Cтраница 1
Определение размеров атомов из рассмотрения процесса их столкновений дает различные результаты, так как при сильных столкновениях атомы как бы сплющиваются и их размеры уменьшаются. Поэтому при определении размеров с помощью таких косвенных измерений мы должны прибегать к некоторым теоретическим допущениям.
При определении размеров атомов принцип плог-нсйшей укладки также способен оказать нам существенную помощь.
Первая попытка определения размеров атомов была сделана в 1920 г. Для этого предполагалось воспользоваться радиусом атома, определенным из межатомного расстояния в чистом металле.
В целом две имеющиеся возможности определения размеров атомов в твердых растворах дополняют друг друга, и имеющиеся в настоящее время данные приводят к выводу, что в большинстве твердых растворов происходит значительное уменьшение атомных размеров.
После того как было определено некоторое количество различных структур бинарных соединений, возник вопрос об определении размеров атомов. Естественно было считать форму атомов в первом приближении шаровой и характеризовать ее радиусом определенной величины. Метод рент-геноструктурного анализа позволяет достаточно точно определять межатомные расстояния, но он не может дать сведений о размерах отдельных атомов. Однако знания только типа структуры и межатомных расстояний недостаточно для установления размеров отдельных атомов, в данном случае натрия и хлора, так как сумма rNa rci 2 81 может удовлетворять бесконечному числу значений величин слагаемых. Прямое же решение п уравнений с п неизвестными типа гк гС13 14; гка / 2 31; гк.
Все высказанные выше соображения привели, с одной стороны, к выводу о несостоятельности указанной идеи определения размеров атомов, с другой стороны, они послужили толчком к развитию новых идей, так как показали, что представление об атомах как о шарах определенного размера может быть использовано только для определенных групп соединений. Атом одного и того же химического элемента может находиться в различных электронных состояниях, в зависимости от типа химического соединения, и иметь, следовательно, различные размеры. Размеры атомов патрия или меди в металлических кристаллах могут существенно отличаться от размеров их ионов в структурах соединений типа NaCl и CuCl. Характер связи атомов в металлических кристаллах, очевидно, может существенно отличаться от характера связи атомов в солях.
Все высказанные выше соображения привели, с одной стороны, к выводу о несостоятельности указанной идеи определения размеров атомов, с другой. Атом одного и того же химического элемента может находиться в различных электронных состояниях, в зависимости от типа химического соединения, и иметь, следовательно, различные размеры. Размеры атомов натрия или меди в металлических кристаллах могут существенно отличаться от размеров их ионов в структурах соединений типа NaCl и CuCl. Характер связи атомов в металлических кристаллах, очевидно, может существенно отличаться от характера связи атомов в солях.
Заметим также, что из вывода выражения r и атомной теории Бора вытекает равенство поляризуемости вещества а истинному объему молекул VQ, как впервые было установлено Лорентцом и что имело впоследствии большое значение для определения размеров атомов из рефрактометрических данных.
Заметим также, что из вывода выражения г4 и атомной теории Бора вытекает равенство поляризуемости вещества а истинному объему молекул v0, как впервые было установлено Лорентцом и что имело впоследствии большое значение для определения размеров атомов из рефрактометрических данных.
Рассмотрим еще одно применение принципа неопределенности (38.3), но только, пожалуйста, не воспринимайте этот расчет чересчур буквально; общая мысль правильна, но анализ проделан не очень аккуратно. Мысль эта касается определения размера атомов; ведь по классическим воззрениям электроны должны были бы излучать свет и, крутясь по спирали, упасть на поверхность ядра. Но, согласно квантовой механике, это невозможно, ибо в противном случае мы бы знали, где очутился электрон и насколько быстро он вертится.
При определении размеров атома ксенона, покоящегося в решетке твердого ксенона, получается один результат, а при измерении методом столкновений - другой. Ион натрия сильнее сжат в кристаллической решетке, например фторида натрия NaF, чем если он находится в низкополярном растворителе. Определение размеров атомов равносильно измерению диаметра резинового мячика штангенциркулем при различных степенях сжатия ножек штанги и нониуса. Другими словами, однозначно определенных значений атомных радиусов не существует (см. разд.
