Атомы являются основными частицами химических элементов . Атом состоит из ядра протонов и, как правило, нейтронов , окруженного электромагнитно связанным роем электронов . Химические элементы отличаются друг от друга числом протонов, которые находятся в их атомах. Например, любой атом, содержащий 11 протонов, является натрием , а любой атом, содержащий 29 протонов, является медью . Атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами одного и того же элемента.
Атомы чрезвычайно малы, обычно около 100 пикометров в поперечнике. Человеческий волос состоит примерно из миллиона атомов углерода в ширину. Атомы меньше самой короткой длины волны видимого света, что означает, что люди не могут видеть атомы с помощью обычных микроскопов. Они настолько малы, что точное предсказание их поведения с помощью классической физики невозможно из-за квантовых эффектов .
Более 99,94% массы атома находится в ядре. Протоны имеют положительный электрический заряд , а нейтроны не имеют заряда, поэтому ядро заряжено положительно. Электроны заряжены отрицательно, и этот противоположный заряд связывает их с ядром. Если количество протонов и электронов равно, как это обычно и бывает, то атом в целом электрически нейтрален. Если у атома больше электронов, чем протонов, то он имеет общий отрицательный заряд и называется отрицательным ионом (или анионом). И наоборот, если у него больше протонов, чем электронов, он имеет положительный заряд и называется положительным ионом (или катионом).
Электроны атома притягиваются к протонам в атомном ядре электромагнитной силой . Протоны и нейтроны в ядре притягиваются друг к другу ядерной силой . Эта сила обычно сильнее электромагнитной силы, которая отталкивает положительно заряженные протоны друг от друга. При определенных обстоятельствах отталкивающая электромагнитная сила становится сильнее ядерной силы. В этом случае ядро расщепляется и оставляет после себя различные элементы . Это форма ядерного распада .
Атомы могут присоединяться к одному или нескольким другим атомам посредством химических связей , образуя химические соединения, такие как молекулы или кристаллы . Способность атомов присоединяться и отсоединяться друг от друга отвечает за большинство физических изменений, наблюдаемых в природе. Химия — это наука, которая изучает эти изменения.
Основная идея о том, что материя состоит из крошечных неделимых частиц, является старой идеей, которая появилась во многих древних культурах. Слово атом происходит от древнегреческого слова atomos , [a], что означает «неразрезаемый». Но эта древняя идея была основана на философских рассуждениях, а не на научных рассуждениях. Современная атомная теория не основана на этих старых концепциях. [1] [2] В начале 19 века ученый Джон Дальтон (1766–1844) нашел доказательства того, что материя действительно состоит из дискретных единиц, и поэтому применил слово атом к этим единицам. [3]
В начале 1800-х годов Джон Дальтон собрал экспериментальные данные, собранные им и другими учеными, и открыл закономерность, которая сейчас известна как « закон кратных пропорций ». Он заметил, что в любой группе химических соединений, которые все содержат два определенных химических элемента, количество элемента A на меру элемента B будет отличаться в этих соединениях на соотношение малых целых чисел. Эта закономерность предполагала, что каждый элемент объединяется с другими элементами в кратных основной единице веса, причем каждый элемент имеет единицу уникального веса. Дальтон решил назвать эти единицы «атомами». [4]
Например, существует два типа оксида олова : один представляет собой серый порошок, который состоит из 88,1% олова и 11,9% кислорода, а другой представляет собой белый порошок, который состоит из 78,7% олова и 21,3% кислорода. Корректируя эти цифры, в сером порошке содержится около 13,5 г кислорода на каждые 100 г олова, а в белом порошке содержится около 27 г кислорода на каждые 100 г олова. 13,5 и 27 образуют соотношение 1:2. Дальтон пришел к выводу, что в сером оксиде содержится один атом кислорода на каждый атом олова, а в белом оксиде содержится два атома кислорода на каждый атом олова ( SnO и SnO 2 ). [5] [6]
Дальтон также проанализировал оксиды железа . Существует один тип оксида железа, который представляет собой черный порошок, который состоит из 78,1% железа и 21,9% кислорода; и есть другой оксид железа, который представляет собой красный порошок, который состоит из 70,4% железа и 29,6% кислорода. Корректируя эти цифры, в черном порошке содержится около 28 г кислорода на каждые 100 г железа, а в красном порошке содержится около 42 г кислорода на каждые 100 г железа. 28 и 42 образуют соотношение 2:3. Дальтон пришел к выводу, что в этих оксидах на каждые два атома железа приходится два или три атома кислорода соответственно ( Fe 2 O 2 и Fe 2 O 3 ). [b] [7] [8]
В качестве последнего примера: закись азота состоит на 63,3% из азота и на 36,7% из кислорода, окись азота состоит на 44,05% из азота и на 55,95% из кислорода, а двуокись азота состоит на 29,5% из азота и на 70,5% из кислорода. Корректируя эти цифры, получаем, что в закиси азота на каждые 140 г азота приходится 80 г кислорода, в оксиде азота на каждые 140 г азота приходится около 160 г кислорода, а в двуокиси азота на каждые 140 г азота приходится 320 г кислорода. 80, 160 и 320 образуют соотношение 1:2:4. Соответствующие формулы для этих оксидов — N 2 O , NO и NO 2 . [9] [10]
В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл, что катодные лучи не являются формой света, а состоят из отрицательно заряженных частиц, поскольку они могут отклоняться электрическими и магнитными полями. [11] Он измерил, что эти частицы по крайней мере в тысячу раз легче водорода (самого легкого атома). [12] Он назвал эти новые частицы корпускулами , но позже они были переименованы в электроны, поскольку это частицы, которые переносят электричество. [13] Томсон также показал, что электроны идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. [14] Томсон объяснил, что электрический ток - это передача электронов от одного атома к другому, и когда тока нет, электроны внедряются в атомы. Это, в свою очередь, означает, что атомы не являются неделимыми, как думали ученые. Атом состоит из электронов, отрицательный заряд которых уравновешивается некоторым источником положительного заряда, создавая электрически нейтральный атом. Ионы, объяснил Томсон, должны быть атомами, которые имеют избыток или недостаток электронов. [15]
Электроны в атоме логически должны были быть уравновешены соразмерным количеством положительного заряда, но Томсон понятия не имел, откуда взялся этот положительный заряд, поэтому он предположил, что этот положительный заряд был повсюду в атоме, поскольку атом имел форму сферы. Исходя из этого, он предположил, что баланс электростатических сил распределит электроны по всей сфере более или менее равномерно. [16] Модель Томсона широко известна как модель сливового пудинга , хотя ни Томсон, ни его коллеги не использовали эту аналогию. [17] Модель Томсона была неполной, она не могла предсказать никаких других свойств элементов, таких как спектры испускания и валентности . Она вскоре устарела с открытием атомного ядра .
