Атом

редактировать
наименьшая единица химического элемента

Атом
Основное состояние атома гелия. Иллюстрация атома гелия, изображающая ядро (розовый) и распределение электронные облака (черный). Ядро (вверху справа) в гелии-4 на самом деле сферически симметрично и очень похоже на электронное облако, хотя для более сложных ядер это не всегда так. Черная полоса составляет один огрем (10 м или 100 pm ).
Классификация
Наименьшее признанное деление химического элемента
Свойства
Диапазон масс от 1,67 × 10 до 4,52 × 10 кг
Электрический заряд ноль (нейтраль) или ион заряд
Диаметр диапазон62 пм (He ) до 520 pm (Cs ) (страница данных )
Компоненты Электроны и компактное ядро ​​ из протонов и нейтронов

атом - это наименьшая единица обычная материи, которая образует химический элемент. Каждый твердый, жидкий, газ и плазма состоит из нейтральных или ионизированных объектов. Атомы очень малы, обычно около 100 пикометров в поперечнике. малы, что точно предсказать их поведение с помощью классической физики - например, если бы они были теннисными мячами - невозможно из-за квантовых эфф ектов.

Каждый атом состоит из ядро ​​ и один или несколько электроны связаны с ядром. Ядро состоит из одного или нескольких протонов и ряда нейтронов. Только самая распространенная разновидность водорода не имеет нейтронов. Более 99,94% массы атома находится в ядре. Протоны имеют положительный заряд электрический заряд, электроны имеют отрицательный электрический заряд, а нейтроны имеют положительный электрический заряд. Если количество протонов и электронов равно, то атом электрически нейтрален. Если у атома больше или меньше электронов, чем протонов, то он имеет отрицательный или положительный заряд, соответственно - такие атомы называются ионами.

Электроны атома притягиваются к протонам в атомном ядре посредством электромагнитная сила. Протоны и нейтроны в ядре притягиваются друг к другу ядерной силой. Эта сила обычно сильнее, чем электромагнитная сила, отталкивает положительно заряженные протоны друг от друга. При рассмотрении обстоятельств отталкивающая электромагнитная сила становится сильнее ядерной. В этом случае ядро ​​разделяет, а оставляет после себя разные элементы. Это форма ядерного распада.

Число протонов в ядре - это атомный номер, и он определяет, к какому химическому элементу принадлежит атом. Например, любой атом, предлагается 29 протонов, является медью. Количество нейтронов определяет изотоп элемента. Атомы могут присоединяться к одному или нескольким другим атомам химическими связями с образованием химическими соединениями, таких как молекулы или кристаллы. Способность элементов объединяться и диссоциировать ответственна за другие физические изменения, наблюдаемых в природе. Химия - дисциплина, изучающая эти изменения.

Содержание

  • 1 История теории атома
    • 1.1 В философии
    • 1.2 Закон кратных пропорций Дальтона
    • 1.3 Кинетическая теория газов
    • 1.4 Броуновское движение
    • 1.5 Открытие электрона
    • 1.6 Открытие ядра
    • 1.7 Открытие изотопов
    • 1.8 Модель Бора
    • 1.9 Модель Шредингера
    • 1.10 Открытие нейтрона
    • 1.11 Деление, физика высоких энергий и конденсированное вещество
  • 2 Структура
    • 2.1 Субатомные частицы
    • 2.2 Ядро
    • 2.3 Электронное облако
  • 3 Свойства
    • 3.1 Ядерные свойства
    • 3.2 Масса
    • 3.3 Форма и размер
    • 3.4 Радиоактивный распад
    • 3,5 Магнитный момент
    • 3, 6 Уровни энергии
    • 3,7 Валентность и поведение связи
    • 3.8 Состояния
  • 4 Идентификация
  • 5 Происхождение и текущее состояние
    • 5.1 Формирование
    • 5.2 Земля
    • 5.3 Редкие и теоретические формы
      • 5.3.1 Сверхтяжелые элементы
      • 5.3.2 Экзотическая материя
  • 6 См. Также
  • 7 Примечания
  • 8 Ссылки
  • 9 Библиография
  • 10 Дополнительная литература
  • 11ние ссылки

История атомной энергетики

В философии

Основная появилась идея о том, что материя состоит из крошечных неделимых частиц, очень старая, она появилась во многих древних культурах, как Греция и Индия. Эта древняя идея была основана на философских рассуждениях, а не на научных рассуждениях. Слово «атом» происходит от греческого слова «атомос», что означает «неразрезанный».

Закон множественных пропорций Дальтона

Атомы и молекулы, изображенные в Новой системе Джона Далтона химической философии об. 1 (1808)

В начале 1800-х годов Джон Далтон собрал экспериментальные данные, собранные им самим и другими учеными, и обнаружил закономерность, известную теперь как «закон множественных пропорций ». Он, что в химических соединениях будет отличаться малыми целыми числами. Этот образец подсказал Дальтону, что каждый химический элемент объединяется с другими посредством некоторой определенной и согласованной единицы массы.

Например, существует два типа оксида олова : один представляет собой черный порошок, дает 88,1% олова и 11,9% кислорода, а другой - белый порошок, обеспечивающий 78,7% олова. и 21,3% кислорода. Корректируя эти цифры, в черном оксиде содержится около 13,5 г кислорода на каждые 100 голова, а в белом оксиде - примерно 27 г кислорода на каждые 100 голова. 13,5 и 27 образуют соотношение 1: 2. В этих оксидах на каждый атом олова приходится один или два атома кислорода соответственно (SnO и SnO 2 ).

В качестве второго примера Дальтон рассмотрел два оксида железа : черный порошок, который содержит 78,1% железа и 21,9% кислорода, и красный порошок, который содержит 70,4% железа и 29,6% кислорода. около 28 г кислорода на каждые 100 г железа, а красный оксид содержит около 42 г кислорода на каждые 100 г железа.28 и 42 образуют соотношение 2: 3. В этих соответствующих оксидах на каждые два атома железа приходится два или три атома кислорода ( Fe2O2 и Fe2O3 ).

В качестве последнего примера: закись азота - это 63,3% азота и 36,7% кислорода, оксид азота - 44,05% азота и 55, 95% кислорода, и азот. Диоксид - это 29,5% азота и 70,5% кислорода. Если поправить цифры, на каждые 140 г азота в этих оксидах приходится примерно 80 г, 160 г и 320 г кислорода соответственно, что дает соотношение 1: 2: 4. Соответствующие формулы для t эти оксиды - это N2O, NO и NO2.