Существует несколько методов, с помощью которых можно определить размеры атомов в молекулах различных веществ. Часть из них обобщена под названием спектроскопические методы, так как они основаны на взаимодействии света с веществом. Измерения дают представление о размере атома в том смысле, что они показывают, насколько плотно прилегают атомы друг к другу. Расстояния между атомами, измеренные спектроскопически, служат основой для определения размеров атомов.
Страницы: 1
Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома, его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом - это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой - атом цезия (225 пм) .
Атом – уникальная частица мироздания. Эта статья постарается донести до читателя информацию об этом элементе материи. Здесь мы рассмотрим такие вопросы: каков диаметр атома и его размеры, какие он имеет качественные параметры, в чем заключается его роль во Вселенной.
Знакомство с атомом
Атом – составная частица веществ, имеющая микроскопические размер и массу. Это наименьшая часть элементов химической природы с невероятно малыми размерами и массой.
Атомы строятся из двух основных структурных элементов, а именно из электронов и атомного ядра, которое, в свою очередь, образуется протонами и нейтронами. Число протонов может отличаться от количества нейтронов. Как в химии, так и в физике атомы, в которых величина протонов соизмерима с количеством электронов, называют электрически нейтральными. Если число электронов выше или ниже числа протонов, то атом, приобретая положительный или отрицательный заряд, становится ионом.
Исторические данные
Благодаря достижениям науки в области физики и химии было совершено множество открытий относительно природы атома, его строения и возможностей. Были произведены многочисленные опыты и расчеты, в ходе которых человек смог ответить на такие вопросы: каков диаметр атома, его размер, и многое другое.
Впервые понятие атома было открыто и сформулировано философами древней Греции и Рима. В XVII–XVIII веках химики смогли при помощи экспериментов доказать идею об атоме как наименьшей частице вещества. Они показали, что множество веществ можно расщеплять многократно при помощи химических методов. Однако в дальнейшем открытые физиками субатомные частицы показали, что даже атом можно разделить, а строится он из субатомных компонентов.
Международный съезд ученых по химии в Карлсруэ, расположенном на территории Германии, в 1860 г. принял решение относительно понятия об атомах и молекулах, где атом рассматривается как самая маленькая часть химических элементов. Следовательно, он также входит в состав веществ простого и сложного типа.
Диаметр атома водорода был изучен одним из самых первых. Однако его расчеты были произведены множество раз и последние из них, опубликованные в 2010 г., показали, что он на 4 % меньше, чем предполагалось ранее (10 -8). Показатель общего значения величины атомного ядра соответствует числу 10 -13 -10 -12 , а порядок величины всего диаметра равен 10 -8 . Это вызвало множество противоречий и проблем, поскольку сам водород по праву относится к основным составным частям всей обозримой Вселенной, а подобная несостыковка вынуждает совершать множество перерасчетов по отношению к фундаментальным утверждениям.
Атом и его модель
В настоящее время известно пять основных моделей атома, отличающиеся между собой, прежде всего, временными рамками представлениями об его устройстве. Рассмотрим непосредственно модели:
- Кусочки, из которых состоит материя. Демокрит считал, что любое свойство веществ должно определяться его формами, массой и другим рядом практических характеристик. Например, огонь может обжечь, потому что его атомы острые. Согласно мнению Демокрита, даже душа образована атомами.
- Атомная модель Томсона, созданная в 1904 г., самим Дж. Дж. Томсоном. Он предположил, что атом можно принимать в качестве положительно заряженного тела, заключенного внутри электронов.
- Ранняя планетарная атомная модель Нагаоки, созданная в 1904 году, полагала, что устройство атома аналогично системе Сатурна. Ядро маленьких размеров и имеющее положительный показатель заряда окружено электронами, которые двигаются по кольцам.
