Атом - Atom

Атом
Основное состояние атома гелия
Иллюстрация атома гелия с изображением ядра (розовый) и распределения электронного 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 - один ангстрем (10 −10  м или100  часов ).
Классификация
Наименьшее признанное деление химического элемента
Характеристики
Диапазон масс 1,67 × 10 −27 до4,52 × 10 −25  кг
Электрический заряд нулевой (нейтральный) или ионный заряд
Диапазон диаметров 62 pm ( He ) до 520 pm ( Cs ) ( страница данных )
Компоненты Электроны и компактное ядро из протонов и нейтронов

Атом является наименьшей единицей обычной материи , которая образует химический элемент . Каждое твердое тело , жидкость , газ и плазма состоят из нейтральных или ионизированных атомов. Атомы чрезвычайно малы, обычно около 100  пикометров в поперечнике. Они настолько малы, что точно предсказать их поведение с помощью классической физики - например, если бы они были теннисными мячами - невозможно из-за квантовых эффектов .

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

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. В этом случае ядро расщепляется и оставляет после себя разные элементы . Это форма ядерного распада .

Число протонов в ядре - это атомный номер, который определяет, к какому химическому элементу принадлежит атом. Например, любой атом, содержащий 29 протонов, - это медь . Количество нейтронов определяет изотоп элемента. Атомы могут присоединяться к одному или нескольким другим атомам химическими связями с образованием химических соединений, таких как молекулы или кристаллы . Способность атомов объединяться и диссоциировать ответственна за большинство физических изменений, наблюдаемых в природе. Химия - это дисциплина, изучающая эти изменения.

История атомной теории

В философии

Основная идея о том, что материя состоит из крошечных неделимых частиц, очень старая, она появилась во многих древних культурах, таких как Греция и Индия . Слово атом происходит от древнегреческого слова атомос , что означает «uncuttable». Эта древняя идея была основана на философских рассуждениях, а не на научных рассуждениях, и современная атомная теория не основана на этих старых концепциях. Тем не менее, само слово «атом» использовалось на протяжении веков мыслителями, которые подозревали, что материя в конечном итоге имеет гранулированную природу.

Закон множественных пропорций далтона

Атомы и молекулы, изображенные в книге Джона Далтона « Новая система химической философии», том. 1 (1808)

В начале 1800-х годов английский химик Джон Далтон собрал экспериментальные данные, собранные им самим и другими учеными, и обнаружил закономерность, известную теперь как « закон множественных пропорций ». Он заметил, что в химических соединениях, которые содержат определенный химический элемент, содержание этого элемента в этих соединениях будет отличаться соотношением малых целых чисел. Этот образец подсказал Дальтону, что каждый химический элемент объединяется с другими посредством некоторой базовой и согласованной единицы массы.

Например, существует два типа оксида олова : один представляет собой черный порошок, содержащий 88,1% олова и 11,9% кислорода, а другой - белый порошок, содержащий 78,7% олова и 21,3% кислорода. Корректируя эти цифры, в черном оксиде содержится около 13,5 г кислорода на каждые 100 г олова, а в белом оксиде - примерно 27 г кислорода на каждые 100 г олова. 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, состоящий на 78,1% из железа и 21,9% кислорода, и красный порошок из 70,4% железа и 29,6% кислорода. Корректируя эти цифры, в черном оксиде содержится около 28 г кислорода на каждые 100 г железа, а в красном оксиде - 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 ( Fe 2 O 2 и Fe 2 O 3 ).

В качестве последнего примера: закись азота - это 63,3% азота и 36,7% кислорода, оксид азота - это 44,05% азота и 55,95% кислорода, а диоксид азота - это 29,5% азота и 70,5% кислорода. Корректируя эти цифры, в закиси азота на каждые 140 г азота приходится 80 г кислорода, в оксиде азота - около 160 г кислорода на каждые 140 г азота, а в диоксиде азота - 320 г кислорода на каждые 140 г азота. г азота. 80, 160 и 320 образуют соотношение 1: 2: 4. Соответствующие формулы для этих оксидов: N 2 O , NO и NO 2 .

Кинетическая теория газов

В конце 18 века ряд ученых обнаружили, что они могут лучше объяснить поведение газов, описывая их как совокупность субмикроскопических частиц и моделируя их поведение с помощью статистики и вероятности . В отличие от атомной теории Дальтона, кинетическая теория газов описывает не то, как газы химически реагируют друг с другом с образованием соединений, а то, 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 перемещаются беспорядочно - 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 корпускулярной природы материи.