Между 1908 и 1913 годами Эрнест Резерфорд и его коллеги Ганс Гейгер и Эрнест Марсден провели ряд экспериментов, в которых они бомбардировали тонкие металлические фольги пучком альфа-частиц . Они сделали это, чтобы измерить картины рассеяния альфа-частиц. Они заметили небольшое количество альфа-частиц, отклоняющихся на углы больше 90°. Это не должно было быть возможным согласно модели атома Томсона, чьи заряды были слишком рассеяны, чтобы производить достаточно сильное электрическое поле. Все отклонения должны были быть пренебрежимо малыми. Резерфорд предположил, что положительный заряд атома вместе с большей частью массы атома сосредоточены в крошечном ядре в центре атома. Только такая интенсивная концентрация положительного заряда, закрепленная его большой массой и отделенная от отрицательного заряда, могла создать электрическое поле, которое могло бы так сильно отклонять альфа-частицы. [18]
Проблема классической механики заключается в том, что ускоряющаяся заряженная частица испускает электромагнитное излучение, в результате чего частица теряет кинетическую энергию. Круговое движение считается ускорением, что означает, что электрон, вращающийся вокруг центрального заряда, должен по спирали падать в ядро, теряя скорость. В 1913 году физик Нильс Бор предложил новую модель, в которой предполагалось, что электроны атома вращаются вокруг ядра, но могут делать это только по конечному набору орбит и могут перескакивать между этими орбитами только в дискретных изменениях энергии, соответствующих поглощению или излучению фотона. [19] Это квантование использовалось для объяснения того, почему орбиты электронов стабильны и почему элементы поглощают и испускают электромагнитное излучение в дискретных спектрах. [20] Модель Бора могла предсказать только спектры излучения водорода, но не атомов с более чем одним электроном.
Еще в 1815 году Уильям Праут заметил, что атомные веса многих элементов кратны атомному весу водорода, что на самом деле верно для всех из них, если принять во внимание изотопы . В 1898 году Дж. Дж. Томсон обнаружил, что положительный заряд иона водорода равен отрицательному заряду электрона. [21] В 1913 году Генри Мозли обнаружил, что частоты рентгеновского излучения возбужденного атома являются математической функцией его атомного номера и заряда ядра водорода. В 1917 году Резерфорд бомбардировал азотный газ альфа-частицами и обнаружил ионы водорода , испускаемые газом, и пришел к выводу, что они были получены альфа-частицами, ударяющими и расщепляющими атомы азота. [22]
Эти наблюдения привели Резерфорда к выводу, что ядро водорода является особой частицей с положительным зарядом, равным отрицательному заряду электрона. [23] Он назвал эту частицу « протоном » в 1920 году. [24] Атомный номер элемента , который определяется как положение элемента в периодической таблице , также является числом протонов в его ядре. Атомный вес каждого элемента больше, чем его число протонов, поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу, что избыточный вес переносится неизвестными частицами без электрического заряда и с массой, равной массе протона.
В 1928 году Уолтер Боте заметил, что бериллий испускает высокопроникающее, электрически нейтральное излучение при бомбардировке альфа-частицами. Позже было обнаружено, что это излучение может выбивать атомы водорода из парафинового воска . Первоначально считалось, что это было высокоэнергетическое гамма-излучение , поскольку гамма-излучение оказывало аналогичное воздействие на электроны в металлах, но Джеймс Чедвик обнаружил, что эффект ионизации был слишком сильным, чтобы быть следствием электромагнитного излучения, при условии сохранения энергии и импульса во взаимодействии. В 1932 году Чедвик подверг различные элементы, такие как водород и азот, воздействию таинственного «бериллиевого излучения», и, измеряя энергии отскакивающих заряженных частиц, он пришел к выводу, что излучение на самом деле состояло из электрически нейтральных частиц, которые не могли быть безмассовыми, как гамма-лучи, но вместо этого должны были иметь массу, близкую к массе протона. Теперь Чедвик утверждал, что эти частицы были нейтронами Резерфорда. [25]
В 1925 году Вернер Гейзенберг опубликовал первую последовательную математическую формулировку квантовой механики ( матричная механика ). [26] Годом ранее Луи де Бройль предположил, что все частицы ведут себя как волны в некоторой степени, [27] и в 1926 году Эрвин Шредингер использовал эту идею для разработки уравнения Шредингера , которое описывает электроны как трехмерные волновые формы, а не точки в пространстве. [28] Следствием использования волновых форм для описания частиц является то, что математически невозможно получить точные значения как для положения, так и для импульса частицы в заданный момент времени. Это стало известно как принцип неопределенности , сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. [26] В этой концепции для заданной точности измерения положения можно получить только диапазон вероятных значений для импульса, и наоборот. [29] Таким образом, планетарная модель атома была отвергнута в пользу модели, описывающей атомные орбитальные зоны вокруг ядра, где данный электрон с наибольшей вероятностью может находиться. [30] [31] Эта модель смогла объяснить наблюдения за поведением атомов, которые не могли объяснить предыдущие модели, такие как определенные структурные и спектральные закономерности атомов, более крупных, чем водород.