- Атомная планетарная модель, открытая Бором и Резерфордом. В 1911 г. Э. Резерфорд, после того как провел целый ряд экспериментов, стал полагать, что атом схож с планетарной системой, где у электронов есть орбиты, по которым они двигаются вокруг ядра. Однако это предположение шло в разрез с данными классической электродинамики. Чтобы доказать состоятельность этой теории, Нильс Бор ввел понятие о постулатах, утверждающих и показывающих, что электрону не требуется расходовать энергию, так как он находится в определенном, специальном энергетическом состоянии. Изучение атома в дальнейшем привело к тому, что появилась квантовая механика, которая смогла объяснить множество противоречий, которые можно было наблюдать.
- Квантово-механическая атомная модель утверждает, что центральная основа рассматриваемой частицы состоит из ядра, образующегося из протонов, а также нейтронов и электронов, движущихся вокруг него.
Особенности строения
Размер атома ранее предопределял, что это неделимая частица. Однако множество опытов и экспериментов показали нам, что он строится из субатомных частиц. Любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов, за исключением водорода – 1, который не включает в себя последние.
Стандартная модель показывает, что протоны и нейтроны образованы посредством взаимодействия между кварками. Они относятся к фермионам, наряду с лептонами. В настоящее время различают 6 видов кварков. Протоны своим образованием обязаны двум u-кварками и одному d-кварку, а нейтрон – одному u-кварку и двум d-кварками. Ядерное взаимодействие сильного типа, которым связываются кварки, передается при помощи глюонов.
Движение электронов в атомном пространстве предопределяется их «желанием» быть ближе к ядру, другими словами, притягиваться, а также кулоновскими силами взаимодействия между ними. Эти же типы сил удерживают каждый электрон в потенциальном барьере, окружившем ядро. Орбита движения электронов обуславливает величину диаметра атома, равную прямой линии, проходящей от одной точки в окружности к другой, а также через центр.
У атома имеется его спин, который представлен собственным импульсным моментом и лежит вне понимания общей природы материи. Описывается при помощи квантовой механики.
Размеры и масса
Каждое ядро атома с одинаковым показателем числа протонов относится к общему химическому элементу. К изотопам относятся представители атомов одного элемента, но имеющие различие в нейтронном количестве.
Поскольку в физике строение атома указывают на то, что основную их массу составляют протоны и нейтроны, то общую сумму данных частиц имеют массовым числом. Выражение атомной массы в состоянии спокойствия происходит посредством использования атомных единиц массы (а. е. м.), которые по-другому именуются дальтонами (Да).
Размер атома не имеет четко выраженных границ. Потому определяется он при помощи измерения расстояния между ядрами одинакового типа атомов, химически связанных между собой. Другой способ измерения возможен при расчете длительности пути от ядра до дальнейшей из имеющихся электронных орбит стабильного типа. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева располагает в себе атомы по размеру, от меньших к большим, в направлении столбца сверху вниз, движение по направлению слева направо также основано на уменьшении их размеров.
Время распада
Все хим. элементы имеют изотопы, от одного и выше. Они содержат в себе нестабильное ядро, подверженное радиоактивному распаду, вследствие чего происходит испускание частиц или электромагнитного излучения. Радиоактивным называют тот изотоп, у которого величина радиуса сильного взаимодействия выходит за пределы дальних точек диаметра. Если рассмотреть на примере аурума, то изотопом будет атом Au, за пределы диаметра которого во всех направлениях "вылетают" излучающиеся частицы. Изначально диаметр атома золота соответствует величине двух радиусов, каждый из которых равен 144 пк, а частицы, выходящие за пределы этого расстояния от ядра, будут считаться изотопами. Существует три типа распада: альфа-, бета- и гамма излучение.
Понятие о валентности и наличии энергетических уровней
Мы уже ознакомились с ответами на такие вопросы: каков диаметр атома, его размер, ознакомились с понятием распада атома и т. д. Однако, помимо этого, существуют и такие характеристики атомов, как величина энергетических уровней и валентность.