кинетическая теория газов

В конце 18 века ряд ученых разработал, описывая их как совокупность субмикроскопических частиц и моделирование их поведения с использованием статистики и вероятности. В отличие от атомной теории Дальтона, кинетическая теория газов не является то, как газы химически реагируют друг с другом с образованием соединений, как они ведут себя физически: диффузия, вязкость, проводимость, давление и т. Д.

Броуновское движение

В 1827 году ботаник Роберт Браун использовал микроскоп, чтобы посмотреть на частицы пыли, плавающие в воде, и обнаружил, что они беспорядочно перемещаются, явление, которое стало известно как «Броуновское движение ». Считалось, что это вызвано ударами молекул воды по зернам. В 1905 году Альберт Эйнштейн доказал реальность этих молекул и их движений, выполнив первый статистический физический анализ броуновского движения. Французский физик Жан Перрен использовал работу Эйнштейна для экспериментального определения массы и размеров молекул, тем самым предоставив физические доказательства корпулярной природы материи.

Открытие электрона

Эксперимент Гейгера-Марсдена :. Слева: Ожидаемые результаты: альфа-частицы проходят через модель атома с пудингом с пренебрежимо малым отклонением.. Справа: Наблюдаемые результаты: небольшая часть частиц откло няется концентрированный положительный заряд ядра.

В 1897 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил, что катодные лучи не обладают электромагнитными волнами, а состоят из частиц, которые в 1800 раз легче, чем водород (самый легкий атом). Следовательно, это были не атомы, новая часть, первая субатомная части, которую нужно было открыть. Он назвал эти новые частицы корпускулами, но позже они были переименованы в электроны. Томсон также показал, что электроны идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. Было быстро признано, что электроны - это частицы, которые переносят электрические токи в металлические провода. Томсон пришел к выводу, что эти электроны вышли из самих катода в его инструментах, а это означало, что атомы не неделимы, как предполагает название атомос.

Открытие ядра

Дж. Дж. Томсон, что отрицательно заряженные электроны были распределены по всему атому в море положительного заряда, это было распределено по всему объему атома. Эта модель иногда известна как модель сливового пудинга.

Эрнест Резерфорд и его коллеги Ханс Гейгер и Эрнест Марсден усомнились в моделях Томсона после того, как они столкнулись с трудностями, когда пытались построить прибор для измерения отношения заряда к массе альфа-частиц (это положительно заряженные частицы, испускаемые некоторые радиоактивные вещества, такими как радий ). Альфа-частицы рассеивались воздухом в камере обнаружения, что делало измерения ненадежными. Томсон столкнулся с подобной проблемой в своей работе над катодными лучами, которую он решил, создавая почти идеальный вакуум в своих инструментах. Резерфорд не думал, что столкнется с той же проблемой, потому что альфа-частицы намного тяжелее электронов. Согласно модели атома Томсона, положительный заряд в атоме сконцентрирован для создания электрического поля, достаточно сильного, чтобы отклонить альфа-частицу, а электроны настолько легкие, что их должны легко отталкивать гораздо более тяжелые альфа-частицы. Тем не менее, рассеяние имело место, поэтому Резерфорд и его коллеги решили тщательно исследовать это рассеяние.

Между 1908 и 1913 годами Резерфорд и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкие фольги металла альфа-частями. Они заметили альфа-частицы, отклоняющиеся на угол более 90 °. Чтобы вычислить это, предположить, что положительный заряд атома не распределяется по объему атома, как полагается Томсон, а сосредоточен в крошечном ядре в центре. Только такая интенсивная зарядка может создать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы отклонить наблюдаемые альфа-частицы.

Открытие изотопов

Во время экспериментов с продуктами радиоактивного распада, в 1913 году радиохимик Фредерик Содди обнаружил, что в каждая позиция периодической таблицы, по-видимому, присутствует более одного типа элементов. Термин изотоп был придуман Маргарет Тодд как подходящее название для разных элементов, принадлежащих одному и тому же элементу. Дж. Дж. Томсон создал метод разделения изотопов в своей работе над ионизированными газами, которая обеспечивает привела к открытию стабильных изотопов.

модель Бора

Модель Бора атома, когда электрон совершает мгновенные «Квантовые скачки» с одной орбиты на другом увеличении энергии. Эта модель электронов на орбитах устарела.

В 1913 году физик Нильс Бор используя модель, которая предполагала, что электроны атома вращаются вокруг ядра, но могли сделать это только в конечном году наборе орбиты, и могли перепрыгивать между этими орбитами только при дискретных изменениях энергии, соответствующему поглощению или излучению фотона. Это квантование использовалось, чтобы объяснить, почему орбиты электронов стабильны (учитывая, что обычно заряды при ускорении, включая круговое движение, теряют кинетическую энергию, которая испускается как электромагнитное излучение, см. синхротронное излучение ) и почему элементы поглощают и испускать электромагнитное излучение в дискретных спектрах.

Позже в том же году Генри Мозли предоставил дополнительные экспериментальные доказательства пользу теории Нильса Бора. Эти результаты уточняют модель Эрнеста Резерфорда и Антониуса ван ден Брука, согласно которой в своем ядре атом содержит ряд положительных ядерные заряды, равные его (атомному) номеру в периодической таблице. До этих экспериментов атомный номер не известен как физическая и экспериментальная величина. То, что он равен заряду атомного ядра, остается принятой атомной моделью сегодня.

Химические связи между атомами были объяснены Гилбертом Ньютоном Льюисом в 1916 году как взаимодействие между составляющими их электронами. Известно было, что химические свойства элементов в степени повторяются в соответствии с периодическим законом, в 1919 году американский химик Ирвинг Ленгмюр предположил, что это можно объяснить если электроны в атоме каким-то образом связаны или сгруппированы. Считается, что группы электронов занимают набор электронных оболочек вокруг ядра.

Модель атома Бора была первой военной моделью атома. Он описал структуру атомов, как атомы друг с другом, и предсказал спектральную структуру водорода. Модель Бора не была совершенной и вскоре была заменена более точной моделью Шредингера, но ее было достаточно, чтобы развеять все оставшиеся сомнения в том, что материя состоит из элементов. Для химиков идея атома была создана новая физическая модель атома.

Модель Шредингера

Эксперимент Штерна-Герлаха 1922 года предоставил дополнительные доказательства квантовой природы атомных свойств. Когда пучок серебра пропускался через магнитное поле особой формы, пучок разделялся таким образом, чтобы коррелировать с направлением углового момента атома, или спином. Это направление вращения изначально является случайным, можно ожидать, что оно отклоняется в случайном направлении. Вместо этого луч был разделен на две составляющие направления, соответствующие атомному спину, ориентированному вверх или вниз по отношению к магнитному полюсу.

