и электронов, обусловливающим дополнительное расщепление уровней энергии А. — т. н. сверхтонкую структуру (См. Сверхтонкая структура) (малую по сравнению с тонкой структурой).
Квантовые состояния атома водорода. Важнейшую роль в квантовой теории А. играет теория простейшего одноэлектронного А., состоящего из ядра с зарядом +Ze и электрона с зарядом —е, — теория А. водорода Н и водородоподобных ионов Не+, Li2+, Ве3+,... (изоэлектронного ряда, см. выше), называется обычно теорией А. водорода. Методами квантовой механики можно получить точную и полную характеристику состояний электрона в одноэлектронном А. Задача о сложных (многоэлектронных) атомах решается лишь приближённо; при этом исходят из результатов решения задачи об одноэлектронном А.
Уровни энергии А. водорода и водородоподобных ионов. Энергия одноэлектронного А. (без учёта спина электрона) равна
0146640077.tif
целое число n = 1, 2, 3, ... определяет возможные дискретные значения энергии — уровни энергии; его называют главным квантовым числом. R — Ридберга постоянная, равная 13,6 эв. Уровни энергии А. водорода на схеме рис. 1, б построены для Z = 1 согласно формуле (4); они сгущаются (сходятся) к границе ионизации Е = 0, соответствующей n = (уровни энергии с n > 5 на схеме не показаны). Для водородоподобных ионов изменяется (в Z2 раз) лишь масштаб энергий. Энергия ионизации водородоподобного А. (энергия связи электрона в таком А.) равна (в эв)
Еион = E — E1 = RZ2 = 13,6Z2 (5)
что даёт для Н, Не+, Li2+, ... значения 13,6 эв, 54,4 эв, 122,4 эв, ...
Основная формула (4) соответствует выражению U (r) = —Ze2/r для потенциальной энергии электрона, притягиваемого ядром с зарядом +Ze [см. (2) и рис. 1, а для случая Z = 1]. Эта формула была впервые выведена Н. Бором в его теории А. (1913) путём рассмотрения движения электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. Уровням энергии (4) соответствуют орбиты радиуса
anZ = a0n2/Z (6)
где постоянная a0 = 0,529 10—8см = 0,529 — радиус первой круговой орбиты А. водорода, соответствующей его основному уровню (этим боровским радиусом часто пользуются в качестве удобной единицы для измерений длин в атомной физике). Радиус орбит пропорционален квадрату главного квантового числа n2 и обратно пропорционален Z; для водородоподобных ионов масштаб линейных размеров уменьшается в Z раз по сравнению с А. водорода.
Характеристика квантовых состояний атома водорода. Согласно квантовой механике, состояние А. водорода полностью определяется дискретными значениями четырёх физических величин: энергии Е, орбитального момента Ml, (момента количества движения электрона относительно ядра); проекции Mlz орбитального момента на направление z (выбранное произвольно в пространстве); проекции Msz спинового момента (собственного момента количества движения электрона Ms). Возможные значения этих физических величин, в свою очередь, определяются соответствующими квантовыми числами:
1) Е — по закону (4) — главным квантовым числом n =1, 2, 3, ...;
2) Мl — по закону Ml2 = (h2/42)l(l + 1) [при l " 1, Ml2 = (h2/42)l2 — орбитальным (или азимутальным) квантовым числом l = 0,1, 2, ..., n—1;
3) Mlz — по закону Mlz = (h/2)mlz — магнитным орбитальным квантовым числом ml = l, l—1, ..., —l;
4) Msz — по закону Msz = (h/2)ms — магнитным спиновым квантовым числом ms = 1/2, —1/2.
Значения квантовых чисел n, l, ml, ms и характеризуют состояние электрона в А. водорода. Энергия А. водорода зависит только от n, и уровню энергии с заданным n соответствует ряд состояний, отличающихся значениями l, ml и ms. Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать как 1s, 2s, 2p, 3s, ..., где цифры указывают значение n, а буквы s, р, d, f (дальше по латинскому алфавиту) — соответственно значения l = 0, 1, 2, 3, ... При заданных n и l число различных состояний равно 2(2l + 1) — числу комбинаций значений ml и ms (первое принимает 2l + 1 значение, второе — 2 значения). Общее число различных состояний с заданными n и l при учёте, что l может принимать значения от 0 до n—1, получается равным
0174000362.tif
Т. о., каждому уровню энергии А. водорода соответствует 2, 8, 18, ..., 2n2 (при n = 1, 2, 3, ...) различных стационарных квантовых состояний (рис. 2). Если уровню энергии соответствует лишь одно квантовое состояние, то его называют невырожденным, если два или более — вырожденным (см. Вырождение), а число таких состояний g называются степенью или кратностью вырождения (для невырожденных уровней энергии g = 1). Уровни энергии А. водорода являются вырожденными, а их степень вырождения gn = 2n2.
Для различных состояний А. водорода получается и различное распределение электронной плотности. Оно зависит от квантовых чисел n, l и /mi/. При этом электронная плотность для s-cocтояний (l = 0) отлична от нуля в центре, т. е. в месте нахождения ядра, и не зависит от направления (сферически симметрична), а для остальных состояний (l > 0) она равна нулю в центре и зависит от направления. Распределение электронной плотности для состояний А. водорода с n = 1, 2 и 3 показано на рис. 3 (оно получено фотографированием специальных моделей); размеры «электронного облака» растут примерно пропорционально n2(масштаб на рис. 3 уменьшается при переходе от n = 1 к n = 2 и от n = 2 к n = 3), что соответствует увеличению радиуса орбит по формуле (6) в теории Бора.
Квантовые состояния электрона в водородоподобных ионах характеризуются теми же четырьмя квантовыми числами n, l, ml и ms, что и в А. водорода. Сохраняется и распределение электронной плотности, только она увеличивается в Z раз и на рис. 3 масштабы нужно уменьшить также в Z раз. Соответственно уменьшаются и размеры орбит.
Действие внешних полей на уровни энергии атома водорода. Во внешнем электрическом и магнитном полях А. как электрическая система приобретает дополнительную энергию. Электрическое поле поляризует А. — смещает электронное облако относительно ядра, а магнитное поле ориентирует определённым образом магнитный момент А., связанный с движением электрона вокруг ядра (с орбитальным моментом Ml) и его спином. Различным состояниям А. водорода с той же энергией Еn во внешнем поле соответствует различная дополнительная энергия E и вырожденный уровень энергии Еn расщепляется на ряд подуровней (рис. 4). Как расщепление в электрическом поле — Штарка явление (См. Штарка эффект), так и расщепление в магнитном поле — Зеемана явление, для уровней энергии А. водорода пропорциональны напряжённости полей.
К расщеплению уровней энергии приводят и малые магнитные взаимодействия внутри А. Для А. водорода и водородоподобных ионов имеет место спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие спинового и орбитального моментов электрона, не учитываемое при выводе основной формулы (4); оно обусловливает т.н. тонкую структуру уровней энергии — расщепление возбуждённых уровней Еn (при n > 1) на подуровни. Наиболее точные исследования тонкой структуры методами радиоспектроскопии показали наличие т. н. сдвига уровней, объясняемого в квантовой электродинамике.
Для всех уровней энергии А. водорода наблюдается и сверхтонкая структура, обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами. Уровень E1 расщепляется на 2 подуровня с расстоянием между ними примерно 5 10—6 эв.
Электронные оболочки сложных атомов. Теория сложных А., содержащих 2 или более электронов, принципиально отличается от теории А. водорода, т. к. в сложном А. имеются взаимодействующие друг с другом одинаковые частицы — электроны. Взаимное отталкивание электронов в многоэлектронном А. существенно уменьшает прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва единственного электрона в ионе гелия (Не+) равна 54,4 эв, в нейтральном же атоме гелия в результате отталкивания электронов энергия отрыва одного из них уменьшается до 24,6 эв. Для внешних электронов более тяжёлых А. уменьшение прочности их связи из-за отталкивания внутренними электронами ещё более значительно. Чрезвычайно важную роль в сложных А. играют свойства электронов как одинаковых микрочастиц (см. Тождественности принцип), обладающих спином s = 1/2, для которых справедлив Паули принцип. Согласно этому принципу, в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом квантовом состоянии, что для сложного А. приводит к образованию электронных оболочек, заполняющихся строго определёнными числами электронов.
Учитывая неразличимость взаимодействующих между собой электронов, имеет смысл говорить только о квантовых состояниях А. в целом. Однако приближённо можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждый из них совокупностью четырёх квантовых чисел n, l, ml и ms, аналогично электрону в А. водорода. При этом энергия электрона оказывается зависящей не только от n, как в А. водорода, но и от l; от ml; и ms она по-прежнему не зависит. Электроны с данными n и l в сложном А. имеют одинаковую энергию и образуют определённую электронную оболочку; их называют эквивалентными электронами. Такие электроны и образованные ими оболочки обозначают, как и квантовые состояния и уровни энергии с заданными n и l, символами ns, nр, nd, nf, ... (для l = 0, 1, 2, 3 ....) и говорят о 2р-электронах, 3s-oболочках и т. п.