Хотя слово атом изначально обозначало частицу, которую нельзя разрезать на более мелкие частицы, в современном научном использовании атом состоит из различных субатомных частиц . Составными частицами атома являются электрон , протон и нейтрон .
Электрон является наименее массивной из этих частиц на четыре порядка по массе.9,11 × 10 −31 кг , с отрицательным электрическим зарядом и размером, который слишком мал для измерения с помощью имеющихся методов. [32] Это была самая легкая частица с положительной измеренной массой покоя, до открытия массы нейтрино . В обычных условиях электроны связаны с положительно заряженным ядром притяжением, создаваемым противоположными электрическими зарядами. Если атом имеет больше или меньше электронов, чем его атомный номер, то он становится соответственно отрицательно или положительно заряженным как целое; заряженный атом называется ионом . Электроны были известны с конца 19 века, в основном благодаря Дж. Дж. Томсону ; подробности см. в истории субатомной физики .
Протоны имеют положительный заряд и массу1,6726 × 10 −27 кг . Число протонов в атоме называется его атомным числом . Эрнест Резерфорд (1919) заметил, что азот при бомбардировке альфа-частицами выбрасывает то, что, по-видимому, является ядрами водорода. К 1920 году он признал, что ядро водорода является отдельной частицей внутри атома, и назвал его протоном .
Нейтроны не имеют электрического заряда и имеют массу1,6749 × 10 −27 кг . [33] [34] Нейтроны являются самыми тяжелыми из трех составляющих частиц, но их масса может быть уменьшена за счет ядерной энергии связи . Нейтроны и протоны (совместно известные как нуклоны ) имеют сопоставимые размеры — порядка2,5 × 10−15 м — хотя «поверхность» этих частиц не имеет четких границ. [35] Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком .
В Стандартной модели физики электроны являются действительно элементарными частицами без внутренней структуры, тогда как протоны и нейтроны являются составными частицами, состоящими из элементарных частиц, называемых кварками . В атомах есть два типа кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд. Протоны состоят из двух верхних кварков (каждый с зарядом + 2/3 ) и один нижний кварк (с зарядом − 1/3 ). Нейтроны состоят из одного верхнего кварка и двух нижних кварков. Это различие объясняет разницу в массе и заряде между двумя частицами. [36] [37]
Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием (или сильной силой), которое передается глюонами . Протоны и нейтроны, в свою очередь, удерживаются друг с другом в ядре ядерной силой , которая является остатком сильной силы, имеющей несколько иные свойства диапазона (см. статью о ядерной силе для получения дополнительной информации). Глюон является членом семейства калибровочных бозонов , которые являются элементарными частицами, которые являются посредниками физических сил. [36] [37]
Все связанные протоны и нейтроны в атоме составляют крошечное атомное ядро и вместе называются нуклонами . Радиус ядра приблизительно равен фемтометрам , где — общее число нуклонов. [38] Это намного меньше радиуса атома, который составляет порядка 10 5 фм. Нуклоны связаны друг с другом короткодействующим притягивающим потенциалом, называемым остаточной сильной силой . На расстояниях менее 2,5 фм эта сила намного мощнее электростатической силы , которая заставляет положительно заряженные протоны отталкиваться друг от друга. [39]
Атомы одного и того же элемента имеют одинаковое число протонов, называемое атомным номером . В пределах одного элемента число нейтронов может меняться, определяя изотоп этого элемента. Общее число протонов и нейтронов определяет нуклид . Число нейтронов относительно протонов определяет стабильность ядра, при этом некоторые изотопы подвергаются радиоактивному распаду . [40]
Протон, электрон и нейтрон классифицируются как фермионы . Фермионы подчиняются принципу исключения Паули , который запрещает идентичным фермионам, таким как несколько протонов, занимать одно и то же квантовое состояние в одно и то же время. Таким образом, каждый протон в ядре должен занимать квантовое состояние, отличное от всех других протонов, и то же самое относится ко всем нейтронам ядра и всем электронам электронного облака. [41]
Ядро, имеющее разное число протонов и нейтронов, может потенциально перейти в состояние с более низкой энергией посредством радиоактивного распада, который приводит к более близкому соответствию числа протонов и нейтронов. В результате атомы с совпадающим числом протонов и нейтронов более устойчивы к распаду, но с увеличением атомного числа взаимное отталкивание протонов требует все большей доли нейтронов для поддержания стабильности ядра. [41]