Электроны, двигающиеся вокруг атомного ядра, обладают потенциальной энергией и пребывают в связанном состоянии, располагаясь на возбужденном уровне. В соответствии с квантовой моделью, электрон занимает только дискретное количество энергетических уровней.
Валентность – это общая способность атомов, у которых на электронной оболочке имеется свободное место, устанавливать связи химического типа с другими атомными единицами. Посредством установления химических связей атомы стараются заполнить свой слой внешней валентной оболочки.
Ионизация
В результате воздействия высокого значения напряженности на атом он может подвергаться необратимой деформации, которая сопровождается электронным отрывом.
Это приводит к ионизации атомов, в ходе которой они отдают электрон(ы) и претерпевают превращение из стабильного состояния в ионы с положительным зарядом, иначе именуемые катионами. Этот процесс требует определенной энергии, которую называют потенциалом ионизации.
Подводя итоги
Изучение вопросов о строении, особенностях взаимодействия, качественных параметрах, о том, каков же диаметр атома и какие он имеет размеры, все это позволило человеческому разуму совершить невероятный труд, помогающий лучше осознать и понять устройство всей материи вокруг нас. Эти же вопросы позволили открыть человеку понятия об электроотрицательности атома, его дисперсном притяжении, валентных возможностях, определить длительность радиоактивного распада и многое другое.
Молекула (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles-масса), микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других, в том числе от молекул того же состава. Молекула, как система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находиться в различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служить для идентификации молекул. Как самостоятельное образование молекула обладает в каждом состоянии определенным набором физических свойств, эти свойства в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них веществу и определяют свойства этого вещества. При химических превращениях молекула одного вещества обмениваются атомами с молекулами другого вещества, распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химические реакции других типов. Поэтому химия изучает вещества и их превращения в неразрывной связи со строением и состоянием молекул
Обычно молекулой называют электрически нейтральную частицу; если молекула несет электрический заряд (положительный или отрицательный), то говорят о молекулярных ионах (катионах или анионах соответственно). В веществе положительные ионы всегда сосуществуют вместе с отрицательными. Молекулы, находящиеся в состояниях с мультиплетностью, отличной от единицы (как правило, в дублетных состояниях), называют радикалами. Свободные радикалы в обычных условиях, как правило, не могут существовать длительное время. Известны, однако, свободные радикалы сравнительно сложного строения, которые являются достаточно стабильными и могут существовать при обычных условиях.
По числу входящих в молекулу атомных ядер различают молекулы двухатомные, трехатомные и т.д. Если число атомовв молекуле превосходит сотни и тысячи, молекула называется макромолекулой. Сумма масс всех атомов, входящих в состав молекулы, рассматривается как молекулярная масса (смотри также Молекулярная масса полимера. Молекулярно-массовое распределение). По величине молекулярной массы все вещества условно делят на низко- и высокомолекулярные.
А́том (от др.-греч. ἄτομος - неделимый) - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена, но только в XVIII веке трудами А. Лавуазье, М. В. Ломоносова и других ученых была доказана реальность существования атомов.
Общая характеристика строения атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженныхэлектронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра атома (линейные размеры атома ~ 10~ 8 см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значит. степени условны и зависят от способов их определения (см. Атомные радиусы). Ядро атома состоит из Z протонов и N нейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное). Положит. заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абс. величине и равны е= 1,60*10 -19 Кл; нейтрон не обладает элек-трич. зарядом. Заряд ядра +Ze - осн. характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному хим. элементу. Порядковый номер элемента в периодич. системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.
В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соотв. в положит. или отрицат. ион, напр. Li + , Li 2+ или О - , О 2- . Говоря об атомах определенного элемента, подразумевают как нейтральные атомы, так и ионы этого элемента.