Заполнение электронных оболочек и слоёв. В силу принципа Паули любые 2 электрона в А. должны находиться в различных квантовых состояниях и, следовательно, отличаться хотя бы одним из четырёх квантовых чисел n, l, ml и ms. Для эквивалентных электронов (n и l одинаковы) должны быть различны пары значений mi и ms. Число таких пар равно числу различных квантовых состояний электрона с заданными n иl, т. е. степени вырождения его уровня энергии. Это число gl = 2 (2l + 1) = 2, 6, 10, 14, ... и определяет число электронов, полностью заполняющих данную оболочку. Т. о., s-, р-, d-, f-, ... оболочки заполняются 2, 6, 10, 14, ... электронами, независимо от значения n. Электроны с данным n образуют слой, состоящий из оболочек с l = 0, 1, 2, ..., n—1 и заполняемый 2n2 электронами, т. н. К-, L-, М-, N-, ...слой. При полном заполнении имеем:
------------------------------------------------------------
| n | 1 | 2 | 3 | 4 |
|----------------------------------------------------------|
| Слои | К- | L- | M- | N- |
| | слой | слой | слой | слой |
|----------------------------------------------------------|
| l | 0 | 0 1 | 0 1 | 0 1 |
| | | | 2 | 2 3 |
|----------------------------------------------------------|
| | | | 3s | 4s |
| Оболочки | 1s | 2s | 3p | 4p |
| | | 2p | 3d | 4d |
| | | | | 4f |
|----------------------------------------------------------|
| Число | | | | |
| электронов | 2 | 0167692358.tif | 0184453602.tif | 0173439091.tif |
| в слое | | | | |
------------------------------------------------------------
Наиболее близко к ядру расположен К-слой, затем идёт L-cлой, М-слой, N-cлой, ... В каждом слое оболочки с меньшими l характеризуются большей электронной плотностью вблизи ядра. Прочность связи электрона уменьшается с увеличением n, а при заданном n — с увеличением l; на рис. 5 схематически показаны (без соблюдения масштаба энергий) уровни энергии отдельного электрона в сложном А. Чем слабее связан электрон в соответствующей оболочке, тем выше лежит его уровень энергии. Ядро с заданным Z присоединяет электроны в порядке уменьшения прочности их связи: сначала два электрона 1s, затем два электрона 2s, шесть электронов 2p и т. д. в соответствии со схемой рис. 5. Это определяет электронные конфигурации, т. е. распределения электронов по оболочкам, для ионов и нейтрального А. данного элемента. Например, для азота (Z = 7) получаются электронные конфигурации
0165528759.tif
(число электронов в данной оболочке указывается индексом справа сверху). Такие же электронные конфигурации, как и ионы азота, имеют нейтральные атомы последовательных элементов в периодической системе, обладающие тем же числом электронов: Н, Не, Li, Be, В, С (Z = 1,2,3,4,5,6). Периодичность в свойствах элементов определяется сходством внешних электронных оболочек А. Например, нейтральные А. Р, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) имеют по три р-электрона во внешней электронной оболочке подобно А. N и схожи с ним по химическим и многим физическим свойствам.
При рассмотрении заполнения электронных оболочек необходимо учитывать, что, начиная с n = 4, электроны с меньшим l, но большим n, связываются прочнее, чем электроны с большим l, но меньшим n, например электроны 4s связаны прочнее, чем электроны 3d. Это отражает рис. 5, показывающий расположение уровней энергии, соответствующее действительному порядку (несколько схематизированному) заполнения электронных оболочек для последовательных элементов в периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) Д. И. Менделеева. Числа, стоящие справа у скобок, определяют числа элементов в периодах этой системы, заканчивающихся атомами инертных газов с внешними оболочками типа nр6 (n = 2, 3, 4, 5, 6) для Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Z = 10, 18, 36, 54, 86).
Уровни энергии сложных атомов. Каждый А. характеризуется нормальной электронной конфигурацией, получающейся, когда все электроны в А. связываются наиболее прочно, и возбуждёнными электронными конфигурациями, когда один или несколько электронов связаны более слабо — находятся на более высоких уровнях энергии. Например, для А. гелия наряду с нормальной электронной конфигурацией 1s2 возможны возбуждённые: 1s 2s, 1s 2p, ... (возбуждён один электрон), 2s'2, 2s2p, ... (возбуждены оба электрона). Определённой электронной конфигурации соответствует один уровень энергии А. в целом, если электронные оболочки целиком заполнены (например, нормальная конфигурация А. Ne 1s2 2s2 2p6), и ряд уровней энергии, если имеются частично заполненные оболочки (например, нормальная конфигурация A. N 1s2 2s2 2p3, для которой оболочка 2p заполнена как раз наполовину). При наличии частично заполненных d- и f-oболочек число уровней энергии, соответствующих каждой конфигурации, может достигать многих сотен, так что схема уровней энергии А. с частично заполненными внешними оболочками получается очень сложной. Основным уровнем энергии А. является самый нижний уровень нормальной электронной конфигурации.
Квантовые переходы в атоме. При квантовых переходах А. переходит из одного стационарного состояния в другое — с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии Ei на более низкий Ek А. отдаёт энергию Ei—Ek, при обратном переходе получает её. Как для любой квантовой системы, для А. квантовые переходы могут быть двух типов: с излучением (оптические переходы) и без излучения (безызлучательные или неоптические переходы). Важнейшая характеристика квантового перехода — Вероятность перехода, определяющая, как часто этот переход будет происходить.
Квантовые переходы с излучением. При этих переходах А. поглощает (переход Ek > Ei) или испускает (переход EI > Ek) электромагнитное излучение, например видимый свет, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, СВЧ (микроволновое) излучение. Электромагнитная энергия поглощается и испускается А. в виде кванта света — фотона, характеризуемого определённой частотой колебаний v, согласно соотношению:
Ei—Ek = hv, (8)
где h — постоянная Планка; hv — энергия фотона. Закон (8) представляет собой закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.
А. в основном состоянии может только поглощать фотоны, а А. в возбуждённых состояниях может как поглощать, так и испускать их. Свободный А. в основном состоянии может существовать неограниченно долго; продолжительность пребывания А. в возбуждённом состоянии — время жизни на возбуждённом уровне энергии — ограничена, А. спонтанно, т. е. самопроизвольно, частично или полностью теряет энергию возбуждения, испуская фотон и переходя на более низкий уровень энергии (наряду с таким спонтанным испусканием возможно и вынужденное испускание, происходящее, подобно поглощению, под действием фотонов той же частоты; см. Квантовые переходы). Время жизни возбуждённого А. тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода. Для возбуждённых А. водорода это время порядка 10—8 сек.
Совокупность частот возможных переходов с излучением определяет оптический спектр соответствующего А.: совокупность частот переходов с нижних уровней на верхние — его спектр поглощения, совокупность частот переходов с верхних уровней на нижние — его спектр испускания. Каждому такому переходу соответствует определённая спектральная линия. Для А. водорода, согласно формулам (4) и (8), получаем совокупность спектральных линий с частотами
0118039338.tif
При nk = 1 и nI = 2, 3, 4, 5, ... получается спектральная серия Лаймана (линии L, L., L,...), при nk = 2 и ni= 3, 4,5,... — серия Бальмера (линии Н, H, Н ...), при nk = 3 и nI = 4, 5, ... — серия Пашена (рис. 1, б). Для А. других элементов в соответствии с более сложной схемой уровней энергии получается и более сложный спектр (см. Атомные спектры).
Квантовые переходы без излучения. При этих переходах А. получает или отдаёт энергию при взаимодействии с другими частицами, с которыми он сталкивается в газе или длительно связан в молекуле, жидкости или твёрдом теле. В газе А. можно считать свободным в промежутках времени между столкновениями; во время столкновения (удара) А. может, благодаря кратковременному взаимодействию, перейти на другой уровень энергии. Такое столкновение называется неупругим (в противоположность упругому столкновению, при котором изменяется только кинетическая энергия поступательного движения А., а его внутренняя энергия остаётся неизменной). Важный частный случай — столкновение свободного А. с электроном; обычно электрон движется быстро по сравнению с А., время столкновения очень мало и можно говорить об электронном ударе. Возбуждение А. электронным ударом является одним из методов определения уровней энергии А. Вероятности неупругих столкновений и, в частности, возбуждения А" электронным ударом могут быть рассчитаны методами квантовой механики (см. Столкновения атомные).
Химические и физические свойства атома. Большинство свойств А. определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эв до нескольких десятков эв). Строение внутренних оболочек А., электроны которых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч эв), проявляется лишь при взаимодействиях А. с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен эв.) Такие взаимодействия определяют Рентгеновские спектры А. и рассеяние атомом быстрых частиц (см. Рассеяние микрочастиц, Дифракция частиц). От массы А., определяемой массой его ядра, зависят его механические свойства при движении А. как целого — количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрических моментов А. зависят некоторые тонкие эффекты, проявляющиеся при изучении физических свойств А. (см. Моменты атомных ядер, Ядерный магнитный резонанс, Ядерный квадрупольный резонанс, Сверхтонкая структура).
Свойства атома, определяемые его внешними электронами. Электроны во внешних оболочках А., связанные сравнительно слабо, легко подвергаются внешним воздействиям. При сближении данного А. с другими возникают сильные электростатические взаимодействия (включая т. н. обменные взаимодействия (См. Обменное взаимодействие)), которые могут приводить к возникновению химической связи (См. Химическая связь) А., т. е. к образованию молекулы. В химической связи участвуют электроны внешних оболочек; в случае ковалентной связи (См. Ковалентная связь) эти электроны принадлежат уже не отдельным А., а образовавшейся молекуле в целом, и входят в состав её молекулярных электронных оболочек. Т. о., внешние электроны А. определяют его химические свойства.