В 1925 году Вернер Гейзенберг опубликовал первую последовательную математическую формулу квантовой механики (матричная механика ). Годом ранее Луи де Бройль использовал гипотезу де Бройля : все частицы в той или иной степени ведут себя как волны, и в 1926 году Эрвин Шредингер использовал эту идею. система уравнение Шредингера, математическую модель атома (волновая механика), которая включает электроны как трехмерные волновые формы, а не точечные частицы.

Следующее использование форм волны для частиц частиц в том, что математически невозможно получить точные значения как для позиции, так и для импульса частиц в данный момент времени; это стало известно как принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. В этой концепции для заданной точности измерения положения можно было получить только диапазон вероятных значений импульса, наоборот. Эта модель смогла наблюдения за электрическими моделями, которые не могли быть объяснены предыдущими моделями, например, источники структурные и спектральные образцы крупнее водорода. Таким образом, планетарная модель атома была отвергнута в пользу той, которая описывала атомные орбитальные зоны вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью будет наблюдаться данный электрон.

Открытие нейтрона

Разработка масс-спектрометра позволила измерить массу элементов с повышенной точностью. Устройство использует магнит, чтобы искривлять траекторию пучка, а величина отклонения является отношением массы атома к его заряду. Химик Фрэнсис Уильям Астон использовал этот прибор, чтобы показать, что изотопы имеют разные массы. атомная масса эти изотопов изменялась на целые числа, что называется правилом целых чисел. Объяснение этих различных изотопов ожидало открытия нейтрона, незаряженной частицы с массой, аналогичной протону, физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Затем изотопы были объяснены как элементы с одинаковым числом нейтронов в ядре.

Деление, физика высоких энергий и конденсированное вещество

В 1938 году немецкий химик Отто Хан, ученик Резерфорда, направил нейтроны на атомы урана, надеясь получить трансурановые элементы. Вместо этого его химические эксперименты показали в качестве продукта барий. Год спустя Лиз Мейтнер и ее племянник Отто Фриш подтвердили, что результат Хана был первым экспериментальным ядерным делением. В 1944 году Хан получил Нобелевскую премию по химии. Несмотря на усилия Хана, вклад Мейтнер и Фриш не получил признания.

В 1950-х годах разработка улучшенных ускорителей частиц и детекторов частиц позволила ученым изучить удары атомов, движущихся с высокими энергиями. Нейтроны и протоны оказались адронами или составами более мелких частиц, называемых кварками. Была разработана стандартная модель физики элементарных частиц, которая до сих пор успешно объясняла свойства ядра в терминах этих субатомных частиц и сил, которые управляют их взаимодействиями.

Структура

Субатомные частицы

Хотя слово атом первоначально обозначало частицу, которую нельзя разрезать на более мелкие частицы, в современном научном использовании атом состоит из различных субатомных частиц. Составляющими частицами атома являются электрон, протон и нейтрон.

. Электрон, безусловно, является наименее массивной из этих частиц с размером 9,11 × 10 кг, с отрицательным электрическим зарядом и размером, который слишком мал для измерения с использованием доступных методов. 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 у атома больше или меньше электронов, чем его атомный номер, тогда он становится соответственно отрицательно или положительно заряженным в целом; заряженный атом называется ионом. Электроны известны с конца 19 века, в основном благодаря Дж. Дж. Томсон ; подробности см. в истории субатомной физики.

Протоны имеют положительный заряд и массу в 1836 раз больше, чем у электрона, и составляют 1,6726 × 10 кг. Число протонов в атоме называется его атомным номером. Эрнест Резерфорд (1919) наблюдал, что азот при бомбардировке альфа-частицами выбрасывает то, что выглядело как ядра водорода. К 1920 году он признал ядро ​​водорода отдельной частицей внутри атома и назвал его протоном.

. Нейтроны не имеют электрического заряда и имеют свободную массу в 1839 раз больше массы электрона, или 1,6749 × 10 кг.. Нейтроны - самые тяжелые из трех составляющих частиц, но их масса может быть уменьшена за счет энергии связи ядра. Нейтроны и протоны (вместе известные как нуклоны ) имеют сопоставимые размеры - порядка 2,5 × 10 м, хотя «поверхность» этих частиц четко не определена. Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком.

. В Стандартной модели физики электроны являются действительно элементарными частицами без внутреннейструктуры, как протоны и нейтроны представляют собой составные частицы, состоящие из элементарных частиц называемых кварками. В атомах есть два типа кварков, каждый из которых имеет небольшой электрический заряд. Протоны состоят из двух верхних кварков (каждый с зарядом +2/3) и одного нижних кварков (с зарядом -1/3). Нейтроны состоят из одного верхнего кварка и двух нижних кварков. Это различие объясняет разницу в массе и заряде двух частиц.

Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием, которое обеспечивается глюонами.. Протоны и нейтроны, в свою очередь, удерживаются друг с другом в ядре с помощью ядерной силы, которая является остатком сильного взаимодействия, имеющим несколько других свойств дальности действия (см. Статью о другом ядерном взаимодействии для большего). Глюон является членом семейства калибровочных бозонов, которые представляют собой элементарные частицы, передающие физические силы.

Ядро

энергия связи, необходимая для нуклона, чтобы покинуть ядро, для различных изотопов

Все связанные протоны и нейтроны в атоме составляют крошечное атомное ядро ​​ и все вместе называются нуклонами. Радиус ядра примерно равен 1.07 √A fm, где A - полное число нуклонов. Это намного меньше радиуса атома, который намного меньше порядка 10 фм. Нуклоны связаны между собой короткодействующим потенциалом притяжения, называемым остаточной сильной силой. На расстояниях менее 2,5 фм эта сила намного мощнее, чем электростатическая сила, которая заставляет положительно заряженные протоны отталкиваться друг от друга.

Атомы одного и того же элемента элемента имеют такое же количество протонов, называемое атомным номером . В пределах одного элемента нейтронов может изменяться, определяя изотоп этого элемента. Общее количество протонов и нейтронов определяет нуклид . Число нейтронов относительно протонов обеспечивает стабильность ядра, при этом некоторые изотопы претерпевают радиоактивный распад.

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 находиться в квантовом состоянии, отличном от всех других протонов, и то же самое относится ко всем нейтронам ядра и всем электронам электронного облака.

Ядро с другим номером протонов, чем нейтронов, может быть энергетического упасть до более низкого состояния из-за радиоактивного распада, который приводит к более точному совпадению количества протонов и нейтронов. В результате одного атомного атомарного аппарата требуется увеличение количества ядер для поддержания стабильности ядра.