Строение атома и свойства веществ . Хим. св-ва определяются строением внеш. электронных оболочек атомов, в к-рых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от неск. эВ до неск. десятков эВ). Строение внеш. оболочек атомов хим. элементов одной группы (или подгруппы) периодич. системы аналогично, что и обусловливает сходство хим. св-в этих элементов.(1) При увеличении числа электронов в заполняющейся оболочке их энергия связи, как правило, увеличивается; наиб. энергией связи обладают электроны в замкнутой оболочке. Поэтому атомы с одним или неск. электронами в частично заполненной внеш. оболочке отдают их в хим. р-циях. Атомы, к-рым не хватает одного или неск. электронов для образования замкнутой внеш. оболочки, обычно принимают их. Атомы благородных газов, обладающие замкнутыми внеш. оболочками, при обычных условиях не вступают в хим. р-ции.
Строение внутр. оболочек атомов, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергия связи 10 2 -10 4 эВ), проявляется лишь при взаимод. атомов с быстрыми частицами и фотонами высоких энергий. Такие взаимод. определяют характер рентгеновских спектров и рассеяние частиц (электронов,нейтронов) на атомах (см. Дифракционные методы). Масса атома определяет такие его физ. св-ва, как импульс, кинетич. энергия. От механических и связанных с ними магн. и электрич. моментов ядра атома зависят нек-рые тонкие физ. эффекты (ЯМР, ЯКР, сверхтонкая структура спектральных линий, см Спектроскопия).
1сноска: Электро́нво́льт (редко электроновольт ; русское обозначение: эВ , международное: eV ) - внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки (биофизике, физической химии, астрофизике и т. п.). В Российской Федерации электронвольт допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения.
Ядерная модель атома
В начале 20 века в результате изучения катодных лучей были обнаружены отрицательные частицы – электроны с зарядом 1,6 . 10‾ 19 Кл, массой 9,11 . 10‾ 31 кг, открыто рентгеновское электромагнитное излучение. Обобщив эти открытия, Дж.Томсон в 1897 году предложил свою модель атома – это положительно заряженная сфера, в которую вкраплены отрицательные электроны (подобно изюму в пудинге). Если эта модель верна, тогда металлическая фольга – это пленка положительного электричества, содержащая электроны и поток α- частиц должен легко проникать через нее, не меняя направление.
В 1909 г. сотрудники англ. ученого Э. Резерфорда это проверили. 1 из 100000 α - частиц при прохождении через золотую фольгу рассеивались на большие углы и даже поворачивали обратно. Анализируя результаты эксперимента, Резерфорд сделал вывод, что масса и заряд атома сконцентрированы в малой части объема, называемой ядром. Отклоняются те α - частицы, которые сталкиваются с ядрами. Большинство же α - частиц проходит через пространство между ядрами. Модель строения атома, предложенная Э. Резерфордом, напоминала солнечную систему. Ее называют планетарной моделью. Согласно ей, в центре атома находится положительное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра по круговым орбитам движутся электроны. Заряд ядра и число электронов одинаковы, т.е. атом нейтральная частица.
В 1913г. английский физик Мозли измерил длины волн рентгеновских лучей, испускаемых разными металлами в катодной трубке, и построил график зависимости обратного значения квадратного корня из длины волны рентгеновских лучей от порядкового номера элемента. Этот график (рис.1) показывает, что порядковый номер отражает какую-то важную характеристику элемента. Мозли предположил, что этой характеристикой является заряд ядра атома, и что он возрастает на единицу при переходе от одного элемента к следующему за ним по порядку. Он назвал порядковый номер атомным номером - Z .
Закон Мозли :
Корень квадратный из величины, обратной длине волны рентгеновских лучей, испускаемых атомами различных элементов, находится в линейной зависимости от порядкового номера элемента.
Это закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента с его порядковым номером.
где - длина волны, а – постоянная величина, Z – порядковый номер элемента (заряд ядра).