Открытие электрона

Гейгер-Марсден эксперимент :
Слева: Ожидаемые результаты: альфа - частица , проходящую через сливу пудинг модель атома с незначительным отклонением.
Справа: наблюдаемые результаты: небольшая часть частиц отклоняется концентрированным положительным зарядом ядра.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон обнаружил, что катодные лучи не являются электромагнитными волнами, а состоят из частиц, которые в 1800 раз легче водорода (самого легкого атома). Томсон пришел к выводу, что эти частицы пришли из атомов внутри катода - они были субатомными частицами. 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, переносящие электрические токи в металлических проводах. Томсон пришел к выводу, что эти электроны вышли из самих атомов катода в его инструментах, а это означало, что атомы не неделимы, как предполагает название атомос .

Открытие ядра

Дж. Дж. Томсон считал, что отрицательно заряженные электроны были распределены по всему атому в море положительного заряда, которое 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 модели Томсона после того, как столкнулись с трудностями при попытке создать прибор для измерения отношения заряда к массе альфа-частиц (это положительно заряженные частицы, испускаемые некоторые радиоактивные вещества, такие 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, создав 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 недостаточно 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. Однако рассеяние было, поэтому Резерфорд и его коллеги решили тщательно исследовать это рассеяние.

Между 1908 и 1913 годами Рутфорд и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкие металлические фольги альфа-частицами. Они заметили альфа-частицы, отклоняющиеся на угол более 90 °. Чтобы объяснить это, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома не распределен по объему атома, как полагал Томсон, а сконцентрирован в крошечном ядре в центре. Только такая интенсивная концентрация заряда может создать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы отклонить альфа-частицы, как это наблюдается.

Открытие изотопов

Экспериментируя с продуктами радиоактивного распада , в 1913 году радиохимик Фредерик Содди обнаружил, что, по-видимому, в каждой позиции в периодической таблице присутствует более одного типа атомов . Термин изотоп был придуман Маргарет Тодд как подходящее название для разных атомов, принадлежащих одному элементу. Дж. Дж. Томсон создал метод разделения изотопов в своей работе с ионизированными газами , которая впоследствии привела к открытию стабильных изотопов .

Модель Бора

Модель атома Бора, в которой электрон совершает мгновенные «квантовые скачки» с одной орбиты на другую с усилением или потерей энергии. Эта модель электронов на орбитах устарела.

В 1913 году физик Нильс Бор предложил модель, в которой предполагалось, что электроны атома вращаются вокруг ядра, но могли делать это только на конечном наборе орбит и могли прыгать между этими орбитами только при дискретных изменениях энергии, соответствующих поглощению или поглощению. излучение фотона. Это квантование использовалось, чтобы объяснить, почему орбиты электронов стабильны (учитывая, что обычно заряды при ускорении, включая круговое движение, теряют кинетическую энергию, которая излучается как электромагнитное излучение, см. Синхротронное излучение ), и почему элементы поглощают и испускают электромагнитное излучение дискретно. спектры.

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

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

Модель атома Бора была первой полной физической моделью атома. Он описал общую структуру атома, то, как атомы связаны друг с другом, и предсказал спектральные линии водорода. Модель Бора не была идеальной и вскоре была заменена более точной моделью Шредингера, но ее было достаточно, чтобы развеять все оставшиеся сомнения в том, что материя состоит из атомов. Для химиков идея атома была полезным эвристическим инструментом, но у физиков были сомнения относительно того, действительно ли материя состоит из атомов, поскольку никто еще не разработал полную физическую модель атома.

Модель Шредингера

Стерн-Герлах 1922 представил дополнительные доказательства квантовой природы атомных свойств. Когда пучок атомов серебра пропускался через магнитное поле особой формы, пучок расщеплялся таким образом, чтобы коррелировать с направлением углового момента или спина атома . Поскольку это направление вращения изначально является случайным, можно ожидать, что луч будет отклоняться в случайном направлении. Вместо этого луч был разделен на две составляющие направления, соответствующие спину атома , ориентированному вверх или вниз по отношению к магнитному полю.

В 1925 году Вернер Гейзенберг опубликовал первую последовательную математическую формулировку квантовой механики ( матричной механики ). Годом ранее Луи де Бройль выдвинул гипотезу де Бройля : все частицы в той или иной степени ведут себя как волны, а в 1926 году Эрвин Шредингер использовал эту идею для разработки уравнения Шредингера , математической модели атома (волновой механики), описывающей электроны как трехмерные волновые формы, а не как точечные частицы.