Иллюстрация процесс ядерного синтеза, при котором из двух протонов образуется ядро ​​дейтерия, состоящее из протона и нейтрона. позитрон (e) - электрон антивещества - испускается вместе с электроном нейтрино.

Число протонов и нейтронов в ядре атома может быть изменено, хотя это может потребовать очень высоких энергий из -за сильного столкновения. Ядерный синтез происходит, когда несколько атомных частиц соединяются с образованием более тяжелого ядра, например, в результате 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 единое ядро. Деление ядра противоположный процесс, в результате которого ядро ​​расщепляется на два меньших ядра - обычно в результате радиоактивного распада. Ядро также можно модифицировать путем бомбардировки субатомными частями высокой энергии или фотонами. Если это изменяет количество протонов в ядре, атом превращается в другой химический элемент.

Если масса ядра после реакции слияния меньше единиц отдельных частиц, то разница между этими двумя значениями может передаваться как тип используемой энергии (например, гамма-луч или кинетическая энергия бета- частицы ), как описано в Формула эквивалентности массы и энергии Альберта Эйнштейна, E = mc 2 {\ displaystyle E = mc ^ {2}}E = mc ^ {2} , где m {\ displaystyle m}m - потеря массы, а c {\ displaystyle c}c - скорость света. Этот дефицит является частью энергии связи нового ядра, и именно безвозвратная потеря энергии заставляет слитые частицы оставаться вместе в состоянии, которое требует разделения этой энергии.

Слияние двух ядер, которые более крупные ядра с меньшими атомными номерами, чем железо и никель - общее число нуклонов около 60 - обычно является экзотермическим. высвобождает больше энергии, чем требуется для их объединения. Именно этот процесс высвобождения энергии делает ядерный синтез в звездах самоподдерживающейся реакцией. Для более тяжелых ядер энергии связи, приходящаяся на нуклон в ядре, начинает уменьшаться. Примерно 26 и атомными массами выше примерно 60, представим себя эндотермический процесс. Эти более массивные ядра не могут подвергаться реакции, производящей энергию, которая может поддерживать гидростатическое равновесие звезды.

Электронное облако

Потенциальная яма, показывающая, согласно классическая механика, минимальная энергия V (x), необходимая для достижения каждой позиции x. Классически части с энергией E ограничена диапазоном положений от x 1 до x 2.

. Электроны в атоме притягиваются к протонам в ядре с помощью электромагнитной силы. Эта сила связывает электроны внутри электростатической потенциальной ямы, окружающей меньшее ядро, что означает, что для выхода электрона необходим внешний источник энергии. Чем ближе к ядру, тем больше сила притяжения. Следовательно, расстояние около потенциальной ямы, требуется больше энергии для выхода, чем электронам, находящимся 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 трехмерную стоячую волну - форму волны, которая не движется относительно ядра. Это поведение определяется атомной орбиталью, математическая функция, которая соответствует вероятности того, что электрон в определенном месте при измерении его положения. Вокруг ядра существует только дискретный (или квантованный ) набор этих орбиталей, поскольку другие возможные волновые структуры быстро распадаются до более стабильной формы. Орбитали могут иметь одну или несколько кольцевых или узловых структур и отличаются друг от друга размером и ориентацией.

Трехмерные изображения некоторых водородоподобных атомных орбиталей, показывающие плотность и фазу вероятности (g орбитали и выше не показаны)

Каждая атомная орбиталь соответствует определенному энергетическому уровню электрона. Электрон может изменить свое состояние на более высокий энергетический уровень, поглощая фотон с энергией, достаточной для перехода его в новое квантовое состояние. Аналогично, посредством спонтанного излучения электрон в состоянии с более высокой энергией может перейти в состояние с более низкой энергией, при этом излучая избыточную энергию в виде фотона. Эти характерные значения энергии, определяемые разницей в энергиях квых состояний, соответствуют за атомные спектральные линии.

Количество энергии, необходимое для удаления или добавления электрона - энергия связи электрона - намного меньше энергии связи нуклонов. Например, требуется всего 13,6 эВ, чтобы отделить электрон основного состояния от атома водорода, по сравнению с 2,23 миллиона эВ для расщепления ядра дейтерия. Атомы электрически нейтральны, если они имеют равное количество протонов и электронов. Атомы, у которых есть дефицит или избыток электронов, называются ионами. Электроны, которые находятся дальше всего от ядра, могут быть переданы другим соседним атомам или разделены между атомами. По этому механизму атомы могут связывать в молекулы и другие типы химические соединения, такие как ионные и ковалентные <278.>сеть кристаллы.

Свойства

Ядерные свойства

По определению, любым двум атома с одинаковым числом протонов в своих ядрах принадлежат одному и тому же химическому элементу. Атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов являются разными изотопами одного и того же элемента. Например, все атомы водорода допускают ровно один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, наиболее распространенная форма, также называемая протием), с одним нейтроном (дейтерий ), два нейтрона (тритий ) и более двух нейтронов. Известные элементы образуют набор атомных номеров, от однопротонного элемента вод до 118-протонного элемента оганессон. Все известные изотопы элементов с атомным номером больше являются радиоактивными, хотя радиоактивность элемента 83 (висмут ) настолько мала, что ею можно пренебречь.

Около 339 нуклидов встречаются в природе в природе. Земля, из которых 252 (около 74%) распад не наблюдались и вызываются как «стабильные изотопы ». Только 90 положительных значений стабильными теоретически, в то время как еще 162 (в результате чего общее число составляет 252) распада не наблюдались, хотя теоретически это энергетически возможно. Они также формально классифицируются как «стабильные». Еще 34 радиоактивных нуклида имеют более 100 миллионов лет и являются долгоживущими, чтобы существовать с момента рождения солнечной системы. Эта коллекция из 286 нуклидов известна как первичные нуклиды. Наконец, еще 53 короткоживущих нуклида, как известно, встречаются в природе как дочерние продукты распада первичных нуклидов (такие как радий из урана ) или как продукты естественных энергетических процессов на Земля, например, бомбардировка космическими лучами (например, углерод-14).

Для 80 химических элементов существует по крайней мере один стабильный изотоп. Как правило, для каждого из этих элементов существует всего несколько стабильных изотопов, в среднем 3,2 стабильных изотопа на элемент. Двадцать шесть элементов имеют только один стабильный изотоп, в то время как наибольшее количество стабильных изотопов, наблюдаемых для любого элемента, равно десяти, для элемента олово. Элементы 43, 61 и все элементы с номерами 83 или выше не имеют стабильных изотопов.

На стабильность изотопов влияет соотношение протонов к нейтронам, а также наличие определенных " магические числа »нейтронов или протонов, которые представляют собой замкнутые и заполненные квантовые оболочки. Эти квантовые оболочки соответствуют набору уровней энергии в пределах оболочечной модели ядра; заполненные оболочки, такие как заполненная оболочка из 50 протонов для олова, придает нуклиду необычную стабильность. Из 252 известных стабильных нуклидов только четыре имеют нечетное количество протонов и нечетное количество нейтронов: водород-2 (дейтерий ), литий-6, бор-10 и азот-14. Кроме того, только четыре встречающихся в природе радиоактивных нечетно-нечетных нуклида имеют период полураспада более миллиарда лет: калий-40, ванадий-50, лантан-138 и тантал-180m. Большинство нечетно-нечетных ядер очень нестабильны по отношению к бета-распаду, потому что продукты распада четно-четные и, следовательно, более сильно связаны из-за эффектов спаривания ядер.

Масса

Большая часть массы атома приходится на протоны и нейтроны, из которых он состоит. Общее количество этих частиц (называемых «нуклонами») в данном атоме называется массовым числом. Это положительное целое число и безразмерно (вместо измерения массы), потому что оно выражает количество. Пример использования массового числа - «углерод-12», который имеет 12 нуклонов (шесть протонов и шесть нейтронов).

Фактическая масса покоящегося атома часто выражается в дальтонах (Да), также называемых единой атомной единицей массы (u). Эта единица определяется как двенадцатая часть массы свободного нейтрального атома углерода-12, что составляет приблизительно 1,66 × 10 кг. Водород-1 (самый легкий изотоп водорода, который также является нуклидом с наименьшей массой) имеет атомный вес 1,007825 Да. Значение этого числа называется атомной массой. У данного атома атомная масса приблизительно равна (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, за исключением ( по определению) в случае углерода-12. Самый тяжелый стабильный атом - это свинец-208 с массой 207,9766521 Да.

Поскольку даже самые массивные атомы слишком легки для непосредственного взаимодействия, химики вместо этого используют единицу моль. Один моль атомов любого элемента всегда имеет одинаковое количество атомов (примерно 6,022 × 10 ). Это число было выбрано таким образом, чтобы, если элемент имеет атомную массу 1 u, 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, поэтому моль атомов углерода-12 весит точно 0,012 кг.

Форма и размер

У атомов нет четко определенной внешней границы, поэтому их размеры обычно описываются в терминах атомного радиуса. Это мера расстояния, на которое электронное облако простирается от ядра. Это предполагает, что атом имеет сферическую форму, которая характерна только для атомов в вакууме или в свободном пространстве. Радиусы элементов могут быть получены из расстояний между ядрами, когда два атома соединены химической связью. Радиус изменяется в зависимости от расположения атома на атомной диаграмме, типа химической связи, количества соседних элементов (координационное число ) и квантово-механического свойств, известных как спина. В периоде таблицы элементов размер атома тенденций увеличиваться при перемещении вниз по столбцам, но уменьшающейся при перемещении по строкам (слева направо). Следовательно, наименьший атом - это гелий с радиусом 32 пм, а один из самых больших - цезий с 225 пм.

При воздействии внешних сил, например электрическое поля, форма атома может отклоняться от сферической симметрии. Деформация зависит от величины поля и орбитального типа электронов внешней оболочки, как показывают теоретико-групповые соображения. Асферические отклонения могут возникнуть, например, в кристаллах, где большие электрические поля кристалла могут возникать в узлах низкосимметричной решетки. Было показано, что значительно эллипсоидальные деформированы для первого серы и первого халькогена в соединениях типа пирита. <4>

Размеры атомов в тысячи раз меньше, чем длина волн света (400–700 нм ), поэтому их невозможно рассмотреть с помощью оптического микроскопа , хотя отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Чтобы представить себе миниатюрность атома, представьте, что типичный человеческий волос составляет около 1 миллиона атомов в ширину. Одна капля воды содержит около 2 секстиллионов (2 × 10) элементов кислорода и вдвое больше элементов водорода. Один алмаз карат с массой 2 × 10 кг содержит около 10 секстиллионов (10) атомов углерода. Если бы яблоко было увеличено до размеров Земли, то атомы в яблоке были бы размером примерно с исходное яблоко.

Радиоактивный распад

На этой диаграмме показан период полураспада (T½) различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

Каждый элемент имеет один или несколько изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего ядро ​​испускает частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность может возникнуть, когда радиус действия великого радиуса действия происходит только на расстоянии 1 фм.

Наиболее распространенными формами радиоактивного распада являются:

  • Альфа-распад : этот процесс возникает, когда ядро ​​испускает альфа-частицу, которая представляет собой ядро ​​гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Результатом излучения является новый элемент с более низким атомным номером.
  • Бета-распадзахват электронов ): эти процессы регулируются слабой силой, и возникают в результате превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон. Переход нейтрона в протон сопровождается испусканием электрона и антинейтрино, в то время как переход от протона к нейтрону (кроме захвата электрона) вызывает испускание позитрона и нейтрино. Эмиссия электронов или позитронов называется бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер ядра на единицу. Захват электронов более распространен, чем эмиссия позитронов, потому что для этого требуется меньше энергии. В этом режиме распадающийся ядром поглощается электрон, а не позитрон, испускаемый ядром. В этом процессе по-прежнему испускается нейтрино, а протонируется в нейтрон.
  • Гамма-распад : этот процесс возникает в результате изменения энергии уровня ядра в более низком состоянии, что приводит к испусканию электромагнитного излучения. радиация. Возбужденное состояние, которое приводит к гамма-излучению, обычно возникает после испускания альфа- или бета-частиц. Таким образом, гамма-распад обычно следует за альфа- или бета-распадом.

Другие более редкие типы радиоактивного распада выброс нейтронов или протонов или кластеров нуклонов из ядра или более бета-частица. Процесс, который производит высокоскоростные электроны, которые являются последующим образованием высокоэнергетических фотонов, которые не являются гамма-лучами, являются внутренним преобразованием.. Несколько ядерных ядер взрываются на два или более заряженных фрагмента различной массы плюс несколько нейтронов в результате распада, называемого спонтанным делением ядер.

. Каждый радиоактивный изотоп имеет характерный период времени распада - период полураспада - определенное время, которое требуется для распада половины образца. Это процесс экспоного распада, который неуклонно снижает своего изотопа на 50% за каждый период полураспада. Следовательно, по прошествии двух периодов полураспада присутствует только 25% изотопа и т. Д.