Позже стало известно, что порядковый номер равен числу протонов в ядре. Таким образом, порядковый (атомный) номер равен заряду ядра и он же определяет наличие в нем протонов (положительных частиц). А так как атомы нейтральны, то число электронов в атоме должно быть равно числу протонов. Но массы атомов оказались больше суммарной массы протонов. Для объяснения избытка массы было высказано предположение о существовании нейтронов. Эти частицы должны были иметь ту же массу, что и протон, но нулевой заряд (1,675 . 10 - 27 кг). Нейтрон был открыт сотрудником Резерфорда Чедвигом в 1932 г. Было окончательно установлено, что атом состоит из ядра и электронов, а ядро – из протонов и нейтронов. Их сумму называютнуклонным числом или массовым - А .
А = Z + N ,
Z - число протонов, N - число нейтронов.
Атомы с различным числом протонов (Z ) и нейтронов (N ), но с одинаковым числом нуклонов А , называют изобарами . Например,
Изотопы – атомы с одинаковым числом протонов (Z ), но с разным числом нуклонов
Изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов (N )
Таким образом, дробные значения атомных масс в периодической системе объясняются наличием изотопов для одного и того же элемента.
А́томное ядро́ - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.
Спектра́льная ли́ния - особенность участка спектра, выражающаяся в локальном повышении (светлые, эмиссионные линии, спектральные максимумы) или понижении (тёмные линии, линии поглощения, спектральные минимумы) уровня сигнала.
Остаточной интенсивностью называют усиление/ослабление излучения в спектральной линии по сравнению с непрерывным спектром.
Функция, характеризующая зависимость остаточной интенсивности от частоты, называется профилем линии.
Рентге́новское излуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 2 Å (от 10 −12 до 10 −8 м).
Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») - элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле -света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света.
Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.
Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются: 
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
Тот простой факт, что всё вокруг состоит из мельчайших частиц вещества - молекул и атомов, - на самом деле обладает огромной научной силой. Из одного лишь этого утверждения можно вывести большое число следствий, дающих качественное объяснение многим физическим явлениям. Если бы вдруг человечество «забыло» все естественнонаучные знания, накопленные за многие века, то, уцепившись лишь за этот факт и пользуясь научным методом, оно смогло бы очень быстро восстановить азы многих разделов физики и химии.
Про атомарную структуру материи дети узнают еще в начальной школе. Но атомы не видны ни глазом, ни в оптический микроскоп. Более того, в обычных экспериментах с веществом, когда мы измеряем разнообразные характеристики материи (плотность , теплоемкость , удельную теплоту плавления и испарения , вязкость , силу поверхностного натяжения жидкости и так далее), мы вообще можем не задумываться о том, что она состоит из отдельных частиц. Современная физика, конечно, позволяет «разглядеть» отдельные атомы с помощью сложных приборов. Но возникает вопрос: существует ли какой-то простой способ определить типичный размер молекул, не прибегая к такой технике? Оказывается, да.
Задача
Вооружившись лишь фактом, что всё состоит из атомов, оцените размер молекулы воды на основании (некоторых из) перечисленных выше макроскопических характеристик. Численные значения этих параметров для воды можно легко найти в справочниках или в интернете.
Подсказка
Сразу стоит подчеркнуть, что решения, которые опираются на число Авогадро или на свойства отдельных молекул, - «обманные», поскольку они неявным образом уже используют размер молекул. Например, требуемую оценку легко получить из плотности и молярной массы воды и числа Авогадро. Однако число Авогадро, которое связывает микромир с макромиром и «знает» про размеры атомов, в чисто макроскопическом эксперименте не проявляется и само требует экспериментального измерения.
Размер атомов предлагается оценить (разумеется, не точно, а только по порядку величины) на основании именно макроскопических характеристик вещества.
Решение
Размер молекул можно извлечь из плотности, коэффициента поверхностного натяжения и удельной теплоты парообразования. Сделаем это двумя способами.
Способ 1. Жидкость состоит из молекул, но при этом сохраняет свой объем, а не разлетается на отдельные частицы, как газ. Это значит, во-первых, что молекулы в жидкости держатся друг относительно друга на некотором определенном расстоянии, по порядку величины равном диаметру самой молекулы (d ), а во-вторых, что каждое парное взаимодействие между молекулами характеризуется некоторой энергией связи (U ). Величины d и U - микроскопические, их численные значения мы заранее не знаем.
При испарении жидкость превращается в разреженный газ, в котором все связи между всеми молекулами можно считать разорванными. Удельная теплота парообразования E , измеряемая в Дж/кг, есть просто-напросто сумма всех межмолекулярных энергий связи, которые изначально были в килограмме воды. Помножив удельную теплоту парообразования на плотность ρ и на (неизвестный пока) объем, занимаемый одной молекулой (порядка d 3), мы получим энергию связей в расчете на одну молекулу. Эта величина раза в 2–3 больше U - ведь каждая молекула обычно связана с несколькими (4–6) соседями: E ρd 3 = 2U .
С другой стороны, явление поверхностного натяжения состоит в том, что всякая свободная поверхность жидкости характеризуется «лишней» энергией, пропорциональной площади поверхности: E пов = σS . Эту энергию можно легко измерить на опыте и извлечь отсюда коэффициент поверхностного натяжения σ. Микроскопически, эта энергия возникает из-за того, что в самом приповерхностном слое жидкости есть молекулы с «неработающими связями», то есть со связями, которые торчат наружу, в пустоту, а не замкнуты на соседние молекулы. Таких связей мало, скажем одна на каждую молекулу, и энергия этой «неработающей связи» примерно равна U . Поскольку каждая поверхностная молекула занимает площадь примерно d 2 , эту же величину U можно записать как σd 2 .
Приравнивая величину U , полученную этими двумя способами, находим типичный размер: d = 2σ/E ρ.
Способ 2. Возьмем сферическую каплю жидкости и разделим ее на две капли. Суммарный объем не изменился, но площадь поверхности возросла, а значит, возросла и энергия поверхностного натяжения. Поэтому на такое разделение нам надо затратить энергию, равную разности поверхностных энергий вначале и в конце. Будем дробить каплю всё дальше и дальше, пока не дойдем до «капель» размером с молекулу. Строго говоря, при таких размерах про поверхностное натяжение уже говорить нельзя, но для самых грубых оценок можно тем не менее сосчитать получившуюся «суммарную площадь поверхности», домножить ее на σ и найти, какую энергию надо затратить на такое разделение. Но разделение жидкости на отдельные «капли» размером с молекулу и есть процесс парообразования. Таким образом тоже можно получить формулу наподобие приведенной выше, но только с чуть отличающимся численным коэффициентом.
Осталось подставить числа. Плотность воды 1000 кг/м 3 , коэффициент поверхностного натяжения 0,07 Дж/м 2 , удельная теплота парообразования 2,3 МДж/кг. Размер молекулы отсюда получается 0,6·10 –10 м . Это примерно в 3 раза меньше реального размера молекулы, что совсем неплохо для столь грубой оценки.
Послесловие
Это, конечно, не единственный способ узнать размеры молекул на основании макроскопических данных, однако все подобные методы дают лишь очень грубую оценку по порядку величины. Намного более аккуратно измерить размеры можно при рассеянии рентгеновских лучей (а также электронов или нейтронов) с длиной волны меньше нанометра на кристаллах. Дифракционный узор показывает не только размеры кристаллической ячейки, но и рассказывает о том, как атомы в ней расположены друг относительно друга.
Интересно отметить, что еще в начале XX века далеко не все ученые придерживались атомистической картины строения вещества. Ключевыми моментами, доказавшими реальность молекул, было описание Эйнштейном броуновского движения и закона диффузии, а также обнаружение Перреном седиментационного равновесия (Нобелевская премия по физике за 1926 год). В обоих экспериментах микроскопически частицы вещества, размер которых можно было определить через наблюдение в микроскоп, вели себя в чём-то похоже на отдельные молекулы вещества, что и позволило «навести мосты» между микромиром и миром повседневных явлений.