Следствием использования форм волны для описания частиц является то, что математически невозможно получить точные значения как для положения, так и для импульса частицы 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, и наоборот. Эта модель смогла объяснить наблюдения за поведением атомов, которые не могли объяснить предыдущие модели, например, определенные структурные и спектральные модели атомов крупнее водорода. Таким образом, планетарная модель атома была отброшена в пользу той, которая описывала орбитальные зоны атома вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью можно наблюдать данный электрон.

Открытие нейтрона

Развитие масс-спектрометра позволило измерять массу атомов с повышенной точностью. Устройство использует магнит для изменения траектории движения пучка ионов, а величина отклонения определяется отношением массы атома к его заряду. Химик Фрэнсис Уильям Астон использовал этот прибор, чтобы показать, что изотопы имеют разную массу. Атомная масса этих изотопов изменялись целым количествами, называется целое правилом номера . 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 протонов, но с различным числом нейтронов. внутри ядра.

Деление, физика высоких энергий и конденсированные вещества

В 1938 году немецкий химик Отто Хан , ученик Резерфорда, направил нейтроны на атомы урана, надеясь получить трансурановые элементы . Вместо этого его химические эксперименты показали, что в качестве продукта используется 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 - е годы, разработка усовершенствованных ускорителей частиц и детекторов частиц позволили ученым исследовать воздействие атомов , движущихся в области высоких энергий. Было обнаружено, что нейтроны и протоны представляют собой адроны или составные части 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, управляющих их взаимодействиями.

Состав

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 . Составляющие частицы атома - электрон , протон и нейтрон .

Электрон является наименее массивной из этих частиц на 9,11 × 10 -31  кг , с отрицательным электрическим зарядом и размером, который слишком мал для измерения с помощью 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. Томсону ; подробности см. в истории субатомной физики .

Протоны имеют положительный заряд и массу в 1836 раз больше, чем у электрона. 1,6726 × 10 −27  кг . Число протонов в атоме называется его атомным номером . Эрнест Резерфорд (1919) заметил, что азот при бомбардировке альфа-частицами выбрасывает 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 −27  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 - порядка2,5 × 10 −15  м - хотя «поверхность» этих частиц четко не определена. Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком .

В Стандартной модели физики электроны действительно являются элементарными частицами без внутренней структуры, тогда 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 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 двух частиц.

Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием (или сильным взаимодействием ), которое обеспечивается глюонами . Протоны и нейтроны, в свою очередь, удерживаются друг у друга в ядре ядерным взаимодействием , которое является остатком сильного взаимодействия, имеющего несколько иные свойства дальности действия (подробнее см. Статью о ядерном взаимодействии). Глюон является членом семейства калибровочных бозонов , которые представляют собой элементарные частицы, являющиеся переносчиками физических сил.

Ядро

Энергия связи, необходимая для того, чтобы нуклон покинул ядро, для различных изотопов

Все связанные протоны и нейтроны в атоме составляют крошечное атомное ядро и вместе называются нуклонами . Радиус ядра примерно равен фемтометрам , где - полное число нуклонов. Это намного меньше радиуса атома, который составляет порядка 10 5  фм. Нуклоны связаны между собой короткодействующим потенциалом притяжения, называемым остаточной сильной силой . На расстояниях менее 2,5 фм эта сила намного мощнее электростатической силы , заставляющей положительно заряженные протоны отталкиваться друг от друга.  

Атомы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов, называемое атомным номером . В одном элементе количество нейтронов может варьироваться, определяя изотоп этого элемента. Общее количество протонов и нейтронов определяет нуклид . Количество нейтронов относительно протонов определяет стабильность ядра, при этом некоторые изотопы подвергаются радиоактивному распаду .

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 ко всем электронам электронного облака.

Ядро, которое имеет другое количество протонов, чем нейтроны, потенциально может перейти в более низкое энергетическое состояние из-за радиоактивного распада, который приводит к более точному совпадению количества протонов и нейтронов. В результате атомы с совпадающим числом протонов и нейтронов более устойчивы к распаду, но с увеличением атомного номера взаимное отталкивание протонов требует увеличения доли нейтронов для поддержания стабильности ядра.

Иллюстрация процесса ядерного синтеза, в результате которого из двух протонов образуется ядро ​​дейтерия, состоящее из протона и нейтрона. Позитрона+ ) -an антивещества электрон-испускается наряду с электронным нейтрино .

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 соединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро, 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. Ядерное деление - это противоположный процесс, в результате которого ядро ​​расщепляется на два меньших ядра - обычно в результате радиоактивного распада. Ядро также можно модифицировать путем бомбардировки субатомными частицами высокой энергии или фотонами. Если это изменяет количество протонов в ядре, атом превращается в другой химический элемент.

Если масса ядра после реакции слияния меньше суммы масс отдельных частиц, то разница между этими двумя значениями может быть испущена как тип используемой энергии (например, гамма-луч или кинетическая энергия из бета - частиц ), как описано Альберта Эйнштейна «с эквивалентности массы и энергии формулы, где это потеря массы и это скорость света . Этот дефицит является частью энергии связи нового ядра, и именно безвозвратная потеря энергии заставляет слитые частицы оставаться вместе в состоянии, которое требует этой энергии для разделения.

Слияние двух ядер, которые создают более крупные ядра с более низкими атомными номерами, чем у железа и никеля - общее число нуклонов около 60 - обычно является экзотермическим процессом, который выделяет больше энергии, чем требуется для их объединения. Именно этот процесс высвобождения энергии делает ядерный синтез в звездах самоподдерживающейся реакцией. Для более тяжелых ядер энергия связи на нуклон в ядре начинает уменьшаться. Это означает, что процессы синтеза, в которых образуются ядра с атомными номерами выше примерно 26 и атомными массами выше примерно 60, являются эндотермическими процессами . Эти более массивные ядра не могут подвергаться реакции синтеза, производящей энергию, которая может поддерживать гидростатическое равновесие звезды.

Электронное облако

Потенциальная яма, показывающая, согласно классической механике , минимальную энергию V ( x ), необходимую для достижения каждой позиции x . Классически частица с энергией E ограничена диапазоном положений от x 1 до x 2 .

Электроны в атоме притягиваются к протонам ядра электромагнитной силой . Эта сила связывает электроны внутри электростатической потенциальной ямы, окружающей меньшее ядро, что означает, что для выхода электрона необходим внешний источник энергии. Чем ближе электрон к ядру, тем больше сила притяжения. Следовательно, электронам, связанным около центра потенциальной ямы, требуется больше энергии для выхода, чем электронам, находящимся на больших расстояниях.

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 , математической функцией, которая характеризует вероятность того, что электрон окажется 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, формой 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. Аналогичным образом, посредством спонтанного излучения электрон в состоянии с более высокой энергией может упасть в состояние с более низкой энергией, при этом излучая избыточную энергию в виде фотона. Эти характерные значения энергии, определяемые различиями в энергиях квантовых состояний, отвечают за атомные спектральные линии .

Количество энергии, необходимое для удаления или добавления электрона - энергия связи электрона - намного меньше, чем энергия связи нуклонов . Например, требуется всего 13,6 эВ, чтобы отделить электрон в основном состоянии 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. Благодаря этому механизму атомы могут соединяться в молекулы и другие типы химических соединений, такие как кристаллы с ионной и ковалентной сеткой .

Характеристики

Ядерные свойства

По определению, любые два атома с одинаковым числом протонов в 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), один нейтрон ( дейтерий ), два нейтрона ( тритий ) и более двух нейтронов. . Известные элементы образуют набор атомных номеров, от однопротонного элемента водорода до 118-протонного элемента оганессон . Все известные изотопы элементов с атомным номером больше 82 являются радиоактивными, хотя радиоактивность элемента 83 ( висмута ) настолько мала, что ею можно пренебречь.

Около 339 нуклидов встречаются в природе на Земле , из которых 252 (около 74%) распада не наблюдались и называются « стабильными изотопами ». Теоретически стабильными являются только 90 нуклидов , а распад еще 162 (в результате чего общее число составляет 252) не наблюдалось, хотя теоретически это энергетически возможно. Они также формально классифицируются как «стабильные». Еще 34 радиоактивных нуклида имеют период полураспада более 100 миллионов лет и достаточно долгоживущие, чтобы существовать с момента зарождения Солнечной системы . Эта коллекция из 286 нуклидов известна как первичные нуклиды . Наконец, еще 53 короткоживущих нуклида, как известно, встречаются в естественных условиях 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).

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 олова . Элементы 43 , 61 и все элементы с номерами 83 и выше не имеют стабильных изотопов.

На стабильность изотопов влияет соотношение протонов и нейтронов, а также наличие определенных «магических чисел» нейтронов или протонов, которые представляют собой замкнутые 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, 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 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 приблизительно равно1,66 × 10 −27  кг . Водород-1 (самый легкий изотоп водорода, который также является нуклидом с наименьшей массой) имеет атомный вес 1,007825 Да. Величина 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 - свинец-208 с массой207.976 6521  Да .

Поскольку даже самые массивные атомы слишком легкие, чтобы работать с ними напрямую, химики вместо этого используют моль . Один моль атомов любого элемента всегда имеет одинаковое количество атомов (около6.022 × 10 23 ). Это число было выбрано таким образом, чтобы если элемент имел атомную массу 1 u, моль атомов этого элемента имел массу, близкую к одному грамму. Согласно определению 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 атомов могут быть получены из расстояний между двумя ядрами, когда два атома соединены химической связью . Радиус зависит от расположения атома на атомной диаграмме, типа химической связи, количества соседних атомов ( координационное число ) и квантово-механического свойства, известного как спин . В периодической таблице элементов размер атома имеет тенденцию увеличиваться при перемещении вниз по столбцам, но уменьшается при перемещении по строкам (слева направо). Следовательно, самый маленький атом - это гелий с радиусом 32 пм , а один из самых больших - цезий с радиусом  225 пм.

Под воздействием внешних сил, таких как электрические 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 возникать, например, в кристаллах , где большие кристаллические электрические поля могут возникать в узлах решетки с низкой симметрией . Показано, что значительные эллипсоидальные деформации происходят для ионов серы и ионов халькогена в соединениях типа пирита .

Размеры атомов в тысячи раз меньше длины волны света (400–700  нм ), поэтому их нельзя 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 углерода в ширину. В одной капле воды содержится около 2  секстиллионов (2 × 10 21 ) атомов кислорода и вдвое больше атомов водорода. Один каратный бриллиант массой2 × 10 −4  кг содержит около 10 секстиллионов (10 22 ) атомов углерода . Если бы яблоко было увеличено до размеров Земли, то атомы в яблоке были бы примерно размером с исходное яблоко.

Радиоактивный распад

На этой диаграмме показан период полураспада (T ½ ) 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 возникать, когда радиус ядра велик по сравнению с радиусом сильного взаимодействия, которое действует только на расстояниях порядка 1 фм.

Наиболее распространенные формы радиоактивного распада:

  • Альфа-распад : этот процесс возникает, когда ядро ​​испускает альфа-частицу, которая представляет собой ядро ​​гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Результатом выброса является новый элемент с более низким атомным номером .
  • Бета-распадзахват электрона ): эти процессы регулируются слабым взаимодействием и являются результатом преобразования нейтрона в протон или протона в нейтрон. Переход от нейтрона к протону 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 типе распада ядром поглощается электрон, а не позитрон, испускаемый ядром. В этом процессе по-прежнему испускается нейтрино, а протон превращается в нейтрон.
  • Гамма-распад : этот процесс возникает в результате изменения уровня энергии ядра в более низкое состояние, что приводит к испусканию электромагнитного излучения. Возбужденное состояние ядра, которое приводит к гамма-излучению, обычно возникает после испускания альфа- или бета-частицы. Таким образом, гамма-распад обычно следует за альфа- или бета-распадом.

Другие, более редкие типы радиоактивного распада включают выброс нейтронов или протонов, или кластеров нуклонов из ядра, или более чем одной бета-частицы . Аналогом гамма-излучения, которое позволяет возбужденным ядрам терять энергию по-другому, является внутреннее преобразование - процесс, который производит высокоскоростные электроны, не являющиеся бета-лучами, с последующим образованием высокоэнергетических фотонов, которые не являются гамма-лучами. Несколько крупных 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 - который определяется количеством времени, которое требуется для распада половины образца. Это экспоненциальный процесс распада, который неуклонно уменьшает долю оставшегося изотопа на 50% за каждый период полураспада. Следовательно, по прошествии двух периодов полураспада присутствует только 25% изотопа и так далее.

Магнитный момент

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 нельзя сказать, что они вращаются. Спин измеряется в единицах приведенной постоянной Планка (), причем 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 из-за своего ядерного спина.

Магнитное поле производится с помощью атомно-ее магнитного момента -is определяется этими различными формами углового момента, так же , как вращающийся заряженный объект классически создает магнитное поле, но наиболее доминирующий вклад происходит от электронного спина. Из-за природы электронов, подчиняющихся принципу исключения Паули, согласно которому никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии , связанные электроны образуют пары друг с другом, причем один член каждой пары находится в состоянии со спином вверх, а другой - в состоянии. наоборот, состояние замедленного вращения. Таким образом, эти спины компенсируют друг друга, уменьшая общий 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 атомов перекрываются, и более низкое энергетическое состояние достигается, когда спины неспаренных электронов выровнены друг с другом, спонтанный процесс, известный как обменное взаимодействие . Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выровнены, материал может создавать измеримое макроскопическое поле. Парамагнитные материалы имеют атомы с магнитными моментами, которые выстраиваются в случайных направлениях, когда магнитное поле отсутствует, но магнитные моменты отдельных атомов выстраиваются в линию в присутствии поля.