Магнитный момент

Элементарные частицы частицы внутренним квантово-механическим своим, известным как спин. Это аналогично угловому моменту объекта, который вращается вокруг своего центра масс, хотя, строго говоря, эти части считаются точечными и нельзя сказать, что они вращаются.. Спин измеряется в единицах приведенной постоянной Планка (ħ), причем все электроны, протоны и нейтроны имеют спин ½ ħ, или «спин-½». В атоме электроны, движущиеся вокруг ядра, обладают орбитальным угловым моментом в дополнение к их спину, в то время как само ядро ​​обладает угловым моментом, обусловленным его ядерным спином.

магнитное поле, создаваемое атомом - его магнитный момент - эти различные формы углового момента, точно так же, как вращающийся заряженный объект классически создает магнитное поле, но больше всего преобладающий вкладит электронный спин. Из-за природы электронов, которые подчиняются принципу исключения Паули, в котором два электрона могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны объединяются в пары друг с другом с одним членом каждая пара в состоянии со спином вверх, а другой - в противоположном состоянии со спином вниз. Таким образом, эти спины нейтрализуют друг друга, уменьшая полный магнитный дипольный момент до нуля в некоторых атомах с четным числом электронов.

В ферромагнитных элементах, таких как железо, кобальт и никель, нечетное количество электронов приводит к неспаренному электрону и чистому общему магнитному моменту. Орбитали соседних элементов перекрываются, и более низкое энергетическое состояние достигается, когда спонтанный процесс, известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных элементов выровнены, материал может создать измеримое поле макроскопическое. Парамагнитные материалы имеют атомы с магнитными моментами, которые выстраиваются в случайных направлениях, когда магнитное поле отсутствует, но магнитные моменты отдельных элементов выстраиваются в линию в параметрах поля.

ядро ​​атома не будет иметь спина, если оно имеет четное число нейтронов и протонов, но для других случаев нечетных чисел ядро ​​может иметь спин. Обычно ядра со спином выровнены в случайных направлениях из-за теплового равновесия, но для некоторых элементов (таких как ксенон-129 ) можно поляризовать значительную пропорцию ядерных спиновых состояний, чтобы они были выровнены в одном направлении - состояние, называемое гиперполяризацией. Это имеет важные приложения в магнитно-резонансной томографии.

Уровни энергии

Уровни энергии электрона (не в измерениябе) достаточны для основных состояний среди до кадмия (5s 4d). Не забывайте, что даже верхняя часть диаграммы ниже, чем состояние несвязанного электрона.

потенциальная энергия электрона в атоме отрицательна того, когда расстояние от ядра уходит в бесконечность ; его зависимость от положения электрона достигает минимума внутри ядра, примерно в обратной пропорции к расстоянию. В квантово-механической модели электрон может занимать только набор состояний с центром в ядре, и каждое состояние соответствует определенному энергетическому уровню ; см. не зависящее от времени уравнение Шредингера для теоретического объяснения. Уровень энергии может быть измерен с помощью количества энергии, необходимого для того, чтобы отвязать электрон от атома, и обычно выражается в единицах электронвольт (эВ). Состояние с наименьшей энергией связанного электрона является основным состоянием, то есть стационарным состоянием, как переход электрона на более высоком уровне приводит к возбужденному состоянию. Энергия электрона увеличивается вместе с n, что (среднее) расстояние до ядра увеличивается. Зависимость энергии от вызвана не электростатическим потенциалом ядра, взаимодействием между электронами.

Для перехода электрона в между двумя разными состояниями, например из основного состояния в первое возбужденное состояние, оно должно поглощать или излучать фотон с энергией этих уровней потенциальной энергии, в соответствии с модель Нильса Бора, что может быть точно рассчитано с помощью уравнения Шредингера. Электроны прыгают между орбита мелкими частицами. Например, если один фотон ударяет по электрону, только один электрон меняет состояние в ответ на этот фотон; см. Свойства электрона.

Энергия излучаемого фотона пропорциональна его эти частоты, поэтому соответствующие уровни энергии проявляются в виде отдельных полос в электромагнитном спектре. Каждый элемент имеет характерный спектр, который может зависеть от ядра, подоболочек, заполненных электронами, электромагнитных взаимодействий между электронами и другими факторами.

Пример линий поглощения в спектре

Когда непрерывный спектр энергии проходит через газ или плазму, некоторые фотоны поглощаются атомами, заставляя электроны менять свой уровень энергии. Те возбужденные электроны, остаются связанными со своим атомом, спонтанно излучают эту энергию в виде фотона, перемещаются в случайном направлении, и, таким образом, возвращаются на более низкие уровни энергии. Таким образом, атомы ведут себя как фильтр, который формирует серию темных полос на выходе энергии. (Наблюдатель, рассматривающий атомы с точки зрения, который включает непрерывный спектр в фоновом режиме, вместо этого видит серию эмиссионных линий фотонов, испускаемых атомами.) Спектроскопические измерения силы и ширины атомных линий определяет состав и физические свойства вещества.

Тщательное изучение спектральных линий показывает, что некоторые из них демонстрируют тонкую структуру расщепление. Это происходит из-за спин-орбитальной связи, которая представляет собой взаимодействие между спином и движением самого удаленного электрона. Когда атом находится во внешнем магнитном поле, спектральные линии разделяются на три или более компоненты; явление, называемое эффектом Зеемана. Это вызвано взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом атома и его электронов. Некоторые атомы могут иметь несколько электронных пользователей с одним и тем же уровнем энергии, которые, таким образом, выглядят как одна спектральная линия. Взаимодействие магнитного поля с атомом сдвигает эти электронные электронные конфигурации на несколько уровней энергии, что приводит к появлению нескольких спектральных линий. Наличие внешнего электрического поля может вызвать сравнимое расщепление и сдвиг спектральных линий за счет изменения уровней энергии электронов, явление, называемое эффектом Штарка.

. Если связанный электрон находится в возбужденном состоянии. В состоянии, взаимодействующий фотон с надлежащей энергией может вызвать стимулированное излучение фотона с соответствующим уровнем энергии. Чтобы это произошло, электрон должен перейти в состояние с более низкой энергией, разность энергии которого соответствует взаимодействующему фотона. Излучаемый фотон и взаимодействующий фотон затем движутся параллельно и с совпадающими фазами. То есть волновые структуры двух фотонов синхронизированы. Это физическое свойство используется для изготовления лазеров, которые могут излучать когерентный луч световой энергии в узкой полосе частот.