Число протонов и нейтронов в атомном ядре может быть изменено, хотя это может потребовать очень высоких энергий из-за сильного взаимодействия. Ядерный синтез происходит, когда несколько атомных частиц объединяются, образуя более тяжелое ядро, например, посредством энергетического столкновения двух ядер. Например, в ядре Солнца протонам требуется энергия от 3 до 10 кэВ, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание — кулоновский барьер — и слиться в одно ядро. [42] Ядерное деление — это противоположный процесс, заставляющий ядро разделяться на два меньших ядра — обычно посредством радиоактивного распада. Ядро также может быть изменено посредством бомбардировки субатомными частицами высокой энергии или фотонами. Если это изменяет число протонов в ядре, атом превращается в другой химический элемент. [43] [44]
Если масса ядра после реакции синтеза меньше суммы масс отдельных частиц, то разница между этими двумя значениями может быть испущена как тип полезной энергии (такой как гамма-луч или кинетическая энергия бета -частицы ), как описано в формуле эквивалентности массы и энергии Альберта Эйнштейна , e =mc2 , где m — потеря массы, а c — скорость света . Этот дефицит является частью энергии связи нового ядра, и именно невосстановимая потеря энергии заставляет слитые частицы оставаться вместе в состоянии, требующем этой энергии для разделения. [45]
Слияние двух ядер, создающее более крупные ядра с меньшими атомными числами, чем у железа и никеля — общее число нуклонов около 60 — обычно является экзотермическим процессом , который высвобождает больше энергии, чем требуется для их соединения. [46] Именно этот процесс высвобождения энергии делает ядерный синтез в звездах самоподдерживающейся реакцией. Для более тяжелых ядер энергия связи на нуклон начинает уменьшаться. Это означает, что процесс слияния, производящий ядро с атомным числом выше примерно 26 и массовым числом выше примерно 60, является эндотермическим процессом . Таким образом, более массивные ядра не могут подвергнуться реакции слияния с выделением энергии, которая может поддерживать гидростатическое равновесие звезды. [41]
Электроны в атоме притягиваются к протонам в ядре электромагнитной силой . Эта сила связывает электроны внутри электростатической потенциальной ямы, окружающей меньшее ядро, что означает, что для того, чтобы электрон вырвался, необходим внешний источник энергии. Чем ближе электрон к ядру, тем больше сила притяжения. Следовательно, электронам, связанным вблизи центра потенциальной ямы, требуется больше энергии для вылета, чем тем, которые находятся на большем расстоянии.
Электроны, как и другие частицы, обладают свойствами как частицы, так и волны . Электронное облако — это область внутри потенциальной ямы, где каждый электрон образует тип трехмерной стоячей волны — волновой формы, которая не движется относительно ядра. Это поведение определяется атомной орбиталью , математической функцией, которая характеризует вероятность того, что электрон окажется в определенном месте при измерении его положения. [47] Вокруг ядра существует только дискретный (или квантованный) набор этих орбиталей, поскольку другие возможные волновые паттерны быстро распадаются на более стабильную форму. [48] Орбитали могут иметь одну или несколько кольцевых или узловых структур и отличаться друг от друга по размеру, форме и ориентации. [49]
Каждая атомная орбиталь соответствует определенному энергетическому уровню электрона. Электрон может изменить свое состояние на более высокий энергетический уровень, поглощая фотон с достаточной энергией, чтобы перейти в новое квантовое состояние. Аналогично, посредством спонтанного излучения , электрон в более высоком энергетическом состоянии может опуститься в более низкое энергетическое состояние, излучая избыточную энергию в виде фотона. Эти характерные значения энергии, определяемые разницей в энергиях квантовых состояний, отвечают за атомные спектральные линии . [48]
Количество энергии, необходимое для удаления или добавления электрона — энергия связи электрона — намного меньше энергии связи нуклонов . Например, требуется всего 13,6 эВ, чтобы оторвать электрон в основном состоянии от атома водорода [50] , по сравнению с 2,23 миллионами эВ для расщепления ядра дейтерия [51] . Атомы электрически нейтральны, если у них равное количество протонов и электронов. Атомы, которые имеют либо дефицит, либо избыток электронов, называются ионами . Электроны, которые находятся дальше всего от ядра, могут быть переданы другим близлежащим атомам или разделены между атомами. Благодаря этому механизму атомы способны связываться в молекулы и другие типы химических соединений, такие как ионные и ковалентные сетчатые кристаллы [52] .