Более слабые электростатические взаимодействия двух А. проявляются в их взаимной поляризации — смещении электронов относительно ядер, наиболее сильном для слабо связанных внешних электронов (см. Поляризация частиц). Возникают поляризационные силы притяжения между А., которые надо учитывать уже на больших расстояниях между ними (см. Межмолекулярное взаимодействие). Поляризация А. происходит и во внешних электрических полях; в результате уровни энергии А. смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни энергии расщепляются (поляризация различна для различных квантовых состояний А., соответствующих той же его энергии) — имеет место Штарка явление (См. Штарка эффект). Поляризация А. может возникнуть под действием электрического поля световой (электромагнитной) волны; она зависит от частоты света, что обусловливает зависимость от неё и показателя преломления (см. Дисперсия света), связанного со способностью А. поляризоваться — с поляризуемостью А. (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул (См. Поляризуемость)). Тесная связь оптических характеристик А. с его электрическими свойствами особенно ярко проявляется в его оптических спектрах.
Внешними электронами определяются и магнитные свойства А. Они схожи для элементов с аналогичными внешними электронными оболочками А. Магнитный момент А. зависит от его механического момента (см. Магнитомеханическое отношение), в А. с полностью заполненными электронными оболочками он равен нулю, так же как и механический момент. При наличии частично заполненных внешних электронных оболочек магнитные моменты А., как правило, постоянны, и А. являются парамагнитными (см. Парамагнетизм). Во внешнем магнитном поле все уровни А., у которых магнитный момент не равен нулю, расщепляются (см. Зеемана явление). Все А. обладают Диамагнетизмом, который обусловлен возникновением у них магнитного момента под действием магнитного поля (т. н. индуцированного магнитного момента, аналогичного электрическому дипольному моменту А.).
Свойства ионизованного атома. При последовательной ионизации А., т. е. при отрыве его электронов, начиная с самых внешних, в порядке увеличения прочности их связи (рис. 5), соответственно изменяются все свойства А., определяемые его внешней оболочкой. Внешними становятся все более прочно связанные электроны; в результате сильно уменьшается способность А. поляризоваться в электрическое поле, увеличиваются расстояния между уровнями энергии и частоты оптических переходов между этими уровнями (что приводит к смещению спектров в сторону всё более коротких длин волн). Ряд свойств обнаруживает периодичность: сходными оказываются свойства ионов с аналогичными внешними электронами, например N7+ и N3+ (один и два электрона 2s) обнаруживают сходство с N6+ и N5+ (один и два электрона 1s). Это относится к характеристикам и относительному расположению уровней энергии и к оптическим спектрам, к магнитным моментам А. и т. д. Наиболее резкое изменение свойств происходит при удалении последнего электрона из внешней оболочки, когда остаются лишь полностью заполненные оболочки; например при переходе от N4+ к N5+ (электронные конфигурации 1s22s и 1s2). В этом случае ион наиболее устойчив и его полный механический и полный магнитный моменты равны нулю. Особенно устойчивы, помимо ионов с электронной конфигурацией 1s2, ионы с полностью заполненной внешней оболочкой nр(n = 2, 3, 4, ...).
Свойства связанных атомов. Свойства А., находящегося в связанном состоянии, например входящего в состав молекулы, отличаются от свойств свободного А. Наибольшие изменения претерпевают свойства А., определяемые самыми внешними электронами, принимающими участие в присоединении данного А. к другому. Вместе с тем свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут практически не измениться, как это имеет место для рентгеновских спектров. Некоторые свойства А. могут испытывать сравнительно небольшие изменения, по которым можно получить информацию о характере взаимодействий связанных А. Важным примером может служить расщепление уровней энергии А. в кристаллах (См. Кристаллы) и комплексных соединениях (См. Комплексные соединения), которое происходит под действием электрических полей, создаваемых окружающими ионами (см. Кристаллического поля теория (См. Кристаллическое поле)).
Лит. см. при ст. Атомная физика.
М. А. Ельяшевич.
0206263567.tif
Рис. 1. Энергия атома водорода: а — возможные значения полной энергии E1, E2, E3, ... (горизонтальные линии) и график потенциальной энергии (жирная кривая; точками показаны значения rmax при Е = E1, E2, E3 ,...); б — схема уровней энергии (горизонтальные линии) и оптических квантовых переходов (вертикальные линии). Заштрихованная область (Е > 0) соответствует свободному состоянию электрона.
0259581869.tif
Рис. 2. Возможные состояния атома водорода при значениях n = 1, 2, 3. Графически показаны ориентации орбитального и спинового моментов.
0262780087.tif
Рис. 3. Расщепление уровня энергии во внешнем магнитном поле.
0247357226.tif
Рис. 4. Последовательность заполнения уровней энергии отдельного электрона в сложном атоме. Справа даны числа заполнения оболочек.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| (от греч. atomos - неделимый), наименьшая возможная частица любого
из простейших химических веществ, называемых элементами. Понятие атома,
как и само слово, - древнегреческого происхождения, но только в 20 в.
истинность атомной гипотезы была твердо установлена. Основная идея,
остававшаяся привлекательной для научного и поэтического воображения во
все века, состоит в том, что за непрерывными изменениями наблюдаемого мира
кроется некий неизменный мир. Этот мир прост, ибо каждый из атомов в
точности тождествен всем остальным атомам того же рода, обладает
сравнительно простой структурой и существовал от начала времен. Эти идеи с
некоторыми оговорками можно рассматривать как концентрированное выражение
самой сути даже абстрактной и изощренной современной теории. Подобно самим
атомам, они являются наиболее стойкими из всех идей античной науки.
См. также <<ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ>>.
По-видимому, первыми начали проповедовать атомистическое учение философ
Левкипп с острова Милет в 5 в. до н.э. и его более известный ученик
Демокрит из Абдеры. И хотя их работы не сохранились, за исключением
отдельных фрагментов, все же ясно, что они исходили из небольшого числа
простых физических гипотез, а соображения, которые их привели к этим
гипотезам, были достаточно абстрактными. По Демокриту, вся природа состоит
из атомов, мельчайших частиц вещества, покоящихся или движущихся в
абсолютно пустом пространстве. Все атомы имеют простую форму, а атомы
одного сорта тождественны; разнообразие природы отражает разнообразие форм
атомов и разнообразие способов, которыми атомы могут сцепляться между
собой. И Демокрит, и Левкипп учили, что, начав двигаться, атомы затем
движутся по законам природы. Эта мысль, если ее последовательно
придерживаться, приводит к строго детерминистскому взгляду на природу, в
которой случай и свобода воли не играют никакой роли, хотя нет никаких
документальных подтверждений того, что основатели атомистической теории
доходили до такого вывода.
Наиболее трудным для древних греков был вопрос о физической реальности
основных понятий атомизма. В каком смысле можно было говорить о реальности
пустоты, если она, лишенная вещества, не может обладать никакими
физическими свойствами? Ответ Левкиппа был безоговорочен: "то, что есть
, не более реально, чем то, чего нет ".
Аристотель и многие другие находили это утверждение логически
неприемлемым. Идеи Левкиппа и Демокрита не могли служить
удовлетворительной основой теории вещества и в принципиальном физическом
плане, поскольку не объясняли, ни из чего сделаны атомы, ни почему атомы
неделимы. В "Тимее", написанном через поколение после Демокрита, Платон
предложил чисто платоново решение этих проблем: "мельчайшие частицы" (из
осторожности он не называл их атомами) принадлежат не царству материи, а
царству геометрии; они представляют собой различные телесные
геометрические фигуры, ограниченные плоскими треугольниками. Хотя
платоново решение может показаться метафизической уверткой, попыткой
избежать ответа на физический вопрос, Платон, как увидим, с его
поразительным чутьем на научный факт подошел к современным идеям гораздо
ближе, чем Демокрит.
Через тысячу лет умозрительные построения древних греков проникли в Индию
и были восприняты некоторыми школами индийской философии, правда, с одной
характерной и важной поправкой. В западной философии вплоть до конца 1920-
х годов считалось, что атомистическая теория должна стать конкретной,
объективной основой теории материального мира. Индийская же философия
всегда воспринимала объективный материальный мир как иллюзию, и когда
атомизм появился в Индии, он принял форму теории, согласно которой
реальностью в мире обладает процесс, а не субстанция, что мы присутствуем
в мире как звенья процесса, а не как сгустки вещества, и что
атомистическими являются именно процессы, особенно порождающие наши
ощущения. Хотя для западного ума воспринимать индийские тексты, понимать
их и тем более соглашаться с тем, что в них написано, - занятие трудное,
все же, как мы увидим, восточные идеи содержат в себе зародыши
современного научного образа мыслей. Как бы то ни было, и Платон, и
индийские философы имели ответы на центральный вопрос атомистического
учения Демокрита: если природа в конечном счете состоит из мельчайших, но
имеющих конечные размеры частиц, то почему их нельзя разделить, по крайней
мере мысленно, на еще более мелкие части, которые стали бы предметами
дальнейшего рассмотрения? Ответ в обоих случаях гласил, что атомистическая
реальность не лежит в царстве обычной субстанции. Минули многие века,
прежде чем эти альтернативы стало возможно исследовать научными
средствами. Но и сегодня мы имеем довольно туманные представления о том,
каковы должны быть характер и содержание удовлетворительной теории
материи.