Валентность и поведение связи

Валентность - это сочетание мощности элемента. Он определяет источники, которые он может образовывать с другими атомами или группами. Самая внешняя электронная оболочка атома в его несоединенном известном состоянии как валентная оболочка, а электроны в этой оболочке называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет поведение связывания с другими атомами. Атомы имеют тенденцию химически реагировать друг с другом таким образом, чтобы заполнить (или опустошать) их внешние валентные оболочки. Например, перенос одного электрона между атомами является полезным приближением для связей, которые образуются между атомами, у которых один электрон меньше, чем у заполненной оболочки, и других, которые на один электрон меньше полной оболочки, например, в соединении хлорид натрия и другие химические ионные соли. Многие элементы обладают множественной валентностью или склонностью разделять разное количество электронов в разных соединениях. Таким образом, химическая связь между этими элементами принимает множество форм обмена электронами, которые представляют собой нечто большее, чем простой перенос электронов. Примеры включают элементы и органические соединения.

химические элементы часто в периодической таблице, которая включена для отображения повторяющихся химических свойств, и элементы с одинаковым количеством валентных электронов образуют группу, которая выровнена в одном столбце таблицы. (Горизонтальные строки соответствуют заполнению квантовой оболочки электронами.) Внешняя оболочка элементов в крайнем случае таблицы полностью заполнена электронами, в результате чего образуются химически инертные элементы, известные как благородные газы .

Состояния

График, иллюстрирующий образование Количества конденсата находятся в различных состояниях материи Бозе-Эйнштейна

, которые зависят от физических условий, таких как , температура и давление. Изменяя условия, материалы могут переходить между твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Внутри состояния материал также может существовать в различных аллотропах. Примером этого является твердый камень, который может существовать как графит или алмаз. Также существуют газообразные аллотропы, такие как дикислород и озон.

При температурех, близких к абсолютному нулю, атомы могут образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна, в этот момент квантово-механические эффекты, которые обычно наблюдаются в атомном масштабе, становятся очевидными в макроскопическом масштабе. Эта переохлажденная совокупность элементов затем ведет себя как один суператом, что может США провести фундаментальные проверки квантово-механического поведения.

Идентификация

Сканирующий туннельный микроскоп изображение, показывающее отдельные атомы, образующиеся вверх по этому золотой (100 ) поверхности. Поверхностные атомы отклонения от основной структуры структуры и располагаются столбцами шириной в несколько элементов с ямками между ними (см. реконструкция поверхности ).

Хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, такие устройства, как сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет их визуализировать на поверхности твердых тел. В микроскопе используется явление квантового туннелирования, которое позволяет частицам проходить через барьер, который был бы непреодолимым в классической перспективе. туннелируют через вакуум между двумя смещенными электродами , имеющий туннельный ток, который экспоненциально зависит от их разделения. поддерживать туннельный ток на заднем значении. и от нее, интерпретируется как профиль высоты. При низком смещении отображает усредненные электронные орбитали ac ross плотноупакованные энергетические уровни - локальная плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми. Из-за большого расстояния оба электрода должны быть чрезвычайно стабильными; только тогда можно наблюдать периодичности, соответствующие отдельным атомам. Сам по себе метод не является химически специфичным и не может идентифицировать атомные частицы, присутствующие на поверхности.

Атомы можно легко идентифицировать по их массе. Если атом ионизируется путем удаления одного из своих электронов, его траектория, когда он проходит через магнитное поле, искривляется. Радиус, на который магнитное поле поворачивает траекторию движущегося иона, определяется массой атома. масс-спектрометр использует этот принцип для измерения отношения массы к заряду ионов. Если образец содержит несколько изотопов, масс-спектрометр может определить долю каждого изотопа в образце путем измерения интенсивности различных пучков ионов. Методы испарения атомов включают атомно-эмиссионную спектроскопию с индуктивно связанной плазмой и масс-спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой, оба из которых используют плазму для испарения образцов для анализа.

томограф с атомным зондом имеет субнанометровое разрешение в 3-D и может химически идентифицировать отдельные атомы с помощью времяпролетной масс-спектрометрии.

Методы электронной эмиссии, такие как рентгеновское излучение фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и электронная оже-спектроскопия (AES), которые измеряют энергии связи остовных электронов, используются для идентификации видов атомов, присутствующих в образце в неразрушающим способом. При правильной фокусировке и то, и другое можно сделать для конкретной области. Другим таким методом является спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), которая измеряет потери энергии электронного луча в просвечивающем электронном микроскопе , когда он взаимодействует с частью образца.

Спектры возбужденных состояний могут использоваться для анализа атомного состава далеких звезд. Конкретные световые длины волн, содержащиеся в наблюдаемом свете от звезд, могут быть выделены и связаны с квантованными переходами в свободных атомах газа. Эти цвета можно воспроизвести с помощью газоразрядной лампы, содержащей тот же элемент. Гелий был таким образом обнаружен в спектре Солнца за 23 года до его обнаружения на Земле.

Происхождение и текущее состояние

Барионная материя составляет около 4% от общей плотности энергии наблюдаемой Вселенной со средней плотностью около 0,25 частиц / м (в основном протоны и электроны). В такой галактике, как Млечный Путь, частицы имеют гораздо более высокую концентрацию, при этом плотность вещества в межзвездной среде (ISM) находится в диапазоне от 10 до 10 атомов / м 2. Считается, что Солнце находится внутри Местного пузыря, поэтому плотность в окрестности Солнца составляет всего около 10 атомов / м 2. Звезды образуются из плотных облаков в ISM, и эволюционные процессы звезд приводят к постоянному обогащению ISM элементами более массивными, чем водород и гелий.

До 95% барионной материи Млечного Пути сосредоточено внутри звезд, где условия неблагоприятны для атомной материи. Полная барионная масса составляет около 10% массы галактики; остальная часть массы - неизвестная темная материя. Высокая температура внутри звезд делает большинство «атомов» полностью ионизированными, то есть отделяет все электроны от ядер. В звездных остатках - за исключением их поверхностных слоев - огромное давление делает невозможным создание электронных оболочек.

Формирование

Периодическая таблица, показывающая происхождение каждого элемента. Элементы от углерода до серы могут быть образованы в маленьких звездах с помощью альфа-процесса. Элементы помимо железа образуются в больших звездах с медленным захватом нейтронов (s-процесс ). Элементы тяжелее железа могут образовываться в результате слияния нейтронных звезд или сверхновых после r-процесса.

Считается, что электроны существуют во Вселенной с ранних стадий Большого взрыва. Атомные ядра образуются в реакциях нуклеосинтеза. Примерно за три минуты нуклеосинтез Большого взрыва произвел большую часть гелия, лития и дейтерия во Вселенной и, возможно, некоторых из них. бериллий и бор.