По определению, любые два атома с одинаковым числом протонов в их ядрах принадлежат к одному и тому же химическому элементу . Атомы с равным числом протонов, но разным числом нейтронов являются различными изотопами одного и того же элемента. Например, все атомы водорода допускают ровно один протон, но существуют изотопы без нейтронов ( водород-1 , безусловно, самая распространенная форма, [53] также называемая протием), с одним нейтроном ( дейтерий ), двумя нейтронами ( тритий ) и более чем с двумя нейтронами . Известные элементы образуют набор атомных номеров, от однопротонного элемента водорода до 118-протонного элемента оганесона . [54] Все известные изотопы элементов с атомными номерами больше 82 являются радиоактивными, хотя радиоактивность элемента 83 ( висмута ) настолько мала, что ею практически можно пренебречь. [55] [56]
Около 339 нуклидов встречаются в природе на Земле , [57] из которых 251 (около 74%) не распались, и их называют « стабильными изотопами ». Только 90 нуклидов являются стабильными теоретически , в то время как еще 161 (что в сумме составляет 251) не распались, хотя теоретически это энергетически возможно. Они также формально классифицируются как «стабильные». Еще 35 радиоактивных нуклидов имеют период полураспада более 100 миллионов лет и достаточно долгоживущие, чтобы присутствовать с момента рождения Солнечной системы . Этот набор из 286 нуклидов известен как первичные нуклиды . Наконец, известно, что еще 53 короткоживущих нуклида встречаются в природе как дочерние продукты распада первичных нуклидов (например, радий из урана ) или как продукты естественных энергетических процессов на Земле, таких как бомбардировка космическими лучами (например, углерод-14). [58] [примечание 1]
Для 80 химических элементов существует по крайней мере один стабильный изотоп . Как правило, для каждого из этих элементов существует лишь несколько стабильных изотопов, в среднем 3,1 стабильных изотопа на элемент. Двадцать шесть « моноизотопных элементов » имеют только один стабильный изотоп, в то время как наибольшее количество стабильных изотопов, наблюдаемых для любого элемента, составляет десять, для элемента олова . Элементы 43 , 61 и все элементы с номером 83 или выше не имеют стабильных изотопов. [59] : 1–12
Стабильность изотопов зависит от соотношения протонов и нейтронов, а также от наличия определенных «магических чисел» нейтронов или протонов, которые представляют собой закрытые и заполненные квантовые оболочки. Эти квантовые оболочки соответствуют набору энергетических уровней в оболочечной модели ядра; заполненные оболочки, такие как заполненная оболочка из 50 протонов для олова, придают нуклиду необычную стабильность. Из 251 известного стабильного нуклида только четыре имеют как нечетное число протонов , так и нечетное число нейтронов: водород-2 ( дейтерий ), литий-6 , бор-10 и азот-14 . ( Тантал-180m является нечетно-нечетным и наблюдаемо стабильным, но, как предсказывают, распадается с очень длительным периодом полураспада.) Кроме того, только четыре естественных радиоактивных нечетно-нечетных нуклида имеют период полураспада более миллиарда лет: калий-40 , ванадий-50 , лантан-138 и лютеций-176 . Большинство нечетно-нечетных ядер крайне нестабильны по отношению к бета-распаду , поскольку продукты распада являются четно-четными и, следовательно, более прочно связаны из-за эффектов ядерного спаривания . [60]
Большая часть массы атома приходится на протоны и нейтроны, из которых он состоит. Общее число этих частиц (называемых «нуклонами») в данном атоме называется массовым числом . Это положительное целое число и безразмерность (вместо того, чтобы иметь размерность массы), поскольку оно выражает количество. Примером использования массового числа является «углерод-12», который имеет 12 нуклонов (шесть протонов и шесть нейтронов).
Фактическая масса атома в состоянии покоя часто выражается в дальтонах (Да), также называемых единой атомной единицей массы (е.м.). Эта единица определяется как двенадцатая часть массы свободного нейтрального атома углерода-12 , что приблизительно равно1,66 × 10 −27 кг . [61] Водород-1 (самый легкий изотоп водорода, который также является нуклидом с наименьшей массой) имеет атомный вес 1,007825 Да. [62] Значение этого числа называется атомной массой . Данный атом имеет атомную массу, приблизительно равную (в пределах 1%) его массовому числу, умноженному на атомную единицу массы (например, масса азота-14 составляет примерно 14 Да), но это число не будет точно целым числом, за исключением (по определению) случая углерода-12. [63] Самый тяжелый стабильный атом - свинец-208, [55] с массой207,976 6521 Да . [64]
Поскольку даже самые массивные атомы слишком легки, чтобы работать с ними напрямую, химики используют вместо этого единицу моль . Один моль атомов любого элемента всегда имеет одинаковое число атомов (около6,022 × 10 23 ). Это число было выбрано таким образом, что если элемент имеет атомную массу 1 а.е.м., моль атомов этого элемента имеет массу, близкую к одному грамму. Из-за определения единой атомной единицы массы , каждый атом углерода-12 имеет атомную массу ровно 12 Да, и поэтому моль атомов углерода-12 весит ровно 0,012 кг. [61]
Атомы не имеют четко определенной внешней границы, поэтому их размеры обычно описываются в терминах атомного радиуса . Это мера расстояния, на которое электронное облако простирается от ядра. [65] Это предполагает, что атом имеет сферическую форму, которая соблюдается только для атомов в вакууме или свободном пространстве. Атомные радиусы могут быть получены из расстояний между двумя ядрами, когда два атома соединены химической связью . Радиус меняется в зависимости от местоположения атома на атомной диаграмме, типа химической связи, количества соседних атомов ( координационного числа ) и квантово-механического свойства, известного как спин . [66] В периодической таблице элементов размер атома имеет тенденцию увеличиваться при перемещении вниз по столбцам, но уменьшаться при перемещении по строкам (слева направо). [67] Следовательно, самый маленький атом — гелий с радиусом 32 пм , в то время как один из самых больших — цезий с радиусом 225 пм. [68]
Под воздействием внешних сил, таких как электрические поля , форма атома может отклоняться от сферической симметрии . Деформация зависит от величины поля и типа орбитали электронов внешней оболочки, как показывают групповые теоретические соображения. Асферические отклонения могут быть вызваны, например, в кристаллах , где большие кристаллоэлектрические поля могут возникать в узлах решетки с низкой симметрией . [69] [70] Было показано, что значительные эллипсоидальные деформации происходят для ионов серы [71] и ионов халькогена [72] в соединениях типа пирита .