Идеи Демокрита дошли до нас главным образом через сочинение римского поэта
Тита Лукреция Кара (ок. 96 - 55 до н.э.) - обширную поэму О природе вещей
(De rerum natura), содержательно и красочно повествующую о происхождении и
природе земных вещей. Лукреций подробно излагает атомистическую теорию,
дошедшую до него от Левкиппа и Демокрита через учение Эпикура Самосского
(ок. 341-270 до н.э.). Он выстраивает факты, свидетельствующие в пользу
атомистической теории; ветер, дующий с огромной силой, хотя никто не может
видеть его, должно быть, состоит из частиц, слишком малых для того, чтобы
их можно было видеть. Мы можем ощущать вещи на расстоянии по запахам,
звукам и теплу, хотя все это распространяется, оставаясь невидимым. Для
примера Лукреций говорит об одежде, впитывающей влагу на морском берегу у
самой воды:
"И... на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;
Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,
Да и не видно того, как она исчезает от зноя.
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза."
(Пер. Ф.Петровского, кн. 1, 300-310.)
И хотя сегодня обычно никто не мыслит звук и тепло как состоящие из
атомов, другие примеры, приводимые Лукрецием, и с современной точки зрения
служат вполне приемлемым подтверждением гипотезы существования атомов.
Лукреций связывает свойства вещей со свойствами составляющих их атомов:
атомы жидкости малы и округлы, поэтому жидкость течет так легко и
проникает сквозь пористое вещество, тогда как атомы твердых веществ имеют
крючки, которыми они сцеплены между собой. Точно так же различные вкусовые
ощущения и звуки различной громкости и тембра состоят из атомов
соответствующих форм - от простых и гармоничных до извилистых и
нерегулярных.
Лукреций, один из немногих римлян, питавших интерес к чистой науке, был к
тому же первым из великих римских поэтов. Но его идеи, как и идеи его
учителя Эпикура, допускают интерпретацию, которую можно было бы назвать
материалистической: например, представление о том, что Бог, запустив
единожды атомный механизм, более не вмешивается в его работу или что душа
умирает вместе с телом. Поэтому учения Лукреция и Эпикура были осуждены
церковью и оставались почти неизвестными в средние века. Никаких известных
рукописей Лукреция, датированных 9-15 вв., не сохранилось, а те немногие
фрагменты атомистической философии, которые дошли до нас с того времени,
скорее всего представляют плод собственных умозаключений средневековых
мыслителей, опирающихся на туманную традицию.
В конце 16 в. итальянский философ Дж. Бруно (ок. 1548-1600) странствовал
по Европе, проповедуя картину мироздания, в основе которой лежали взгляды
Коперника и Лукреция. В обществе, все еще находившемся под сильным
влиянием церкви, проповеди Бруно звучали необычайно новаторски и дерзко, и
Бруно был приговорен к сожжению на костре. Однако его взгляды не оказали
большого влияния на современную науку. Что же касается атомов Бруно, то
они имели мало общего с атомами Лукреция, представляя собой философские
абстракции, более напоминающие монады Лейбница.
Некоторые из первых атомистических представлений, носящих уже современную
окраску, появились в сочинении Галилея (1564-1642) Пробирных дел мастер
(Il Saggiatore, 1623). Переход был кратким, но явственно ощутимым:
вещество состоит из частиц, которые не пребывают в состоянии покоя, а под
воздействием тепла движутся во все стороны; тепло - не что иное, как
движение частиц. Структура частиц сложна, и если лишить любую частицу ее
материальной оболочки, то изнутри брызнет свет. Галилей был первым, кто,
хотя и в фантастической форме, представил строение атома, и первым, кто
интуитивно угадал важную связь между теориями света и атома, - связь,
давшую много открытий в 20 в.
См. также <<СВЕТ>>.
Относительным забвением сочинений Лукреция, возможно, объясняется, почему
Лукрецию уделялось мало внимания как в эпоху Возрождения. Но есть еще одна
причина, связанная с утверждением более высокого стандарта знания. Древние
не оставили нам в наследство никакого учения о том, что представляют собой
атомы, а с пробуждением интереса к этому предмету данный вопрос приобрел
первостепенное значение. Первые сведения о свойствах отдельных атомов были
почерпнуты из химических опытов в начале 18 в.
В античности широкое хождение имела теория, традиционно приписываемая
Эмпедоклу (492-432 до н.э.), согласно которой вся материя в конечном счете
сводится к четырем элементам (земле, воздуху, огню и воде), смешанным в
разных пропорциях. Но такая теория отнюдь не была химической; элементы в
античности были придуманы для объяснения таких физических свойств, как
влажность и сухость, тепло и холод, стремление к подъему и падению. Никто
никогда не рассматривал всерьез возможность того, что существуют только
четыре разновидности атомов. Античное представление об атоме, когда его
удалось сформулировать явно со всеми подробностями, оказалось более
близким нашему представлению о молекуле, ибо в древности предполагалось,
что каждое вещество с его особыми свойствами состоит из атомов своего
вида.
В средние века алхимики (бывшие почти единственными представителями той
категории людей, которых ныне называли бы чистыми учеными) правильно
идентифицировали такие химические элементы, как сера и ртуть, и ошибочно
некоторые другие. Но атомистическая теория в мышлении алхимиков занимала
весьма незначительное место, оставаясь в основном достоянием философов.
Научные основы. Научные основы современной атомистической теории
были заложены к середине 17 в.; возрождением и распространением
эпикурейской философии активно занимался П.Гассенди (1592-1655) в
институте Коллеж-де-Франс. В 1758 итальянский иезуит Р.Боскович (1711-
1787) высказал плодотворную идею, согласно которой каждый из атомов
испытывает со стороны других атомов силы двух типов: короткодействующую
силу притяжения (половинки сломанной палки уже не притягивают друг друга)
и еще более короткодействующую и более интенсивную силу отталкивания
(большинство твердых тел сопротивляется сжатию сильнее, чем растяжению).
Между тем в 1738 швейцарский математик и физик Д.Бернулли (1700-1782)
использовал атомистическую теорию для объяснения одного из известных
свойств газов: если газ сжимать при постоянной температуре, то его
давление Р повышается, а объем V уменьшается, причем так, что произведение
PV остается постоянным. В своих рассуждениях Бернулли исходил из того, что
атомы газа очень малы, что они очень быстро и хаотически движутся и что
давление газа есть следствие многочисленных очень слабых ударов атомов о
стенки сосуда. Доказательство Бернулли сегодня можно было бы
усовершенствовать, но его основные идеи остались бы неизменными.
См. также <<МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ>>.
Величайший ученый той эпохи И. Ньютон (1643-1727) проявлял живой интерес к
атомной гипотезе, хотя разработкой детальной атомистической теории не
занимался. На первый взгляд это кажется удивительным, но не следует
забывать, что Ньютон обладал необычайно развитой интуицией, позволявшей
ему безошибочно выбирать то, что наиболее существенно и чем в науке
надлежит в первую очередь заниматься. Ньютон несомненно сознавал, что без
качественного улучшения экспериментальной техники физический подход в
атомистике (в отличие от химического) позволит получить лишь скудные и
разрозненные обрывки знаний. К концу жизни он резюмировал свои взгляды в
следующем отрывке из четвертого издания "Оптики" (Optics, 1730):
"При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог
вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных
частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в
отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для
которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми,
несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них,
настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в
куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог
при первом творении. Так как частицы продолжают оставаться целыми, они
могут составлять тела той же природы и сложения на века. Если бы они
изнашивались или разбивались на куски, то природа вещей, зависящая от них,
изменялась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и их
обломков, не имели бы той же природы и строения теперь, как вода и земля,
составленные из целых частиц вначале. Поэтому природа их должна быть
постоянной, изменения телесных вещей должны проявляться только в различных
разделениях и новых сочетаниях частиц; сложные тела могут разбиваться не в
середине твердых частиц, но там, где эти частицы расположены рядом и
только касаются в немногих точках".
(Пер. С.И.Вавилова)
Многое здесь заимствовано из учения Лукреция, но есть одно важное отличие:
если Лукреций и его предшественники объясняли сцепление между атомами
крючками и другими особенностями внешней формы атомов, то Ньютон, следуя
Гассенди, объясняет сцепление силами взаимного притяжения, аналогичными в
общих чертах гравитации, но гораздо более интенсивными. Ньютон высказал
также гипотезу о корпускулярной природе света. И хотя эти взгляды Ньютона
полностью согласуются с современными представлениями, его аргументы по
существу были ложными. Тем не менее интуиция, которая привела Ньютона к
размышлениям о материи и свете как о взаимосвязанных сущностях и к
осознанию того, что если одна из этих сущностей имеет корпускулярную
природу, то и другая тоже должна состоять из корпускул, по праву может
считаться примером высочайшего взлета научной интуиции. Связав воедино
"атомы Демокрита и корпускулы света Ньютона", У.Блейк, отнюдь не бывший
поклонником ньютоновской науки, проник в ее логику глубже, чем многие
дружественно настроенные оппоненты.
Систематическое развитие точных знаний об атомах началось в химии и, можно
сказать, с работы Р.Бойля (1627-1691) Скептический химик (Sceptical
Chymist, 1661). Бойлю мы обязаны осознанием важной роли химических
элементов, "некоторых первообразных и простых, или совершенно не
смешанных, тел, которые не состоят ни из каких других тел или друг из
друга, но служат ингредиентами, из которых состоит все, что принято
называть идеально смешанными телами, и на которые эти тела могут быть
разложены в конечном счете".
В работе Бойля впервые в истории химии была сформулирована программа -
систематическая идентификация элементов и анализ соединений, и через
полстолетия Дж.Дальтон (1766-1844) в Новой системе химической философии (A
New System of Chemical Philosophy, 1808-1827) изложил общую атомистическую
теорию химии, во многом соответствующую современным представлениям. В
теории Дальтона считалось, что всякое чистое химическое соединение состоит
из одинаковых молекул. (Как мы уже отмечали, эти молекулы до некоторой
степени соответствуют атомам древнегреческих философов.) Каждая молекула
состоит из атомов определенных химических элементов, но физические
свойства соединений, как правило, имеют мало общего со свойствами
составляющих их элементов. В работе Дальтона связь между традиционными
представлениями об атоме и элементе была сформулирована явно.
Постепенное накопление химических знаний и усовершенствование техники
эксперимента в 18 и 19 вв. привели к получению и исследованию
многочисленных образцов, состоящих из самых различных атомов, известных
ныне; но свойства атомов как индивидуальных объектов практически не были
известны. Все, что можно было получить, сводилось к грубым оценкам масс и
размеров атомов (первые - в интервале 10-24-10-22 г, вторые - порядка 10-8
см; первая хорошая оценка размеров молекул была получена в 1805 Т.Юнгом
(1773-1829) на основе молекулярной теории капиллярного притяжения). Почти
невообразимую малость этих размеров можно проиллюстрировать следующим
примером. Если бы молекулы одного грамма воды можно было каким-нибудь
способом пометить, а затем размешать во всей воде, имеющейся на земном
шаре, то каждый грамм воды содержал бы несколько десятков меченых молекул.
Непостижимо малые величины и сугубо косвенные аргументы были способны
убедить лишь тех, кто и без того был убежден в правильности атомно-
молекулярной теории, и еще в 1900 такие выдающиеся консерваторы, как физик
Э.Мах (1838-1916) и химик В.Оствальд (1853-1932), могли отрицать, что
атомистическая гипотеза отвечает некоей реальной истине. Решающий аргумент
пришел с совершенно неожиданной стороны, когда в 1905 молодой немецкий
физик А.Эйнштейн (1879-1955) показал, что наблюдаемые количественные
особенности лабораторного курьеза, известного под названием броуновского
движения, могут быть полностью объяснены атомной теорией.
Броуновское движение наблюдается, когда взвешенный в воде или воздухе
очень тонкий (мелкодисперсный) порошок (например, цветочная пыльца)
рассматривается в микроскоп. Частицы порошка "пляшут", совершая
хаотические движения, что объясняется столкновениями частиц с молекулами
среды. Как показал Эйнштейн, в действительности картина не столь проста;
даже микроскопическая частица порошка столь велика, что за секунду
успевает претерпеть миллионы столкновений с молекулами среды, и
наблюдаемая картина в действительности представляет собой статистические
флуктуации усредненной силы, действующей на частицы при столкновениях с
молекулами. Тем не менее явление в целом поддается теоретическому анализу.
Было показано, что формулы Эйнштейна, выведенные на основе атомистической
теории, полностью соответствуют действительности. Особая важность
броуновского движения заключается в том, что оно представляет собой один
из редких случаев, когда наблюдаемый мир пересекается с атомным миром и
характерный атомный процесс становится непосредственно или почти
непосредственно доступным органам чувств. Понадобилось много лет, чтобы
открыть такое явление, но вскоре после того, как его возможность была
осознана, были открыты другие сходные явления и сторонники атомистической
теории получили целый ряд убедительных, прямых и согласующихся между собой
доказательств правильности атомистической теории. Такие приборы, как
сцинтилляционный детектор, счетчик Гейгера - Мюллера, камера Вильсона,
разными способами решают проблему наблюдаемости явлений на уровне атомных
масштабов.
См. также
<<ХИМИЯ КОЛЛОИДНАЯ>>;
<<ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ>>.
Следует также упомянуть об экспериментальных результатах спектрального
анализа света. Было установлено, что если атомы газа бомбардировать быстро
движущимися частицами, то они испускают свет определенной длины волны
(явление, аналогичное возбуждению гармонических тонов в музыке, но гораздо
более сложное). Определенность и неизменность строения спектров атомов
говорит о том, что спектры должны отражать какое-то характерное поведение
атомов при столкновениях. Детальная информация о спектрах дает возможность
экспериментально проверить любую теорию строения атома, которая только
может возникнуть.
См. также <<СПЕКТРОСКОПИЯ>>.
Проблемы интерпретации. До 1911 не было выдвинуто ни одной
логически последовательной, непротиворечивой теории строения атома. Но в
1911 Э.Резерфорд (1871-1937) провел в Кавендишской лаборатории
Кембриджского университета эксперименты, которые со всей определенностью
показали, что атом в какой-то мере напоминает миниатюрную солнечную
систему: его основная масса сосредоточена в положительно заряженном ядре,
вокруг которого обращаются электроны, образуя облако очень малой массы. Не
прошло и года, как Н.Бор (1885-1962), прибывший тогда из Дании к
Резерфорду в качестве стажера, показал, как можно было бы модифицировать
ньютоновскую механику, чтобы с приемлемой точностью количественно
объяснить спектр водорода, простейшего из атомов.
См. также <<АТОМА СТРОЕНИЕ>>.
Согласно модели Резерфорда и Бора, атом водорода состоит из тяжелого
положительно заряженного ядра (называемого протоном) и примерно в 1840 раз
более легкого и отрицательно заряженного электрона, движущегося вокруг
ядра по круговой или эллиптической орбите. И протон, и электрон
рассматривались как почти не имеющие размеров, как материальные точки,
удерживаемые вместе силой притяжения разноименных электрических зарядов.
Примененная к такой системе ньютоновская механика утверждает, что при
соответствующим образом выбранной начальной энергии атом может иметь любые
размеры. Но атомы водорода имеют вполне определенные размеры - порядка 10-
8 см в диаметре. Бор ясно понимал, что законы Ньютона не могут объяснить
устойчивости такой системы, как атом; действительно, из численных констант
теории - масс и зарядов ядра и электрона - невозможно образовать величину,
имеющую размерность длины как характерного размера атома. Но такую
величину можно построить, если дополнить законы механики постоянной Планка
h, которая входит в формулы, описывающие некоторые оптические явления в
микроскопическом масштабе. Величины h, e и me имеют следующие значения и
размерности:
Здесь me - масса электрона, масса протона mp = 1,67*10 -24 г. Из этих
констант можно составить единственно возможную комбинацию с размерностью
длины h2/mee2. Бор показал, что постоянную Планка h нужно ввести в атомную
механику, потребовав, чтобы момент импульса электрона, обращающегося
вокруг ядра, был равен целому кратному числа h/2p, и что в таком случае
теория могла бы воспроизвести все основные свойства атома водорода.
Как показали вычисления, диаметр атома водорода равен:
(1/2p2)(h2/mee2) = 1,058*10 -8 см,
что согласуется с экспериментом. Кроме того, была выведена формула для
наблюдаемых в спектре водорода линий, тоже великолепно согласующаяся со
всеми экспериментальными данными.
Идеи Бора позволили не только количественно подтвердить механику атома
водорода, но и заложить первые ясные основы теории, исходя из
фундаментальных физических принципов. При определенных дополнительных
допущениях теория Бора позволила объяснить, по крайней мере в общих
чертах, почему каждый элемент обладает характерными химическими и
физическими свойствами.
К 1925 возникла весьма любопытная ситуация. Теория Бора была расширена и
углублена, что позволило хотя бы качественно объяснить ряд атомных и
радиационных явлений и принять во внимание различные модификации
простейшей модели. Кроме того, включение в теорию крайне важного открытия,
сделанного в 1925 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (они показали, что,
обращаясь вокруг ядра, электрон одновременно имеет собственный момент,
позволило сделать первые шаги в понимании тех сложных изменений, которые
претерпевает спектр атома в сильном магнитном поле. Вместе с тем 13 лет
развития, начиная с 1911, не дали даже намека на решение некоторых
казавшихся элементарными вопросов. Например, остались загадкой строение и
спектр гелия, атом которого отличается от атома водорода лишь тем, что
вокруг его ядра движутся два электрона. Кроме того, никто не мог привести
более глубокого обоснования постулатов и правил Бора, если не считать
констатации того, что они часто дают правильный ответ. Но в течение
следующих двух лет после 1925 новые фундаментальные идеи позволили
существенно прояснить ситуацию.
Эти идеи воплотились в теории, называемой ныне квантовой механикой.
Подробнее с ней можно ознакомиться в статье КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ; мы же
упомянем здесь лишь о том, что теория относительности показала
неадекватность прежних интуитивных представлений о времени и пространстве,
а квантовая механика убедительно продемонстрировала необходимость
пересмотра распространенных представлений классической механики. Причиной
пересмотра стал вывод, доминировавший на протяжении всей истории
атомистических теорий: обычные человеческие органы чувств не дают
надлежащей основы для понимания явлений, происходящих в микроскопических
масштабах. Весь наш опыт познания механических явлений имеет дело с
макроскопическими совокупностями атомов, в которых свойства отдельных
атомов как таковые не проявляются, а потому не нужно удивляться, что такие
понятия, как местоположение, движение и т.д., выведенные из обычного опыта
(осмысленные в структуре ньютоновской механики), просто не подходят для
обсуждения проблем атомных явлений. Новая теория, развитая независимо Л.де
Бройлем (1923) и Э.Шредингером (1926), с одной стороны, и В.Гейзенбергом и
М.Борном (1925) - с другой, и расширенная затем П.Дираком, В.Паули и
многими другими учеными, по праву стала считаться шедевром теоретической
физики нашего века, шедевром, по глубине мысли и широте своих далеко
идущих следствий превосходящим даже теорию относительности. Внутренняя
непротиворечивость квантовой механики и ее взаимосвязь с другими
направлениями теоретической физики были основательно осмыслены Н.Бором.
Эти проблемы занимали его до конца жизни.
Квантовая механика почти сразу же ответила на все вопросы старой теории
Бора: было показано, что постулированные им правила с необходимостью
следуют из новой теории; удалось разобраться в строении гелия и более
сложных атомов; оказалось, что спин (собственный момент) частиц на
удивление просто связан с ее соответствующей релятивистской формулировкой.
Кроме того, по сути впервые стало возможным объяснить природу химических
сил, т.е. причину, по которой два или более атомов оказываются тесно
связанными (образуя молекулу, обладающую свойствами, отличными от свойств
любого из образующих ее атомов). Разумеется, это не означает, будто в
указанной области не осталось нерешенных вопросов, ибо новые законы не
могут объяснить сами себя; их объяснение - дело будущей теории.
Теория де Бройля началась с загадки двойственной природы света. Если одни
многочисленные эксперименты, проводимые с 1800, убедительно доказали, что
свет распространяется в пространстве в виде волн, то другие, выполненные
более чем сто лет спустя, столь же убедительно продемонстрировали, что в
некоторых ситуациях луч света ведет себя как пучок частиц. Точное
соответствие между волновыми и корпускулярными свойствами пучка света было
установлено в работах А.Эйнштейна, А.Комптона и других ученых, показавших,
что световая волна с частотой n и длиной волны l взаимодействует с
веществом так, как если бы свет состоял из частиц (называемых фотонами,
или квантами) с энергией
и импульсом
где h - постоянная Планка. Известно, что величины n и l для света связаны
между собой соотношением
где с - скорость света; из равенства (3) следует , что
Таким образом, это соотношение между энергией и импульсом, уже известное
из теории электромагнитного излучения Максвелла и применимое к пучку
света, рассматриваемому как целое, с самого начала включено в теорию
отдельных квантов. См. также СВЕТ.
Де Бройль усмотрел в двойственной природе света возможность объединить
физические представления о свете и веществе. Вещество, в конечном счете,
состоит из частиц. Но если свет тоже проявляет себя как частицы, то нельзя
ли предположить, что при определенных обстоятельствах и вещество должно
вести себя как волны? Отталкиваясь от релятивистского аргумента, который
мы не будем здесь воспроизводить, де Бройль решил сохранить соотношения
(1) и (2), заменив, однако, для свободных частиц формулу (4) соотношением
между кинетической энергией и импульсом для частиц с массой m:
Новое соотношение между частотой и длиной волны имеет вид
В заключение своей первой статьи де Бройль высказал предположение, что
если его гипотеза верна, то соответствующие эксперименты должны обнаружить
волновые явления интерференции и дифракции для вещества, аналогичные таким
же явлениям для света.
Теория де Бройля сразу же указала на физическую подоплеку постулата Бора о
моменте импульса. Предположим, что электрон движется вокруг ядра по
орбите, на которой укладывается ровно n полных длин волн (рис. 1). Если
орбита имеет форму окружности радиусом а, то это означает, что
вдоль круговой орбиты. Орбита показана тонкой линией, n - число полных
волн, укладывающихся вдоль нее.
2pa = nl (n = 1, 2, 3,...)
или, с учетом (1),
2pa = nh /p.
Преобразуя последнее соотношение, приведем его к виду
Величина, стоящая в левой части равенства (7), есть не что иное, как
орбитальный момент импульса электрона; следовательно, равенство (7) -
математическое выражение гипотезы Бора.
Экспериментально гипотеза де Бройля была проверена в опытах (1927) Дж. П.
Томсона в Англии и К.Дэвиссона и Л.Джермера в США. В этих экспериментах
пучок электронов дифрагировал на кристаллическом веществе, что позволило
непосредственно измерить длину волны электрона как функцию его импульса и
тем самым проверить соотношение p = h /l. В следующие несколько лет были
проведены другие эксперименты, показавшие, что волновыми свойствами
обладают не только электроны, но и нейтроны и даже целые атомы. В
результате блестящая догадка де Бройля получила убедительное, более чем
достаточное подтверждение.
Современная точка зрения. У работы де Бройля, несмотря на ее
достоинства, был один весьма серьезный недостаток. Традиционные теории
света и вещества имели значительный успех потому, что в их основе лежали
уравнения движения - особые системы дифференциальных уравнений, с помощью
которых по состоянию в данный момент можно определить ее будущее
состояние. Простые правила де Бройля не ведут непосредственно к таким
уравнениям, равно как и умалчивают о том, какого рода волна обладает
свойствами, определяемыми соотношениями (1) и (6). Уравнения движения были
выведены почти одновременно Шредингером, работавшим над обобщением теории
де Бройля, и Гейзенбергом, который совершенно независимо пытался придать
всей квантовой механике более абстрактную форму, чтобы можно было
сохранить существенные элементы и опустить все необоснованные
экстраполяции нашего повседневного опыта в мир микроскопических явлений.
Теории Гейзенберга и Шредингера, внешне очень различные, оказались лишь
разными математическими способами выражения одних и тех же законов, дав
возможность написать уравнения движения, из которых затем было выведено
количественное подтверждение многих известных атомных явлений.
Следующим шагом в развитии квантовой механики стало осознание ее
существенно статистического характера. Еще в 1924 Эйнштейн высказал
предположение о том, что волны де Бройля могут быть в некотором смысле
волнами вероятности. Через два года М.Борн, учитель и сотрудник
Гейзенберга, нашел точное и общее аналитическое выражение этой мысли.
Шредингер ввел греческую букву y (пси) для обозначения "волновой функции"
- зависящей от координат и времени переменной, которая в определенных
ситуациях носит простой колебательный характер, т.е. представляет собой
волну, удовлетворяющую соотношениям (1) и (6). Функция y в общем случае
комплекснозначная, и поэтому было трудно понять, каков ее физический
смысл. Борн постулировал, что наблюдаемой величиной является не функция y,
а величина |y|2, т.е. произведение функции на комплексно-сопряженную
величину, а численное значение |y|2 в какой-либо точке пропорционально
вероятности найти частицу в этой точке, если мы попытаемся там ее
обнаружить.
Гипотеза Борна при всей ее простоте и, казалось бы, правильности
поставила, однако, больше вопросов, чем помогла решить. Дело в том, что
если теория не может дать определенного ответа, а вынуждена в некоторых
случаях ограничиться указанием вероятности события, то создается
впечатление, что она в каком-то смысле является всего лишь приближением к
некоторой более фундаментальной теории, позволяющей делать точные
предсказания. Но разве главная задача теоретической физики не заключается
в создании такой теории?
В 1927 Гейзенберг дал совершенно неожиданный ответ на такую критику
квантовой теории. Путем простых рассуждений, основанных на анализе
некоторых особых экспериментальных ситуаций, он показал, что точные
измерения не всегда возможны даже в принципе и что эта существенная
неизбежная неопределенность точнейшим образом отражается в вероятностной
структуре квантовой механики. Лучше понять, в чем здесь дело, позволяет
конкретный пример, впервые приведенный Бором. Согласно квантовой механике,
при одновременном указании положения и импульса частицы существует
некоторая неопределенность, выражаемая формулой
где Dр и Dх - неопределенности в импульсе р частицы и ее координате х,
измеряемой в направлении движения. Бор проделал мысленный эксперимент по
определению величин х и р с помощью микроскопа. Хорошо известно, что
изображение в микроскопе неизбежно в какой-то мере расплывчато из-за
дифракции света в линзах, а это приводит к неопределенности Dх в
измеренном положении частицы. Однако эту неопределенность можно уменьшить,
если использовать свет с меньшей длиной волны, поскольку тогда изображение
становится более четким. Но возникает новая трудность: в силу соотношения
(2) у кванта света с меньшей длиной волны больше импульс, и даже если
измерению подлежит только один квант, сталкивающийся с частицей, то это
столкновение вносит существенную неопределенность в импульс, коль скоро
положение точно измерено. Вычисляя неопределенности, нетрудно убедиться в
том, что они удовлетворяют неравенству (8), и, таким образом, чем точнее
выполняется измерение одной величины, тем бльшая неопределенность вносится
в данные о другой.
Подкрепленное многими другими аналогичными рассуждениями, подтвержденное
опытом и не имеющее ни одного "контрпримера", соотношение
неопределенностей Гейзенберга представляет собой закон природы, который
существует совершенно независимо от теории, способствовавшей его открытию.
Взгляды Гейзенберга и Бора на природу физического мира, открывшуюся в
законах квантовой механики, привели к согласованной картине
взаимоотношений теории и эксперимента, или, кратко говоря, физического
содержания квантовой теории. Квантовая механика представляется теперь
вполне корректной теорией, по крайней мере в круге явлений, к которым она
должна применяться. Она выражена в весьма совершенной форме и сомнительно,
чтобы ее самосогласованность была нарушена. Современная атомная теория
революционизировала химические исследования, поскольку дала точную
количественную интерпретацию по крайней мере наиболее простых химических
фактов. Квантовая механика позволила также многое понять в биологических и
даже генетических явлениях.
Квантовая механика заменяет атомную модель Резерфорда и Бора другой, на
первый взгляд совершенно иной моделью, поскольку в нее существенным
образом входит элемент вероятности. И действительно, квантовая механика
(хотя она начинается с определенных и не содержащих никаких
неоднозначностей уравнений) дает возможность вычислить относительную
вероятность нахождения электрона в заданной точке пространства и с
заданной скоростью или, точнее, в заданной малой области пространства со
скоростью, лежащей в некотором диапазоне скоростей. В соответствии с
теорией Бора и экспериментом электрон в атоме водорода в его основном
состоянии с наибольшей вероятностью находится на расстоянии 10-8 см от
ядра, однако согласно квантовой механике и в отличие от теории Бора
распределение вероятности его положения сферически симметрично в
пространстве. В то же время имеется конечная вероятность обнаружить
электрон вдали от ядра. Например, электрон может оказаться в километре от
ядра, но вероятность найти его в малой области на таком расстоянии
примерно в 101013 раз меньше, чем в такой же области с центром в ядре. На
рис. 2,а показано распределение вероятности для электрона в атоме
водорода, причем величина вероятности характеризуется плотностью ретуши на
разрезе.
электрона для атома водорода в трех возбужденных состояниях. Представлены
поверхности равной вероятности. Ретушью в вырезах показано изменение
вероятности в поперечном сечении.
Допустим теперь, что в результате столкновения атому передается энергия.
Электрон после столкновения будет двигаться по более удаленной от ядра
орбите, и его пространственное вероятностное распределение изменится.
Электрон может оказаться в различных возбужденных состояниях; он переходит
в них, поглощая энергию. Через короткое время атом испустит квант света,
электрон снова перейдет в основное состояние, и распределение вероятности
примет прежний вид. Распределения на рис. 2,а и б характеризуются как бы
"случайным" движением электрона, тогда как распределение, представленное
на рис. 2,в, предполагает его движение по часовой стрелке, соответствующее
орбитальному движению электрона в модели Бора. Изобразить столь же
наглядно распределение вероятности в двухэлектронной системе невозможно,
т.к. положения электронов статистически коррелированы (из-за взаимного
отталкивания совместная вероятность нахождения электронов по разные
стороны ядра больше, чем по одну и ту же его сторону); чтобы изобразить
такое распределение, потребовалось бы каким-то образом построить
шестимерное изображение - по три измерения на каждую частицу.
Сравнивая рис. 2 с боровскими эллиптическими орбитами, на первый взгляд не
так-то просто усмотреть какую-либо связь между этими двумя моделями;
поэтому трудно понять, почему теория Бора вообще имеет какое-то отношение
к действительности. В определенном смысле она и в самом деле не адекватна
действительности, чем и объясняется, что она иногда дает явно неверные
ответы на некоторые вопросы. В то же время распределение вероятности на
рис. 2,в обладает вполне узнаваемым сходством с боровской орбитой, а
математический анализ динамики двух моделей обнаруживает глубокое
соответствие между ними в некоторых важных пунктах. Например, было
установлено, что движение, иллюстрируемое на рис. 2, соответствует вполне
определенным, а не случайно распределенным значениям момента импульса. Эти
значения даются соотношением (7) Бора - де Бройля с тем изменением, что
теперь n может принимать нулевое значение. На рис. 2,а изображено
состояние, которое вообще не обладает моментом импульса. Это совершенно
невозможно ни в картине Резерфорда - Бора (поскольку электрон в таком
случае должен был бы упасть на ядро), ни в картине де Бройля, поскольку
тогда вообще не было бы никакой волны. Значения энергии для
рассматриваемых случае также совершенно определенные и совпадают с теми,
которые дают теория Бора и (с небольшими поправками, учитывающими слабые
эффекты) эксперимент. Вследствие такого динамического соответствия между
теорией Бора и квантовой теорией терминология, а отчасти даже мысленная
картина, отвечающие модели Бора, по сей день в ходу у физиков, хотя для
расчета атомных свойств и процессов, как правило, необходима квантовая
механика.
Под "атомной теорией" часто понимают вычисления тех атомных и молекулярных
характеристик, которые определяются электронами, движущимися вокруг
тяжелых ядер. Дело в том, что благодаря хорошей экранировке ядра слоями
электронов почти все его свойства практически не сказываются на поведении
атома и их можно изучить отдельно. В этом смысле термин "атомная бомба"
следует признать неудачным. Здесь уместнее было бы говорить о ядерной
бомбе. При указанном же выше понимании термина "атомный" можно сказать,
что перед современной атомной теорией стоят проблемы и трудности
преимущественно вычислительного характера. Эта теория говорит нам, какие
уравнения необходимо решить, но при анализе структуры сложного атома эти
уравнения становятся столь сложными, что для их решения приходится
прибегать к помощи компьютеров.
В строении атомного ядра все еще остается много неясного, хотя, по-
видимому, квантовомеханический подход и здесь позволит справиться с
имеющимися трудностями. Было бы, наверное, преувеличением утверждать, что
современная атомная и ядерная теория обрели свою окончательную форму.
Неясность в отношении многих проблем физики элементарных частиц учит нас
величайшей осторожности в этом отношении. И все же тот огромный объем
экспериментальных данных, относящихся к неядерным свойствам атомов,
которые успешно объясняет современная теория, и отсутствие убедительных
противоречащих ей экспериментов свидетельствуют (насколько можно судить) о
том, что оставшиеся загадки атомной физики связаны с ядром и входящими в
состав атома элементарными частицами; что же касается общей структуры
атома, то наше понимание ее, видимо, следует считать достаточно полным.
См. также <<АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ>>.
Наконец, стоит бросить ретроспективный взгляд на ранние атомистические
учения с тем, чтобы посмотреть, какие из основных идей этих учений выжили.
Роль атомов в учении Демокрита сейчас играют молекулы, т.е. устойчивые
группы атомов, являющиеся мельчайшими частицами химических соединений. В
этом смысле, как и утверждал Демокрит, все материальные вещества состоят
из атомов. Демокрит умалчивал, почему атомы и молекулы обладают той формой
и теми свойствами, которые им присущи. Но он ничего не знал о механике,
науке, которая говорит, как движутся тела под действием сил. Он и
представить себе не мог дифференциальные уравнения, решениями которых
определяются свойства атомов и молекул, но, даже бросив беглый взгляд на
рис. 2, можно понять, что эти решения, наглядно представленные на рисунке
для простейшего случая, в действительности не что иное, как геометрические
формы. Следовательно, атом и молекула "оказываются" не частицами вещества,
а решениями уравнений, и догадка Платона представляется вполне
оправданной, но как предвосхищение физики 20 в., а не окончательной теории
строения материи (ибо кто может поручиться, что такая теория когда-нибудь
будет построена).
Разумеется, атомы и молекулы, о которых мы говорили в этой статье, это не
то, что имели в виду древнегреческие мыслители. Греческие философы
говорили о мельчайших частичках материи, которые мы назвали бы
элементарными частицами. Теория элементарных частиц в настоящее время еще
весьма фрагментарна, но пронизана представлениями квантовой механики (что
может быть как сильной, так и слабой ее стороной), так что сказанное выше
о гипотезе Платона применимо в этом случае. Кроме того, мы знаем очень
простое решение старой загадки: что произойдет, если попытаться разрезать
то, что не разрезается? Ключом к разгадке служит открытая Эйнштейном
эквивалентность массы и энергии, воплощенная в знаменитом соотношении E =
mc2. Чтобы что-нибудь разрезать, нужно затратить энергию. Физики обходятся
без ножей при исследовании свойств частиц, подвергая их бомбардировке
другими частицами высоких энергий. Энергия может превращаться в массу при
столкновении. Поэтому после столкновения может образоваться больше частиц,
и не обязательно более легких, чем исходные, - нередко новые частицы
обладают большей массой. Но это отнюдь не означает, что ни одну из частиц,
называемых ныне элементарными, никогда не удастся расщепить; можно было бы
думать, что для их расщепления потребуются новые методы и частицы-
"снаряды" недостижимых пока энергий.
См. также <<ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ>>.
Находит свой отзвук в современной теории атома и индийское учение о
первичности человеческого сознания и вторичности материального мира. Мы
уже упоминали о том, что квантовая механика - теория существенным образом
не детерминистская, а вероятностная. Можно дать абстрактное и вполне
строгое математическое определение вероятности, но на практике в этом нет
необходимости. Вероятность выигрыша на ипподроме во многом зависит от
того, что вы видите в ходе заезда и какой информацией располагаете. Любое
имеющее практическую ценность утверждение о вероятности относится к миру,
каким его знает некое лицо или некая группа лиц. Наиболее важные и
типичные заключения атомной теории имеют вид утверждений не о том, каков
есть мир, а о том, каким он представится наблюдателю, располагающему
определенными средствами наблюдения и определенной суммой ранее
накопленных знаний. Современные физики и философы не думают, что квантовая
механика - окончательная форма физической теории; ведется немало споров о
том, как лучше перевести ее математические выражения в непротиворечивую
картину мира, но все же трудно поверить, что резкое разграничение между
внутренним и внешним, между "я" и "другим" с предельной ясностью
выраженное Р.Декартом, но почти с самого начала присущее западной
философии, сохранится в физике на самом фундаментальном ее уровне.