У ядра атома не будет спина, если в нем четное число нейтронов и протонов, но в других случаях нечетных чисел ядро ​​может иметь спин. Обычно ядра со спином выровнены в случайных направлениях из-за теплового равновесия , но для определенных элементов (таких как ксенон-129 ) можно поляризовать значительную часть состояний спина ядра так, чтобы они были выровнены в одном направлении - условие называется гиперполяризацией . Это имеет важные приложения в магнитно-резонансной томографии .

Уровни энергии

Этих уровней энергии электронов (не в масштабе) достаточно для основных состояний атомов вплоть до кадмия (5s 2 4d 10 ) включительно. Не забывайте, что даже верхняя часть диаграммы ниже несвязанного электронного состояния.

Потенциальная энергия электрона в атоме отрицательно по отношению к тому, когда расстояние от ядра стремится к бесконечности ; ее зависимость от электрона положения достигает минимум внутри ядра, примерно в обратной пропорции к расстоянию. В квантово-механической модели связанный электрон может занимать только набор состояний с центром в ядре, и каждое состояние соответствует определенному уровню энергии ; см. не зависящее от времени уравнение Шредингера для теоретического объяснения. Уровень энергии может быть измерен количеством энергии, необходимой, чтобы отвязать электрон от атома, и обычно выражается в единицах электронвольт (эВ). Состояние с наименьшей энергией связанного электрона называется основным состоянием, то есть стационарным состоянием , в то время как переход электрона на более высокий уровень приводит к возбужденному состоянию. Энергия электрона увеличивается вместе с n, потому что (среднее) расстояние до ядра увеличивается. Зависимость энергии от л обусловлена не по электростатическому потенциалу ядра, но при взаимодействии между электронами.

Для перехода электрона между двумя разными состояниями , например, из основного состояния в первое возбужденное , он должен поглотить или испустить фотон с энергией, соответствующей разнице в потенциальной энергии этих уровней, согласно модели Нильса Бора , что может быть точно рассчитывается по уравнению Шредингера . Электроны прыгают между орбиталями подобно частицам. Например, если одиночный фотон ударяет электроны, только один электрон меняет состояние в ответ на фотон; см. Свойства электрона .

Энергия излучаемого фотона пропорциональна его частоте , поэтому эти конкретные уровни энергии проявляются в виде отдельных полос в электромагнитном спектре . Каждый элемент имеет характерный спектр, который может зависеть от заряда ядра, подоболочек, заполненных электронами, электромагнитных взаимодействий между электронами и других факторов.

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, которые остаются связанными со своим атомом, спонтанно излучают эту энергию в виде фотона, перемещаясь в случайном направлении, и, таким образом, возвращаются на более низкие энергетические уровни. Таким образом, атомы ведут себя как фильтр, образующий серию темных полос поглощения на выходе энергии. (Наблюдатель, рассматривающий атомы с точки зрения, которая не включает непрерывный спектр на заднем плане, вместо этого видит серию эмиссионных линий фотонов, испускаемых атомами.) Спектроскопические измерения силы и ширины атомных спектральных линий позволяют составить композицию и физические свойства вещества, подлежащего определению.

Внимательное изучение спектральных линий показывает, что некоторые из них демонстрируют расщепление тонкой структуры . 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 расщепляются на три или более компонентов; явление, называемое эффектом Зеемана . Это вызвано взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом атома и его электронов. Некоторые атомы могут иметь несколько электронных конфигураций с одним и тем же уровнем энергии, которые, таким образом, выглядят как одна спектральная линия. Взаимодействие магнитного поля с атомом сдвигает эти электронные конфигурации на несколько разные уровни энергии, что приводит к появлению нескольких спектральных линий. Присутствие 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, взаимодействующий фотон с соответствующей энергией может вызвать вынужденное излучение фотона с соответствующим уровнем энергии. Чтобы это произошло, электрон должен перейти в состояние с более низкой энергией, разность энергий которого совпадает с энергией взаимодействующего 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 создания лазеров , которые могут излучать когерентный луч световой энергии в узкой полосе частот.

Валентность и связывающее поведение

Валентность - это объединяющая сила элемента. Он определяется количеством связей, которые он может образовывать с другими атомами или группами. Самая внешняя электронная оболочка атома в его несоединенном состоянии известна как валентная оболочка , а электроны в этой оболочке называются валентными электронами . Количество валентных электронов определяет поведение связи с другими атомами. Атомы имеют тенденцию вступать в химическую реакцию друг с другом, наполняя (или опустошая) их внешние валентные оболочки. Например, перенос одного электрона между атомами является полезным приближением для связей, которые образуются между атомами, у которых на один электрон больше, 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 элемент углерод и органические соединения .

Эти химические элементы часто отображается в виде периодической таблицы , которая выложена для отображения повторяющейся химических свойств, а также элементы с одинаковым числом валентных электронов образуют группу, выровненная в том же столбце таблицы. (Горизонтальные строки соответствуют заполнению квантовой оболочки электронами.) Внешняя оболочка элементов в дальнем правом углу таблицы полностью заполнена электронами, в результате чего образуются химически инертные элементы, известные как благородные газы .

состояния

График, иллюстрирующий образование конденсата Бозе – Эйнштейна

Количество атомов находится в различных состояниях материи, которые зависят от физических условий, таких как температура и давление . Варьируя условия, материалы могут переходить между твердыми телами , жидкостями , газами и плазмой . Внутри государства материал также может существовать в разных аллотропах . Примером этого является твердый углерод, который может существовать в виде графита или алмаза . Также существуют газообразные аллотропы, такие как кислород и озон .

При температурах, близких к абсолютному нулю , атомы могут образовывать конденсат Бозе – Эйнштейна , при котором квантово-механические эффекты, которые обычно наблюдаются только на атомном уровне, становятся очевидными в макроскопическом масштабе. Этот переохлажденный набор атомов затем ведет себя как один суператом , что может позволить фундаментальные проверки квантово-механического поведения.

Идентификация

Изображение, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, показывает отдельные атомы, составляющие эту поверхность золота ( 100 ). Поверхностные атомы отклоняются от объемной кристаллической структуры и располагаются столбцами шириной в несколько атомов с ямками между ними (см. Реконструкцию поверхности ).

Хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, такие устройства, как сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяют визуализировать их на поверхности твердых тел. В микроскопе используется явление квантового туннелирования , которое позволяет частицам проходить через барьер, который с классической точки зрения был бы непреодолимым. Электроны туннелируют через вакуум между двумя смещенными электродами, обеспечивая туннельный ток, который экспоненциально зависит от их расстояния. Один электрод представляет собой острый наконечник, в идеале заканчивающийся одним атомом. В каждой точке сканирования поверхности высота наконечника регулируется таким образом, чтобы туннельный ток оставался на заданном уровне. То, насколько наконечник перемещается к поверхности и от нее, интерпретируется как профиль высоты. При низком смещении микроскоп отображает усредненные электронные орбитали на плотно упакованных уровнях энергии - локальную плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми . Из-за большого расстояния оба электрода должны быть очень 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 легко определить по их массе. Если атом ионизируется путем удаления одного из своих электронов, его траектория при прохождении через магнитное поле искривляется. Радиус, на который траектория движущегося иона поворачивается магнитным полем, 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 , причем оба метода используют плазму для испарения образцов для анализа.

Атом-зонд Томограф имеет разрешение субнанометрового в 3-D и может химически идентифицировать отдельные атомы с использованием времени пролета масс - спектрометрии.

Методы электронной эмиссии, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и электронная оже-спектроскопия (AES), которые измеряют энергии связи остовных электронов , используются для неразрушающего определения атомных разновидностей, присутствующих в образце. При правильной фокусировке и то, и другое можно сделать в зависимости от области. Другой такой метод - это спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), которая измеряет потери энергии электронного луча в просвечивающем электронном микроскопе, когда он взаимодействует с частью образца.

Спектры возбужденных состояний можно использовать для анализа атомного состава далеких звезд . Определенные длины световых волн, содержащиеся в наблюдаемом свете звезд, можно выделить и связать с квантованными переходами в свободных атомах газа. Эти цвета можно воспроизвести с помощью газоразрядной лампы, содержащей такой же элемент. Таким образом, гелий был обнаружен в спектре Солнца за 23 года до его обнаружения на Земле.

Происхождение и текущее состояние

Барионная материя составляет около 4% общей плотности энергии наблюдаемой Вселенной со средней плотностью около 0,25 частиц / м 3 (в основном протоны и электроны). В такой галактике, как Млечный Путь , частицы имеют гораздо более высокую концентрацию, а плотность вещества в межзвездной среде (ISM) колеблется от 10 5 до 10 9 атомов / м 3 . Считается, что Солнце находится внутри Местного пузыря , поэтому плотность в окрестностях Солнца составляет всего около 10 3 атомов / м 3 . 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 маленькие звезды 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, часть бериллия и бора .

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

После Большого взрыва, в результате которого не было углерода или более тяжелых элементов , атомные ядра были объединены в звезды в процессе ядерного синтеза, чтобы произвести больше элемента гелия и (посредством процесса тройной альфа ) последовательности элементов от углерода до железо ; см. звездный нуклеосинтез для подробностей.

Изотопы, такие как литий-6, а также некоторое количество бериллия и бора, образуются 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 образовывались в сверхновых и сталкивающихся нейтронных звездах с помощью r-процесса , а в звездах AGB с помощью s-процесса , оба из которых включают захват нейтронов атомными ядрами. Такие элементы, как свинец, образовались в основном в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов.

Земля

Большинство атомов, из которых состоит Земля и ее обитатели, присутствовали в своей нынешней форме в туманности, которая коллапсировала из молекулярного облака, чтобы сформировать Солнечную систему . Остальные являются результатом радиоактивного распада, и их относительное соотношение можно использовать для определения возраста Земли с помощью радиометрического датирования . Большая часть гелия в коре Земли (около 99% гелия из газовых скважин, о чем свидетельствует более низкое содержание гелия-3 ) является продуктом альфа-распада .

На Земле есть несколько следов атомов, которых не было вначале (то есть не «изначальные»), и они не являются результатом радиоактивного распада. Углерод-14 непрерывно 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, имеющих атомные номера больше 92, на Земле в природе встречаются только плутоний и нептуний . Трансурановые элементы имеют радиоактивное время жизни короче, чем нынешний возраст Земли, и, таким образом, идентифицируемые количества этих элементов давно распались, за исключением следов плутония-244, возможно, осажденного космической пылью. Природные месторождения плутония и нептуния образуются путем захвата нейтронов урановой рудой.

Земля содержит примерно 1,33 × 10 50 атомов. Хотя небольшое число независимых атомов благородных газов существуют, например, аргон , неон и гелий , 99% атмосферы связывается в виде молекул, в том числе углекислого газа и двухатомного кислорода и азота . На поверхности Земли подавляющее большинство атомов объединяются с образованием различных соединений, включая воду , соли , силикаты и оксиды . Атомы также могут объединяться для создания материалов, которые не состоят из дискретных 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

Известно, что все нуклиды с атомным номером выше 82 ( свинец ) радиоактивны. На Земле нет нуклидов с атомным номером, превышающим 92 ( уран ), в качестве первичных нуклидов , а более тяжелые элементы обычно имеют более короткий период полураспада. Тем не менее, « остров стабильности », включающий 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 стабилизирующих эффектов.

Экзотическая материя

Каждой частице вещества соответствует частица антивещества с противоположным электрическим зарядом. Таким образом, позитрон - это положительно заряженный антиэлектрон, а антипротон - отрицательно заряженный эквивалент протона . Когда материя и соответствующая частица антивещества встречаются, они уничтожают 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 ЦЕРН в Женеве .

Другие экзотические атомы были созданы 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 можно использовать для проверки фундаментальных предсказаний физики.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография

дальнейшее чтение

  • Гангопадхьяя, Мриналканти (1981). Индийский атомизм: история и источники . Атлантик-Хайлендс, Нью-Джерси: Humanities Press. ISBN 978-0-391-02177-8. OCLC  10916778 .
  • Янноне, А. Пабло (2001). Словарь мировой философии . Рутледж. ISBN 978-0-415-17995-9. OCLC  44541769 .
  • Король, Ричард (1999). Индийская философия: введение в индуистскую и буддийскую мысль . Издательство Эдинбургского университета. ISBN 978-0-7486-0954-3.
  • Макэвилли, Томас (2002). Форма античной мысли: сравнительные исследования в греческой и индийской философии . Allworth Press. ISBN 978-1-58115-203-6.
  • Зигфрид, Роберт (2002). От элементов к атомам: история химического состава . ДИАНА. ISBN 978-0-87169-924-4. OCLC  186607849 .
  • Терези, Дик (2003). Утраченные открытия: древние корни современной науки . Саймон и Шустер. С. 213–214. ISBN 978-0-7432-4379-7.
  • Вюрц, Чарльз Адольф (1881). Атомная теория . Нью-Йорк: Д. Эпплтон и компания. ISBN 978-0-559-43636-9.

внешние ссылки