Размеры атомов в тысячи раз меньше длины волны света (400–700 нм ), поэтому их нельзя увидеть с помощью оптического микроскопа , хотя отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа . Чтобы наглядно представить себе крошечность атома, предположим, что типичный человеческий волос имеет ширину около 1 миллиона атомов углерода. [73] Одна капля воды содержит около 2 секстиллионов (2 × 10 21 ) атомов кислорода и в два раза больше атомов водорода. [74] Алмаз весом в один карат с массой2 × 10 −4 кг содержит около 10 секстиллионов (10 22 ) атомов углерода . [примечание 2] Если бы яблоко было увеличено до размеров Земли, то атомы в яблоке были бы примерно такого же размера, как и исходное яблоко. [75]
Каждый элемент имеет один или несколько изотопов, которые имеют нестабильные ядра, подверженные радиоактивному распаду, заставляя ядро испускать частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность может возникнуть, когда радиус ядра велик по сравнению с радиусом сильного взаимодействия, которое действует только на расстояниях порядка 1 фм. [76]
Наиболее распространенными формами радиоактивного распада являются: [77] [78]
Другие более редкие типы радиоактивного распада включают выброс нейтронов или протонов или кластеров нуклонов из ядра, или более одной бета-частицы . Аналогом гамма-излучения, который позволяет возбужденным ядрам терять энергию другим способом, является внутренняя конверсия — процесс, который производит высокоскоростные электроны, которые не являются бета-лучами, за которыми следует производство высокоэнергетических фотонов, которые не являются гамма-лучами. Несколько крупных ядер взрываются на два или более заряженных фрагмента различной массы плюс несколько нейтронов в распаде, называемом спонтанным ядерным делением .
Каждый радиоактивный изотоп имеет характерный период распада — период полураспада — который определяется количеством времени, необходимым для распада половины образца. Это экспоненциальный процесс распада , который неуклонно уменьшает долю оставшегося изотопа на 50% за каждый период полураспада. Следовательно, после того, как пройдут два периода полураспада, остается только 25% изотопа и т. д. [76]
Элементарные частицы обладают внутренним квантово-механическим свойством, известным как спин . Это аналогично угловому моменту объекта, который вращается вокруг своего центра масс , хотя, строго говоря, эти частицы считаются точечными и не могут быть названы вращающимися. Спин измеряется в единицах приведенной постоянной Планка (ħ), причем электроны, протоны и нейтроны все имеют спин 1 ⁄ 2 ħ, или «спин- 1 ⁄ 2 ». В атоме электроны, движущиеся вокруг ядра, обладают орбитальным угловым моментом в дополнение к своему спину, в то время как само ядро обладает угловым моментом из-за своего ядерного спина. [79]
The magnetic field produced by an atom—its magnetic moment—is determined by these various forms of angular momentum, just as a rotating charged object classically produces a magnetic field, but the most dominant contribution comes from electron spin. Due to the nature of electrons to obey the Pauli exclusion principle, in which no two electrons may be found in the same quantum state, bound electrons pair up with each other, with one member of each pair in a spin up state and the other in the opposite, spin down state. Thus these spins cancel each other out, reducing the total magnetic dipole moment to zero in some atoms with even number of electrons.[80]
In ferromagnetic elements such as iron, cobalt and nickel, an odd number of electrons leads to an unpaired electron and a net overall magnetic moment. The orbitals of neighboring atoms overlap and a lower energy state is achieved when the spins of unpaired electrons are aligned with each other, a spontaneous process known as an exchange interaction. When the magnetic moments of ferromagnetic atoms are lined up, the material can produce a measurable macroscopic field. Paramagnetic materials have atoms with magnetic moments that line up in random directions when no magnetic field is present, but the magnetic moments of the individual atoms line up in the presence of a field.[80][81]
The nucleus of an atom will have no spin when it has even numbers of both neutrons and protons, but for other cases of odd numbers, the nucleus may have a spin. Normally nuclei with spin are aligned in random directions because of thermal equilibrium, but for certain elements (such as xenon-129) it is possible to polarize a significant proportion of the nuclear spin states so that they are aligned in the same direction—a condition called hyperpolarization. This has important applications in magnetic resonance imaging.[82][83]
The potential energy of an electron in an atom is negative relative to when the distance from the nucleus goes to infinity; its dependence on the electron's position reaches the minimum inside the nucleus, roughly in inverse proportion to the distance. In the quantum-mechanical model, a bound electron can occupy only a set of states centered on the nucleus, and each state corresponds to a specific energy level; see time-independent Schrödinger equation for a theoretical explanation. An energy level can be measured by the amount of energy needed to unbind the electron from the atom, and is usually given in units of electronvolts (eV). The lowest energy state of a bound electron is called the ground state, i.e. stationary state, while an electron transition to a higher level results in an excited state.[84] The electron's energy increases along with n because the (average) distance to the nucleus increases. Dependence of the energy on ℓ is caused not by the electrostatic potential of the nucleus, but by interaction between electrons.
For an electron to transition between two different states, e.g. ground state to first excited state, it must absorb or emit a photon at an energy matching the difference in the potential energy of those levels, according to the Niels Bohr model, what can be precisely calculated by the Schrödinger equation. Electrons jump between orbitals in a particle-like fashion. For example, if a single photon strikes the electrons, only a single electron changes states in response to the photon; see Electron properties.