ЛИТЕРАТУРА
Борн М. Атомная физика. М., 1970
Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. М., 1980 |
| В. Д. Гладкий. Древний мир. Энциклопедический словарь |
| АТОМ — у греч. философов Левкиппа и Демокрита — мельчайшие, конечные, неделимые и вечные тельца, недоступ. восприятию, отличающ. друг от друга формой и размером и существующие в бесконеч. множестве; их соед. и разъед. лежат в основе возникновения и уничтожения отдел. проявлений материал. мира. |
| Идеографический словарь |
^ элемент
^ простое вещество
атом - мельчайшая электронейтральная частица простого вещества; часть молекулы.
атомный.
v МАТЕРИАЛЫ, АГРЕГАТ
см. планетарная система |
| Орфографический словарь Лопатина |
| `атом, `атом, -а |
| Словарь Даля |
муж., ·*греч. неделимое; вещество в крайних пределах делимости своей, незримая пылинка, из каких будто бы составлены все тела, всякое вещество, как бы из песчинок.
Неизмеримая, бесконечно малая пылинка, ничтожное количество.
У химиков слово атом принимает значение меры сродства тел: один атом кислорода поглощает один, два, три атома железа, значит: вещества эти соединяются в таком кратном отношении. Атомизм муж. атомистическое, атомическое учение, в физике, принимающее за основание, что всякое вещество состоит из неделимых атомов; атомистика жен. наука, знание это; атомист муж. ученый, который держится этого убеждения. Ему противополагается динамик, динамическая школа, отвергающая предел делимости вещества и признающая его за выражение, проявление сил в нашем мире. |
| Словарь Ожегова |
’АТОМ, -а, муж. Мельчайшая частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов.
прил. атомный, -ая, -ое и атомарный, -ая, -ое. Атомный вес. Атомное ядро. Атомная физика (раздел физики, в к-ром изучается строение и состояние атомов). Атомная энергия. Атомная электростанция. Атомная бомба. Атомарный кислород. Атомный век (период развития общественной жизни и науки, характеризующийся открытием атомной энергии). |
| Словарь синонимов Абрамова |
| см. малость |
| Словарь Ушакова |
’АТОМ, атома, ·муж. (·греч. atomos, ·букв. неделимый). Мельчайшая частица материи (в атомистической теории предполагалась неделимой; ·ест. ). Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
перен. Ничтожная величина, одна из многих незначительных частей какого-нибудь целого (·книж. ). |
| Толковый словарь Ефремовой |
[атом]
м.
1) Мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
2) перен. разг. Атомная энергия. |
| Философский энциклопедический словарь |
| АТОМ (от греч. atomos – неделимое) – мельчайшие составные частицы материи, из которых состоит все сущее, в т. ч. и душа, образованная из тончайших атомов (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Атомы вечны, они не возникают и не исчезают, пре- • бывая в постоянном движении; различают- ' ся по форме и величине, порядку и положению. Бойль и в особенности Дальтон \(«Новая система философии химии», ; 1808) ввели понятие атома в химию, что оказалось для нее весьма плодотворным. В настоящее время атом является предметом исследования со стороны физики (атомная физика). Оказалось, что атом не неделим. Он имеет планетообразную структуру (см. МИКРОФИЗИКА). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов; оно окружено электронной оболочкой. Число протонов равно порядковому номеру данного элемента в периодической системе, число нейтронов равно разности между атомным весом и порядковым номером. Диаметр атома равен 10'8 см, диаметр ядра – 10'12 см. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Если мысленно представить себе электронные оболочки отсутствующими, то Земля, при сохранении того же веса, имела бы диаметр, равный 320 м. Атом можно «расщепить», «выбивая» из ядра с помощью продуктов распада радиоактивных элементов протоны и нейтроны (которые в свою очередь могут быть разложены на мезоны). При этом высвобождается огромное количество энергии, которая применяется в первую очередь для производства электрического тока (для работы электростанций мощностью в 100 000 кет ежедневно требуется 400 г расщепляемого урана вместо 800 т каменного угля), для производства атомных бомб и для судовых силовых установок. см. также ВОЛНОВАЯ МЕХАНИКА. |
| Корпоративный жаргон лиц, потребляющих наркотики |
1. Этаминал натрия.
2. Анаша высшего качества |
| Научнотехнический Энциклопедический Словарь |
АТОМ, мельчайшая частица вещества, которая может вступать в химические реакции. У каждого вещества имеется характерный только для него набор атомов. В свое время считалось, что атом неделим, однако, он состоит из положительно заряженного ЯДРА, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Ядро (наличие которого установил в 1911 г. Эрнст РЕЗЕРФОРД) состоит из плотно упакованных протонов и нейтронов. Оно занимает внутри атома лишь малую часть пространства, однако, на него приходится почти вся масса атома. В 1913 г. Нильс БОР предположил, что электроны движутся по фиксированным орбитам. С тех пор исследования по КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ привели к новому пониманию орбит: согласно ПРИНЦИПУ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Гейзенберга точную позицию и МОМЕНТ движения субатомной частицы одновременно узнать невозможно. Число электронов в атоме и их расположение определяют химические свойства элемента. При добавлении или отнятии одного или более электрона возникает ион.
Масса атома зависит от размера ядра. На него приходится максимальная доля веса атома, поскольку электроны ничего не весят. Например, атом урана — самый тяжелый из встречающихся в природе атомов У него 146 нейтронов, 92 протона и 92 электрона. С другой стороны, самым легким является атом водорода, у которого 1 протон и электрон. Однако атом урана, хотя и тяжелее атома водорода в 230 раз, по размерам превышает его лишь втрое. Вес атома выражается в единицах атомной массы и обозначается как u. Атомы состоят из еще более мелких частиц, назы-У\лаемых субатомными (элементарными) частицами. Основными являются протоны (положительно заряженные), нейтроны (электрически нейтральные) и >лсктроны (отрицательно 'заряженные). Скопления нроюнон и нейтронов обра зуют Ядро в центре атомом всех >лсмстон (за исключением водорода, у которого юлько один протон). '•Электроны «крутятся» вокру! ядра на некотором расстоянии от него, соразмерно ра (мерам атома. |{сли, например, ядро атома гелия было бы размером с теннисный мячик, то электроны находились бы на расстоянии 6 км от него. Существует 112 различных типов атомов, столько же, сколько элементов н периодической таблице. Атомы элементов различаются по атомному номеру и атомной массе. ЯДРО АТОМА Масса атома со дается в основном за счет относительно плотного ядра. I (ротоны и нейтроны имеют массу в примерно 1К4() раз большую, чем электроны. Поскольку прогоны заряжены положительно, а нейтроны — нейтральны, ядро атома всегда заряжено положительно. 11оскольку противоположные заряды взаимно притягиваются, ядро удерживает электроны на их орбитах. Прогоны и нейтроны состоят из еще более мелких шсмппарних частиц, кварков. ЭЛЕКТРОНЫ Чих1'ю >к-к фоном в атоме определяет его химические гнонстиа H ошичис от планет Солнечной системы, немропы крутятся вокруг ядра случайным образом, oiMiiMi ни фиксированном расстоянии от ядра, обра-IVH "оСюлочки». Чем большей энергией обладает элек-ipon. li'M дальше он может удалиться, преодолевая притяжение положительно заряженного ядра. В нейтральном атоме положительный заряд электронов уравновешивает положительный заряд протонов ядра. 11оэтому удаление или добавление одного электрона в агоме приводит к появлению заряженного иона. Электронные оболочки расположены на фиксированных расстояниях от ядра в зависимости от уровня их энергии. Каждую оболочку нумеруют, считая от ядра. Н агоме не бывает более семи оболочек, и каждая из них может содержать только определенное число электронов. Если имеется достаточное количество энергии, электрон может перескочить с одной оболочки на другую, более высокую. Когда он снова попадает на более низкую оболочку, он испускает излучение в виде фотона. Электрон принадлежит к классу частиц, называемых лептонами, его античастица называется позитроном.
ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ. При ядерном взрыве, например, аюмнои оомбы, нейтрон ударяет по ядру урана 23Ь (то есть ядру с общим количес твом протонов и нейтронов, равным ?35). При :ном ней трон поглощается, и создайся уран 236 Он очень нестоек и расщепляется на два меньших ядра, при чем выделяется огромное количество энергий и несколько нейтронов Каж дыи из этих нейтронов может, в свою очередь, ударить по еще одному ядру урана Если созданы гак называемые критические условия (количество урана-235 превышает кригическую массу), тогда число соударений нейтронов пудет достаточным, чтобы реакция развивалась с молниеносной скоростью, т.е. происходит цепная реакция. В ядерном реакторе гепло, выделяемое при эюм процессе, используется для нагрева пара, который приводит в дви жение турбогенератор, вырабатывающий электричество. |
|
|
|
 |
Если вы желаете блеснуть знаниями в беседе или привести аргумент в споре, то можете использовать ссылку:
будет выглядеть так: АТОМ
будет выглядеть так: Что такое АТОМ
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
