khimie.ru

Как же устроен атом? Прежде всего, надо заметить, что, согласно принятой модели, почти все пространство внутри атома остается пустым, потому что практически вся атомная масса сконцентрирована в сравнительно небольшом объеме атомного ядра, несущего положительный заряд. На довольно большом удалении вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны, образующие, как говорят, электрон­ное окружение (электронную оболочку) атома. Поскольку в целом атом сохраняет электронейтральность, количество электронов в электронной оболочке точно равно числу положительно заряженных частичек атомного ядра — протонов. Электроны в атоме расположены в строгом порядке. Электрон вращается вокруг ядра только по таким орбитам, длина окружности которых кратна длине волны электрона. В атоме не может быть больше двух электронов с одинаковыми энергетическими характеристиками (длинами волн). При включении в ядро одного протона атом приобретает также один дополнительный электрон, который размещается на незанятой орбитали, характеризующейся минимальной энергией. Электронные орбитали сгруппированы и образуют уровни и подуровни. На одном уровне может находиться максимально 2, 8, 18 или 32 электрона в зависимости от удаленности от ядра. Эти же цифры мы уже называли, когда рассказывали о Периодической системе элементов. Напомним, что по мере увеличения относительных атомных масс свойства элементов меняются периодически, и периоды — горизонтальные ряды — могут содержать 2, 8, 18 и 32 элемента. В группах — вертикальных столбцах таблицы — друг под другом располагаются сходные по свойствам элементы. Изучение электронной структуры атомов раскрыло физический смысл периодического закона, открытого Д. И. Менделеевым. Стало ясно, что период представляет собой последовательный ряд элементов, у которых происходит постепенное заполнение электронных оболочек. Каждый период начинается элементом в первом вертикальном столбце таблицы, когда элемент имеет на внешней оболочке всего один электрон, и заканчивается элементом в последнем столбце после того, как электронная оболочка полностью заполняется.

По мере того как увеличивается положительный заряд ядра и масса атома, положительное ядро все сильнее притягивает к себе отрицательные электроны, благодаря чему уменьшается радиус электронных орбит. В результате с возрастанием атомной массы плотность электронного окружения ядра увеличивается. Так, диаметр атома водорода, состоящего всего из одного протона и одного электрона, составляет всего 0,053 нм (5,3∙10^-11 м), а при переходе к калию размер атома возрастает всего в четыре раза, то есть до 0,22 нм, хотя атомная масса увеличивается при этом в тридцать девять раз. Радиус орбиты, по которой вращается ближайший к ядру калия электрон, не превышает 0,029 нм, то есть он не доходит и до половины радиуса электронной орбиты водорода. В результате подобного взаимодействия энергия электронов, расположенных относительно ядра на первом, втором и т.д. уровне (или подуровне), должна изменяться от атома к атому. А это значит, что если бы удалось каким-то образом определить энергетические характеристики электронной оболочки атомов неизвестного вещества, то можно было бы выяснить, из каких атомов состоит данное вещество.

Энергию, как и любой другой относительный параметр, например скорость, можно измерить, если найти какую-то точку отсчета. В случае электронных оболочек наиболее простым способом оценки энергетики электронов может служить измерение разности энергий отдельных орбит. Для того чтобы узнать энергетические характеристики отдельных атомов в данном веществе, вовсе не обязательно пытаться определить разность всех энергетических параметров, а достаточно располагать всего лишь несколькими энергетическими характеристиками.