The energy of an emitted photon is proportional to its frequency, so these specific energy levels appear as distinct bands in the electromagnetic spectrum.[85] Each element has a characteristic spectrum that can depend on the nuclear charge, subshells filled by electrons, the electromagnetic interactions between the electrons and other factors.[86]
When a continuous spectrum of energy is passed through a gas or plasma, some of the photons are absorbed by atoms, causing electrons to change their energy level. Those excited electrons that remain bound to their atom spontaneously emit this energy as a photon, traveling in a random direction, and so drop back to lower energy levels. Thus the atoms behave like a filter that forms a series of dark absorption bands in the energy output. (An observer viewing the atoms from a view that does not include the continuous spectrum in the background, instead sees a series of emission lines from the photons emitted by the atoms.) Spectroscopic measurements of the strength and width of atomic spectral lines allow the composition and physical properties of a substance to be determined.[87]
Close examination of the spectral lines reveals that some display a fine structure splitting. This occurs because of spin–orbit coupling, which is an interaction between the spin and motion of the outermost electron.[88] When an atom is in an external magnetic field, spectral lines become split into three or more components; a phenomenon called the Zeeman effect. This is caused by the interaction of the magnetic field with the magnetic moment of the atom and its electrons. Some atoms can have multiple electron configurations with the same energy level, which thus appear as a single spectral line. The interaction of the magnetic field with the atom shifts these electron configurations to slightly different energy levels, resulting in multiple spectral lines.[89] The presence of an external electric field can cause a comparable splitting and shifting of spectral lines by modifying the electron energy levels, a phenomenon called the Stark effect.[90]
If a bound electron is in an excited state, an interacting photon with the proper energy can cause stimulated emission of a photon with a matching energy level. For this to occur, the electron must drop to a lower energy state that has an energy difference matching the energy of the interacting photon. The emitted photon and the interacting photon then move off in parallel and with matching phases. That is, the wave patterns of the two photons are synchronized. This physical property is used to make lasers, which can emit a coherent beam of light energy in a narrow frequency band.[91]
Valency is the combining power of an element. It is determined by the number of bonds it can form to other atoms or groups.[92] The outermost electron shell of an atom in its uncombined state is known as the valence shell, and the electrons in that shell are called valence electrons. The number of valence electrons determines the bondingbehavior with other atoms. Atoms tend to chemically react with each other in a manner that fills (or empties) their outer valence shells.[93] For example, a transfer of a single electron between atoms is a useful approximation for bonds that form between atoms with one-electron more than a filled shell, and others that are one-electron short of a full shell, such as occurs in the compound sodium chloride and other chemical ionic salts. Many elements display multiple valences, or tendencies to share differing numbers of electrons in different compounds. Thus, chemical bonding between these elements takes many forms of electron-sharing that are more than simple electron transfers. Examples include the element carbon and the organic compounds.[94]
The chemical elements are often displayed in a periodic table that is laid out to display recurring chemical properties, and elements with the same number of valence electrons form a group that is aligned in the same column of the table. (The horizontal rows correspond to the filling of a quantum shell of electrons.) The elements at the far right of the table have their outer shell completely filled with electrons, which results in chemically inert elements known as the noble gases.[95][96]
Quantities of atoms are found in different states of matter that depend on the physical conditions, such as temperature and pressure. By varying the conditions, materials can transition between solids, liquids, gases and plasmas.[97] Within a state, a material can also exist in different allotropes. An example of this is solid carbon, which can exist as graphite or diamond.[98] Gaseous allotropes exist as well, such as dioxygen and ozone.
At temperatures close to absolute zero, atoms can form a Bose–Einstein condensate, at which point quantum mechanical effects, which are normally only observed at the atomic scale, become apparent on a macroscopic scale.[99][100] This super-cooled collection of atoms then behaves as a single super atom, which may allow fundamental checks of quantum mechanical behavior.[101]
While atoms are too small to be seen, devices such as the scanning tunneling microscope (STM) enable their visualization at the surfaces of solids. The microscope uses the quantum tunneling phenomenon, which allows particles to pass through a barrier that would be insurmountable in the classical perspective. Electrons tunnel through the vacuum between two biased electrodes, providing a tunneling current that is exponentially dependent on their separation. One electrode is a sharp tip ideally ending with a single atom. At each point of the scan of the surface the tip's height is adjusted so as to keep the tunneling current at a set value. How much the tip moves to and away from the surface is interpreted as the height profile. For low bias, the microscope images the averaged electron orbitals across closely packed energy levels—the local density of the electronic states near the Fermi level.[102][103] Because of the distances involved, both electrodes need to be extremely stable; only then periodicities can be observed that correspond to individual atoms. The method alone is not chemically specific, and cannot identify the atomic species present at the surface.
Atoms can be easily identified by their mass. If an atom is ionized by removing one of its electrons, its trajectory when it passes through a magnetic field will bend. The radius by which the trajectory of a moving ion is turned by the magnetic field is determined by the mass of the atom. The mass spectrometer uses this principle to measure the mass-to-charge ratio of ions. If a sample contains multiple isotopes, the mass spectrometer can determine the proportion of each isotope in the sample by measuring the intensity of the different beams of ions. Techniques to vaporize atoms include inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry, both of which use a plasma to vaporize samples for analysis.[104]
The atom-probe tomograph has sub-nanometer resolution in 3-D and can chemically identify individual atoms using time-of-flight mass spectrometry.[105]
Electron emission techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES), which measure the binding energies of the core electrons, are used to identify the atomic species present in a sample in a non-destructive way. With proper focusing both can be made area-specific. Another such method is electron energy loss spectroscopy (EELS), which measures the energy loss of an electron beam within a transmission electron microscope when it interacts with a portion of a sample.
Spectra of excited states can be used to analyze the atomic composition of distant stars. Specific light wavelengths contained in the observed light from stars can be separated out and related to the quantized transitions in free gas atoms. These colors can be replicated using a gas-discharge lamp containing the same element.[106] Helium was discovered in this way in the spectrum of the Sun 23 years before it was found on Earth.[107]
Baryonic matter forms about 4% of the total energy density of the observable universe, with an average density of about 0.25 particles/m3 (mostly protons and electrons).[108] Within a galaxy such as the Milky Way, particles have a much higher concentration, with the density of matter in the interstellar medium (ISM) ranging from 105 to 109 atoms/m3.[109] The Sun is believed to be inside the Local Bubble, so the density in the solar neighborhood is only about 103 atoms/m3.[110] Stars form from dense clouds in the ISM, and the evolutionary processes of stars result in the steady enrichment of the ISM with elements more massive than hydrogen and helium.