Повсеместность и стабильность атомов зависит от их энергии связи, что означает, что атом имеет более низкую энергию, чем несвязанная система ядра и электронов. Если температура намного выше, чем потенциал ионизации, вещество существует в форме плазмы - газа положительно заряженных ионов (возможно, голых ядер) и электроны. Когда температура падает ниже потенциала ионизации, атомы становятся статистически благоприятными. Атомы (вместе со связанными электронами) стали преобладать над заряженными частицами через 380 000 лет после Большого взрыва - эпохи, называемой рекомбинацией, когда расширяющаяся Вселенная остыла достаточно, чтобы позволяют электронам прикрепляться к ядрам.

После Большого взрыва, в результате которого не было углерода или более тяжелых элементов, атомные ядра были объединены в звезды посредством процесса ядерного синтеза для производства большего количества элемента гелия и (посредством процесса тройного альфа ) последовательности элементов от углерода до железо ; подробнее см. звездный нуклеосинтез.

Изотопы, такие как литий-6, а также некоторое количество бериллия и бора, генерируются в космосе в результате расщепления космических лучей. Это происходит, когда протон высокой энергии ударяется о ядро ​​атома, в результате чего выбрасывается большое количество нуклонов.

Элементы тяжелее железа были произведены в сверхновых и при столкновении нейтронных звезд в ходе r-процесса и в звездах AGB с помощью s-процесса, оба из которых включают захват нейтронов ядрами атомов. Такие элементы, как свинец, образовались в основном в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов.

Земля

Большинство атомов, составляющих Землю и ее обитатели в своей нынешней форме присутствовали в туманности , которая коллапсировала из молекулярного облака, чтобы сформировать Солнечную систему. Остальные являются результатом радиоактивного распада, и их относительная пропорция может использоваться для определения возраста Земли с до радиометрического датирования. Большая часть гелия в земной коре (около 99% гелия из газовых скважин, о чем свидетельствует его более низкое содержание гелий-3 ) является продуктом альфа-распад.

На Земле есть несколько следов атомов, которые не присутствовали вначале (т.е. не были «изначальными»), и они не являются результатом радиоактивного распада. Углерод-14 постоянно генерируется космическими лучами в атмосфере. Некоторые атомы на Земле были созданы искусственно либо намеренно, либо как побочные продукты ядерных реакторов или взрывов. Из трансурановых элементов - с атомными номерами больше 92 - только плутоний и нептуний встречаются на Земле в природе. Трансурановые элементы имеют радиоактивное время жизни меньше, чем нынешний возраст Земли, и, таким образом, идентифицируемые количества этих элементов уже давно распались, за исключением следов плутония-244, возможно, осажденных космической пылью. Природные месторождения плутония и нептуния образуются в результате захвата нейтронов в урановой руде.

Земля содержит примерно 1,33 × 10 атомов. Хотя существует небольшое количество независимых атомов благородных газов, таких как аргон, неон и гелий, 99% атмосфера связана в форме молекул, включая двуокись углерода и двухатомный кислород и азот. На поверхности Земли подавляющее большинство атомов объединяются с образованием различных соединений, включая воду, соль, силикаты и оксиды. Атомы также могут объединяться для создания материалов, которые не состоят из отдельных молекул, включая кристаллы и жидкие или твердые металлы. Эта атомная материя образует сетевые структуры,в которых отсутствует особый тип мелкомасштабного прерывистого порядка, связанный с молекулярной материей.

Редкие и теоретические формы

Сверхтяжелые элементы

Все нуклиды с атомными числа выше 82 (свинец ), как известно, радиоактивны. На Земле не существует нуклида с атомным номером, превышающим 92 (уран ), в виде первичного нуклида, а более тяжелые элементы обычно имеют более короткий период полураспада. Тем не менее, «остров стабильности », охватывающий относительно долгоживущие изотопы сверхтяжелых элементов с атомными номерами от 110 до 114, может существовать. Прогнозы периода полураспада самого стабильного нуклида на острове варьируются от нескольких минут до миллионов лет. В любом случае сверхтяжелые элементы (с Z>104) не могли бы существовать из-за увеличения кулоновского отталкивания (которое приводит к спонтанному делению со все более короткими периодами полураспада) в отсутствие каких-либо стабилизирующие эффекты.

Экзотическая материя

Каждая частица материи имеет соответствующую частицу антивещества с противоположным электрическим зарядом. Таким образом, позитрон представляет собой положительно заряженный антиэлектрон, а антипротон является отрицательно заряженным эквивалентом протона . Когда материя и соответствующая частица антивещества встречаются, они аннигилируют друг друга. Из-за этого, наряду с дисбалансом между количеством частиц материи и антивещества, последние редки во Вселенной. Первые причины этого дисбаланса еще полностью не поняты, хотя теории бариогенеза могут предложить объяснение. В результате в природе не обнаружено никаких атомов антивещества. В 1996 году аналог атома водорода из антивещества (антиводород ) был синтезирован в лаборатории CERN в Женеве.

Были созданы другие экзотические атомы. путем замены одного из протонов, нейтронов или электронов другими частицами с таким же зарядом. Например, электрон можно заменить более массивным мюоном, образуя мюонный атом. Эти типы атомов могут использоваться для проверки фундаментальных предсказаний физики.

См. Также

  • icon Физический портал
  • Химический портал

Примечания

Ссылки

Библиография

  • Оливер Мануэль (2001). Происхождение элементов в Солнечной системе: последствия наблюдений после 1957 года. Springer. ISBN 978-0-306-46562-8. OCLC 228374906.
  • Эндрю Г. ван Мелсен (2004) [1952]. От атомоса к атому: история концепции атома. Перевод Генри Дж. Корена. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.
  • J.P. Миллингтон (1906). Джон Далтон. J. M. Dent Co. (Лондон); E. P. Dutton Co. (Нью-Йорк).
  • Чарльз Х. Холброу; Джеймс Н. Ллойд; Джозеф С. Амато; Энрике Гальвес; М. Элизабет Паркс (2010). Современная вводная физика. Springer Science Business Media. ISBN 9780387790794.
  • Джон Далтон (1808). Новая система химической философии, том. 1.
  • Джон Далтон (1817 г.). Новая система химической философии, том. 2.
  • Джон Л. Хейлброн (2003). Эрнест Резерфорд и взрыв атомов. Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-512378-6.
  • Жауме Наварро (2012). История электрона: Дж. Дж. И Дж. П. Томсон. Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107005228.

Дополнительная литература

Внешние ссылки

.

Последняя правка сделана 2021-06-12 16:23:40
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте