Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 4. Строение атома
11:52
4. Строение атома

Наиболее распространены в природе следующие элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон; о них сейчас и поговорим. Существует еще превеликое множество других элементарных частиц, но, они или связанны с ядерными реакциями, или встречаются очень редко и при рассмотрении химических процессов не учитываются.

Электрон заряжен отрицательно "-”, имеет массу покоя 0,991.10-30 кг, заряд равный 1,602.10-19 Кулон, и очень скромные размеры. Протон имеет заряд равный заряду электрона, но противоположный по знаку, то есть положительный "+”, масса протона 1,673.10-27 кг, то есть, примерно в 1850 раз больше массы электрона. Протоны значительно крупнее электронов. Нейтрон представляет собой протон с "прикрепившимся” к нему электроном, так как они противоположны по знаку, то " оторвать” один от другого очень сложно и в химических превращениях этого никогда не происходит. Следовательно, масса и размеры нейтрона близки к массе и размерам протона.

Не трудно догадаться, что электроны и протоны, будучи разноименно заряженными частицами, будут притягиваться между собой, одноименно заряженные частицы будут отталкиваться. Нейтронам все нейтрально. Но при столкновении с большой скоростью, нейтроны и протоны слипаются за счет так называемых, "сил внутриядерного притяжения”. Природа этих сил не до конца изучена, но известно, что они действуют на очень небольшом расстоянии и имеют огромное значение. Иными словами – разорвать их крайне сложно, но и образуются они только при столкновении на огромной скорости. Предположительно, эти силы обусловлены взаимодействием протонов и электронов на очень коротких расстояниях, когда протоны "не видят” друг друга из-за столь близких и желанных электронов. Эта версия подтверждается сравнением энергий разрыва внутриядерных связей с энергией разрушения нейтрона при отрыве электрона.

Таким образом, при образовании атомов (в ходе ядерной или термоядерной реакции) происходит "пучкование” протонов и нейтронов в "комочки”, имеющие положительный заряд, зависящий от количества протонов в комочке. Для упрощения, заряд электрона принят равным -1, а протона +1 ("протон" и "положительный" созвучны). За счет сил внутриядерного притяжения, протоны и нейтроны образуют фигуру с наименьшей внутренней энергией, то есть сферу, так как сфера является фигурой с наименьшей площадью поверхности при данном объеме, что позволяет наиболее тесно взаимодействовать всем составляющим ее частицам. Такой "комочек” именуется "ядром”, он является основой атома.

Несложно догадаться, что, будучи положительно заряженным, ядро стремится притягиваться к отрицательно заряженным электронам. Что у них с электронами взаимно. Следует учесть, что из-за намного меньшей массы, электроны, обладая той же или примерно той же энергией, будут значительно более подвижны. Вспомните хотя бы формулу расчета кинетической энергии. Таким образом, за единичный интервал времени электрон пройдет путь, намного превосходящий путь, пройденный более тяжелым протоном, тем более ядром атома. Следовательно, имеем картину хаотичного движения электронов, овальными зигзагами огибающих ядра, колеблющиеся практически на месте и стремящиеся быть подальше друг от друга. Забегая немного вперед, сообщу, что так выглядит картина для слитка металла. Сейчас же, нам значительно нагляднее представить единичный случай подобной системы – атом. Представьте ядро, состоящее например, из 5 нейтронов и 5 протонов, складывая заряды получим (+1.5)+(0.5)=+5, то есть ядро имеет заряд равный 5+. Для компенсации этого заряда, то есть, снижения энергии системы до разумных пределов, необходимы 5 носителей отрицательного заряда – электронов. Если оставить как есть – ядро без электронов, то потенциальная энергия ядра относительно любого носителя отрицательного заряда будет стремится к бесконечности (так как расстояние до него очень велико). А как мы уже говорили, любая система стремится к минимуму энергии, следовательно, система израсходует эту потенциальную энергию, эту "меру беспокойства системы” дабы устремится к любому носителю отрицательного заряда и обрести, рано или поздно, заветные 5 электронов. Так, система получает 5 носителей отрицательного заряда и несколько "успокаивается”, становясь нейтрально заряженной (5+ и 5- в сумме дадут "0”, атому все становится нейтрально, почти как нейтрону), причем, чем большее число из этих 5 электронов обретает ядро, тем меньше оно стремится за очередным электроном. Остается решить: как же выстроят свои долгосрочные отношения эти 6 "деталек” (5 электронов и ядро). Ясно, что электроны (будучи много легче ядра, примерно в 1850.10=18500 раз) будут двигаться намного больше и быстрее чем ядро, при этом, будучи одноименно заряженными, не склонны сближаться. Что бы легче выруливать на периметре объема атома, электроны описывают что-то похожее на круги. Если изобразить такую картину в несколько упрощенном виде, для системы: 1 протон + 1 электрон, то получим картину изображенную на рисунке.

Красная сфера в центре – протон, зеленая сфера на периметре – электрон; круг, описываемый электроном вокруг ядра (в данном случае из 1 протона) – электронная орбиталь. Следует отметить, что электрон движется отнюдь не по кругу постоянной арены, а описывает круги на поверхности сферы, описанной этим кругом. То есть, электрон больше напоминает муравья, бегающего по поверхности мячика, чем вагончик карусели, двигающийся по круговым рельсам. При этом скорость движения электрона на орбитали одного порядка со скоростью света, или около того. Скорость света в вакууме близка к 3.108 метров в секунду. То есть, 300 тысяч километров в секунду, такой скорости электрон не достегает, но в 10-100 раз меньшей – запросто. Поэтому, учитывая скромные размеры атома, электрон за секунду успеет совершить количество оборотов, стремящееся к бесконечности. К данному нюансу мы еще вернемся при рассмотрении принципа неопределенности Гейзенберга. А сейчас посмотрите на приведенный выше рисунок, стрелка с обозначением V указывает направления движения электрона в данный момент времени, соответственно со скоростью V, равной определенной величине зависящей от кинетической энергии электрона. При, например, нагревании атома, или облучении его фотонами света или аналогичными им квантами высокочастотной радиации, происходит увеличение внутренней энергии системы, кинетической энергии электрона в том числе, и его скорость увеличивается. Обратите внимание на стрелки с обозначениями F1 и F2, это соответственно, сила центробежная и сила притяжения электрона к ядру атома (ибо они разноименно заряженные). Чтобы представить себе принцип центробежной силы, вспомните, как машину, заносит на резких поворотах, чем больше скорость – тем больше заносит. От крутизны поворота зависит только направление заноса, так как сила F1 направлена под углом в 90о (как и угол L) к направлению движения. В школьном курсе физики приводят не менее наглядный пример: стальной шарик, подвешенный на веревочку, раскручивают в горизонтальной плоскости, при этом центробежная сила направлена от центра к периметру круга вращения и растягивает веревочку. Если шарик достаточно тяжелый, и крутите его с высокой скоростью, то веревочка может не выдержать и центробежная сила ее разорвет – шарик полетит в неизвестном направлении; что чревато, например, разбитым окном.

На рисунке сила притяжения ядра атома противоположна по направлению с центробежной силой вращения электрона по орбитали атома. При этом, сила притяжения зависит от заряда ядра (чем больше в ядре протонов тем сильнее оно притягивает электроны), а центробежная сила зависит от скорости электрона на орбитали (то есть от его кинетической энергии). Чем больше энергии мы даем системе (например, нагреваем в пламени свечи), тем быстрее будет двигаться электрон, и дальше от ядра его будет оттягивать центробежная сила; при этом, разумеется, увеличивается потенциальная энергия электрона относительно ядра.

Главным образом, на увеличение потенциальной и кинетической энергий электронов на орбиталях атома и затрачивается та энергия, которую мы передаем атому (подвижность ядра в атоме невелика, и на него затрачивается мало энергии, пока на орбиталях есть электроны). Если мы очень "перегреем” атом, то энергия переданная электронам "оттащит” электроны от ядра на столь большое расстояние, на котором электроны уже не будут "чувствовать” ядро и "потеряются”. Этот процесс называется: "отрыв электронов от атома”, атом имеющий количество электронов больше или меньше чем число протонов в ядре, имеет, соответственно, отрицательный или положительный заряд. Такие, заряженные, атомы именуются – ионы, и имеют некоторое стремление к возвращению исходного, незаряженного состояния. К этому мы еще вернемся позже. Примеры распределения электронов по орбиталям атомов, вся таблица Д.И. Менделеева.

 

Категория: Фундамент | Просмотров: 2321 | Добавил: Chemadm | Теги: ядро атома, строение вещества, распределение электронов | Рейтинг: 4.8/27
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]