Up to 95% of the Milky Way's baryonic matter are concentrated inside stars, where conditions are unfavorable for atomic matter. The total baryonic mass is about 10% of the mass of the galaxy;[111] the remainder of the mass is an unknown dark matter.[112] High temperature inside stars makes most "atoms" fully ionized, that is, separates all electrons from the nuclei. In stellar remnants—with exception of their surface layers—an immense pressure make electron shells impossible.
Electrons are thought to exist in the Universe since early stages of the Big Bang. Atomic nuclei forms in nucleosynthesis reactions. In about three minutes Big Bang nucleosynthesis produced most of the helium, lithium, and deuterium in the Universe, and perhaps some of the beryllium and boron.[113][114][115]
Ubiquitousness and stability of atoms relies on their binding energy, which means that an atom has a lower energy than an unbound system of the nucleus and electrons. Where the temperature is much higher than ionization potential, the matter exists in the form of plasma—a gas of positively charged ions (possibly, bare nuclei) and electrons. When the temperature drops below the ionization potential, atoms become statistically favorable. Atoms (complete with bound electrons) became to dominate over charged particles 380,000 years after the Big Bang—an epoch called recombination, when the expanding Universe cooled enough to allow electrons to become attached to nuclei.[116]
Since the Big Bang, which produced no carbon or heavier elements, atomic nuclei have been combined in stars through the process of nuclear fusion to produce more of the element helium, and (via the triple-alpha process) the sequence of elements from carbon up to iron;[117] see stellar nucleosynthesis for details.
Isotopes such as lithium-6, as well as some beryllium and boron are generated in space through cosmic ray spallation.[118] This occurs when a high-energy proton strikes an atomic nucleus, causing large numbers of nucleons to be ejected.
Elements heavier than iron were produced in supernovae and colliding neutron stars through the r-process, and in AGB stars through the s-process, both of which involve the capture of neutrons by atomic nuclei.[119] Elements such as lead formed largely through the radioactive decay of heavier elements.[120]
Most of the atoms that make up the Earth and its inhabitants were present in their current form in the nebula that collapsed out of a molecular cloud to form the Solar System. The rest are the result of radioactive decay, and their relative proportion can be used to determine the age of the Earth through radiometric dating.[121][122] Most of the helium in the crust of the Earth (about 99% of the helium from gas wells, as shown by its lower abundance of helium-3) is a product of alpha decay.[123]
There are a few trace atoms on Earth that were not present at the beginning (i.e., not "primordial"), nor are results of radioactive decay. Carbon-14 is continuously generated by cosmic rays in the atmosphere.[124] Some atoms on Earth have been artificially generated either deliberately or as by-products of nuclear reactors or explosions.[125][126] Of the transuranic elements—those with atomic numbers greater than 92—only plutonium and neptunium occur naturally on Earth.[127][128] Transuranic elements have radioactive lifetimes shorter than the current age of the Earth[129] and thus identifiable quantities of these elements have long since decayed, with the exception of traces of plutonium-244 possibly deposited by cosmic dust.[121] Natural deposits of plutonium and neptunium are produced by neutron capture in uranium ore.[130]
The Earth contains approximately 1.33×1050 atoms.[131] Although small numbers of independent atoms of noble gases exist, such as argon, neon, and helium, 99% of the atmosphere is bound in the form of molecules, including carbon dioxide and diatomic oxygen and nitrogen. At the surface of the Earth, an overwhelming majority of atoms combine to form various compounds, including water, salt, silicates and oxides. Atoms can also combine to create materials that do not consist of discrete molecules, including crystals and liquid or solid metals.[132][133] This atomic matter forms networked arrangements that lack the particular type of small-scale interrupted order associated with molecular matter.[134]
All nuclides with atomic numbers higher than 82 (lead) are known to be radioactive. No nuclide with an atomic number exceeding 92 (uranium) exists on Earth as a primordial nuclide, and heavier elements generally have shorter half-lives. Nevertheless, an "island of stability" encompassing relatively long-lived isotopes of superheavy elements[135] with atomic numbers 110 to 114 might exist.[136] Predictions for the half-life of the most stable nuclide on the island range from a few minutes to millions of years.[137] In any case, superheavy elements (with Z > 104) would not exist due to increasing Coulomb repulsion (which results in spontaneous fission with increasingly short half-lives) in the absence of any stabilizing effects.[138]
Each particle of matter has a corresponding antimatter particle with the opposite electrical charge. Thus, the positron is a positively charged antielectron and the antiproton is a negatively charged equivalent of a proton. When a matter and corresponding antimatter particle meet, they annihilate each other. Because of this, along with an imbalance between the number of matter and antimatter particles, the latter are rare in the universe. The first causes of this imbalance are not yet fully understood, although theories of baryogenesis may offer an explanation. As a result, no antimatter atoms have been discovered in nature.[139][140] In 1996, the antimatter counterpart of the hydrogen atom (antihydrogen) was synthesized at the CERN laboratory in Geneva.[141][142]
Other exotic atoms have been created by replacing one of the protons, neutrons or electrons with other particles that have the same charge. For example, an electron can be replaced by a more massive muon, forming a muonic atom. These types of atoms can be used to test fundamental predictions of physics.[143][144][145]
There are 2,000,000,000,000,000,000,000 (that's 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen.