Уикипедия

Атом: Разлика между версии

Интерактивен преглед на историята
← По-стара редакцияПо-нова редакция →
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
ВизуаленУикитекст
м без   интервал
м без   интервал
Ред 1:
[[Файл:Helium atom QM.svg|мини|300п|Схема на [[Хелий|хелиев]] атом, показваща ядрото (розово) и разпределението на електронния облак (черно). Ядрото (уголемено горе вдясно) на хелий-4 в действителност е сферично симетрично и силно наподобява електронния облак, макар че при по-сложни ядра това може да не е така. Черната линия долу вляво е мащабът – един [[ангстрьом]] (10<sup>-10</sup>&nbsp; m или 100&nbsp; pm).]]
 
'''Атомът''' ({{lang|grc|на=от|ἄτομος}} – „неделим“) е основната градивна частица на [[вещество]]то и се състои от плътно централно [[атомно ядро|ядро]] с положителен [[електричен заряд]], заобиколено от [[електронен облак|облак]] отрицателно заредени [[електрон]]и. Атомното ядро на свой ред е изградено от положително заредени [[протон]]и и електрически неутрални [[неутрони]]. Електроните в атома са свързани с ядрото чрез [[сила на Лоренц|електромагнитна сила]].
Ред 7:
Концепцията за атома като неделима съставна част на материята е предложена за първи път от античните [[философ]]и на [[Индия]] и [[Древна Гърция]]. През 18 и 19 век химиците дават физическа основа на тази идея като показват, че някои вещества не могат да бъдат разделени чрез химически реакции и прилагат старото философско понятие ''атом'', за да обозначат тази химическа неделимост. Атомите и молекулите се възприемат като най-малките градивни частици на материята. В края на 19 и началото на 20 век [[физик|физиците]] откриват [[субатомни частици]] и установяват структура вътре в атома, като по този начин опровергават неделимостта му и считат името за неподходящо{{sfn|Harrison|2003|pp=123 – 139}}. То обаче остава. Съвременното разбиране за атома се основава на принципите на [[квантова механика|квантовата теория]].{{hrf|Goodstein|2002|}}{{hrf|Harrison|2003|123 – 139}}
 
Атомите са миниатюрни обекти с диаметри от няколко десети от [[нанометър]]а и съответстваща на размера им маса. Те могат да се наблюдават само със специални инструменти, като [[сканиращ тунелен микроскоп]]. Над 99,94% от масата на атома е съсредоточена в ядрото<ref group="бел.">В случая на водородния атом с един електрон и един протон, протонът е 1836/1837&nbsp; ≈&nbsp; 0,9995 или 99,95% от общата маса на атома. Всички други [[нуклид]]и (изотопи на водорода и другите елементи) имат повече [[нуклеон]]и, отколкото електрони, така че съотношението между масата на ядрото и електроните е по-близко до 100% отколкото при водорода.</ref> като протоните и неутроните имат приблизително еднаква маса. Всеки елемент има поне по един [[изотоп]] с нестабилно ядро, което може да претърпи [[ядрен разпад]]. Електроните, свързани в атома, притежават стабилни енергийни нива (т.е. намират се на определени [[атомна орбитала|атомни орбитали]]), като могат да извършват [[квантов скок]] към друго енергетично ниво чрез поглъщане или изпускане на [[фотон]] с енергия, равна на разликата в енергиите на съответните енергетични нива. Електроните определят химичните свойства на химичния елемент и влияят върху [[магнит]]ните свойства на атома.
 
== История на изследванията ==
Ред 81:
Макар че първоначално терминът „атом“ означава частица, която не може да бъде разделена на по-малки части, в съвременната наука атомът се разглежда като съставен от различни [[субатомни частици]]. Обикновено атомите се състоят от [[електрон]]и, [[протон]]и и [[неутрон]]и, но атомът на [[Водороден атом|водород-1]] не съдържа неутрони, а само протон и електрон, а водородният [[йон]] не съдържа и електрони.
 
Електронът е най-леката от тези субатомни частици с [[маса (величина)|маса]] 9,11&nbsp; ×&nbsp; 10<sup>−31</sup>&nbsp; kg, отрицателен [[електрически заряд]] и размер, прекалено малък, за да бъде измерен с известните днес техники.{{hrf|Demtröder|2002|39 – 42}} Протоните имат положителен заряд и свободна маса, 1836 пъти по-голяма от тази на електроните (1,6726&nbsp; ×&nbsp; 10<sup>−27</sup>&nbsp; kg). Неутроните нямат електричен заряд, а свободната им маса е 1839 пъти по-голяма от тази на електроните{{hrf|Woan|2000|8}} (1,6929&nbsp; ×&nbsp; 10<sup>−27</sup>&nbsp; kg). Неутроните и протоните имат сравними размери, около 2,5&nbsp; ×&nbsp; 10<sup>−15</sup>&nbsp; m, макар че тези частици нямат строго определена външна повърхност.{{hrf|MacGregor|1992|33 – 37}}
 
В [[Стандартен модел|Стандартния модел]] се приема, че електронът е истинска [[елементарни частици|елементарна частица]] без вътрешна структура. Протоните и неутроните обаче са съставени от елементарни частици, наречени [[кварк]]и. В атомите присъстват два вида кварки, като всеки от тях има различен дробен електричен заряд: +2/3 ([[горен кварк]]) или −1/3 ([[долен кварк]]). Протоните се състоят от два горни кварка и един долен кварк, а неутронът се състои от един горен кварк и два долни кварка. На това различие се дължат различните маса и заряд на двете частици.{{hrf|Уилямс|2000|195}}
Ред 93:
Всички протони и неутрони в атома образуват компактно [[атомно ядро]], в което е съсредоточена 99% от масата на атома, и се наричат [[нуклеон]]и. Радиусът на дадено ядро е приблизително равен на
<math>\scriptstyle 1,07 \sqrt[3]{A} \text{ fm}</math>,
където с ''A'' е означен общият брой нуклеони.{{hrf|Jevremovic|2005|63}} Тази стойност е много по-малка от радиуса на атома, който е от порядъка на 10<sup>5</sup>&nbsp; fm. Нуклеоните са свързани с помежду си с ядрени сили, които действат само на късо разстояние. При разстояния, по-малки от 2,5 fm, те са по-големи от [[Закон на Кулон|електростатичната сила]], която кара положително заредените протони да се отблъскват един от друг.{{hrf|Pfeffer|2000|330 – 336}}
 
Атомите на един и същ [[химичен елемент]] имат винаги еднакъв брой протони, наречен [[атомен номер]]. За даден елемент броят на неутроните може да варира, като различният брой определя различни [[изотоп]]и на елемента. Общият брой на протоните и неутроните определя [[нуклид]]а на атома. Отношението на броя на неутроните към броя на протоните определя стабилността на ядрото – изотопите с повече неутрони са по-неустойчиви, като някои от тях могат да претърпяват [[Радиоактивност|радиоактивен разпад]].<ref name=wenner2007/>
Ред 107:
Броят на протоните и неутроните в ядрото може да се променя, но това изисква много голямо количество енергия, поради силните ядрени сили. Процесът на увеличение на броя ([[ядрен синтез]]) протича, когато атомни частици се обединяват, образувайки по-тежко ядро, например при силен сблъсък на две ядра. Така при процесите в ядрото на [[Слънце]]то на протоните са необходими енергии от 3 – 10 keV, за да преодолеят взаимното си отблъскване и да се обединят в общо ядро.<ref name=mihos2002/> Противоположният процес се нарича [[ядрено делене]] – ядрото се разцепва на по-малки ядра, обикновено чрез радиоактивен разпад. Ядрото може да се променя и чрез бомбардирането му с фотони или субатомни частици с висока енергия. Ако при това броят на протоните в ядрото се променя, се получава друг химичен елемент.<ref name=lbnl20070330/><ref name=makhijani_saleska2001/>
 
Ако масата на ядрото, образувано чрез ядрен синтез, е по-малка от сбора на масите на отделните частици, разликата може да бъде излъчена във вид на енергия (като например [[гама лъчи]] или като кинетична енергия на [[бета частица]]), според формулата на [[Алберт Айнщайн]] за [[равенство на маса и енергия]] ''E''&nbsp; =&nbsp; ''mc''<sup>2</sup>, където ''m'' е разликата в масите и ''c'' е [[скорост на светлината|скоростта на светлината]]. Тази разлика в масите е част от енергията на свързване на новото ядро и именно това, че не подлежи на възстановяване по естествен начин, е причина съединилите се частици да останат заедно.{{hrf|Shultis|2002|10 – 17}}
 
Сливането на две ядра, при което се образува ядро на елементи с атомен номер, по-малък от този на [[желязо]] и [[никел]] (с общ брой нуклеони около 60), обикновено е [[екзотермична реакция]], която освобождава повече енергия, отколкото е необходима за сливането им. <ref name=ajp63_7_653/> Именно този процес на освобождаване на енергия прави процеса на термоядрен синтез в [[звезда|звездите]] самоподдържаща се реакция. При по-тежките ядра енергията на свързване на [[нуклеон]]ите в ядрото започва да намалява с увеличаване на атомния номер. Това означава, че процесите на сливане, при които продуктите имат атомен номер над 26 и [[атомна маса]] над 60 е [[ендотермичен процес]] и се нуждае от външен източник на енергия. Тези по-масивни ядра не биха могли да осъществяват самоподдържащ се процес на ядрен синтез при [[хидростатично равновесие|хидростатичното равновесие]] във вътрешността на [[Звезда|звездите]].<ref name="raymond"/>
Ред 123:
Всяка атомна орбитала съответства на определено [[енергийно ниво]] на електрона. Електронът може да премине към по-високо енергийно ниво, поглъщайки [[фотон]] с достатъчна енергия, за да го премести в ново квантово състояние. По подобен начин, при [[Атомна спектрална линия#Спонтанна емисия|спонтанно излъчване]] на фотон електронът може да се премести на по-ниско енергийно ниво. Тези специфични енергийни стойности, съответстващи на енергиите на квантовите състояния, са причината за атомните [[спектрална линия|спектрални линии]].{{hrf|Brucat|2008}}
 
Количеството енергия, необходимо за отделяне или добавяне на електрон – [[енергия на свързване|енергията на свързване]], е много по-малко от съответното количество енергия за нуклеоните. Например, отделянето на електрон от водороден атом изисква само 13,6&nbsp; eV, докато за разделянето на ядро на [[деутерий]] са нужни 2,23&nbsp; ×&nbsp; 10<sup>6</sup>&nbsp; eV.{{hrf|Bell|1950|282 – 285}}
 
Атомите нямат електричен заряд, когато съдържат еднакъв брой протони и електрони. Атоми, които имат недостиг или излишък на електрони се наричат [[йон]]и. Електроните, най-отдалечени от ядрото, могат да преминават към други близко разположени атоми или да се споделят между повече от един атом. По този начин атомите могат да се [[химична връзка|свързват]] в [[Молекула|молекули]] и други химични съединения, като например [[кристална структура|кристали]].{{hrf|Smirnov|2003|249 – 272}}
Ред 139:
=== Маса ===
{{основна|Атомна маса|Масово число}}
Масата на атома е съсредоточена в протоните и неутроните и общият им брой в даден атом се нарича негово [[масово число]]. Действителната масата на атома в покой често се изразява в [[единица за атомна маса|единици за атомна маса]] (u), наричана също далтон (Da). Тази единица се дефинира като една дванадесета от масата на свободен неутрален атом на въглерод-12 (<sup>12</sup>С), която е приблизително 1,66×10<sup>-27</sup> kg.{{hrf|Mills|1993|}} Атомът на най-лекия изотоп на водорода протий (<sup>1</sup>H), който е и атомът с най-малка маса, има атомно тегло 1,007825&nbsp; u.<ref name=chieh2001/> Всеки атом има маса, приблизително равна на произведението на масовото му число и единицата за атомна маса.<ref name=nist_wc/> Най-тежкият стабилен атом е този на [[олово-208]],{{hrf|Sills|2003|131 – 134}} с маса около 207,9766521 u.<ref name=audi2003/>
 
Тъй като и най-тежките атоми са с много малка маса, за практически цели химиците използват единицата за количество вещество [[мол]]. По дефиниция един мол атоми съдържа винаги един и същ брой атоми, независимо от химичния елемент – [[число на Авогадро|6,023×10<sup>23</sup>]]. Този брой е избран така, че ако един елемент има атомна маса от 1&nbsp; u, то един мол атоми от този елемент ще тежи приблизително един [[грам]]. Така от дефиницията на единица за атомна маса пряко следва, че въглерод-12 има атомна маса точно 12&nbsp; u, а мол въглеродни атоми тежи точно 12&nbsp; грама.{{hrf|Mills|1993|}}
 
=== Размер и форма ===
Ред 148:
[[Файл:Atomic resolution Au100.JPG|мини|Изображение на чиста златна повърхност, наблюдавана през [[сканиращ тунелен микроскоп]] – виждат се отделните атоми]]
 
Макар че атомите нямат рязко очертана външна граница, обикновено размерът им се оценява с величина, наричана [[атомен радиус]]. Той е мярка за разстоянието от ядрото, до което може да се разпростре електронният облак. Това понятие обаче предполага сферична форма на атома, което е валидно само за атоми във вакуум или в напълно свободно пространство. Атомният радиус може да се оцени чрез разстоянието между ядрата на два атома, свързани чрез [[химична връзка]]. Това разстояние варира според атомния номер, вида на химичната връзка, броя на съседните атоми ([[координационно число]]) и [[квантова механика|квантовомеханичното свойство]] [[спин]].<ref name=aca32_5_751/> В Периодичната система атомният радиус обикновено нараства в посока надолу по колоните, но в един и същи ред намалява от ляво надясно.<ref name=dong1998/> Следователно, най-малкият атом е хелий с радиус от 32&nbsp; pm, докато един от най-големите е [[цезий]] с 225&nbsp; pm.{{hrf|Zumdahl|2002|}}
 
В присъствие на външни полета, като [[електрично поле]], формата на атома може да се отклонява от сферичната. Деформираността зависи от силата на полето и вида на външната електронна обвивка и може да се определи с математическия апарат на [[теория на групите]]. Отклонения от сферичната форма се наблюдават например при [[кристал]]ите, при които в зоните на ниска симетрия на кристалната решетка могат да възникнат интензивни електрични полета.<ref name=adp5f_3_133/> Значителни деформации във вид на [[елипсоид]]и са наблюдавани при йони на [[сяра]]та в съединения от типа на [[пирит]].<ref name=pssb245_9_1858/>
 
В сравнение с [[дължина на вълната|дължината на вълната]] на светлината във [[видим спектър|видимия спектър]] (400 – 700&nbsp; nm) атомите са много малки и затова не могат да бъдат наблюдавани директно с оптичен [[микроскоп]]. Отделни атоми могат обаче да се наблюдават със [[сканиращ тунелен микроскоп]]. За да се онагледи малкият размер на атома, може да се използва сравнението с човешки косъм: той е дебел около 1&nbsp; милион въглеродни атома.<ref name=osu2007/> Капка вода съдържа около 2&nbsp; х10<sup>21</sup> атома кислород и два пъти повече атоми водород. Един [[Карат (маса)|карат]] [[диамант]] с маса от 2х10<sup>-4</sup>kg съдържа около 10<sup>22</sup> атома [[въглерод]].<ref group="бел.">Един карат е 200 милиграма. По дефиниция въглерод-12 тежи 0.012 kg на мол. В един мол има 6х10<sup>23</sup> атома.</ref> Ако си представим една ябълка с размера на Земята, тогава атомите на ябълката биха били приблизително с размера на истинска ябълка.{{hrf|Feynman|1995|5}}
 
=== Радиоактивен разпад ===
Ред 158:
[[Файл:Isotopes and half-life.svg|300п|мини|[[Период на полуразпад]] (T<sub>½</sub>) на различни изотопи със Z протона и N неутрона.]]
 
Всеки химичен елемент има поне един изотоп с нестабилно ядро, претърпяващо [[радиоактивен разпад]], при което продуктите на разпада са частици или електромагнитно излъчване. Такава радиоактивност се наблюдава, когато радиусът на ядрото е по-голям от силата на [[силно ядрено взаимодействие]], която действа на разстояния от порядъка на 1&nbsp; fm.<ref name=splung/>
 
Най-често срещаните разновидности на радиоактивен разпад са:{{hrf|L'Annunziata|2003|3 – 56}}<ref name=firestone20000522/>
Ред 172:
{{основна|Магнитен момент}}
 
Елементарните частици притежават вътрешна квантова характеристика, нямаща еквивалент в класическата механика – [[спин]]. Тя е аналогична на [[момент на импулса|момента на импулса]] на тяло, въртящо се около своя [[център на масите]], макар че строго погледнато тези частици се разглеждат като точки и не могат да се въртят. Спинът се измерва в единици редуцирана [[константа на Планк]] (ħ), като електроните, протоните и неутроните имат полуцял спин ½&nbsp; ħ. В атома движещите се около ядрото електрони освен спин притежават и орбитален „момент на импулса“, измерван с орбиталното квантово число, докато самото ядро също притежава спин.<ref name=hornak2006/>
 
Атомът притежава свое [[магнитно поле]], наричано [[магнитен момент]], което е получено от тези различни видове спин, точно както едно класическо електрически заредено тяло при въртене произвежда магнитно поле. Поради това, че електроните се подчиняват на [[принцип на Паули|принципа на Паули]], според който два електрона не могат да се намират в едно и също квантово състояние, в една [[атомна орбитала]] може да има най-много два електрона, но с противоположни [[спин]]ове. Така тези спинове се неутрализират и общият диполен магнитен момент в някои атоми с четен брой електрони става нула.<ref name=schroederP/>.
Взето от „https://bg.wikipedia.org/wiki/Атом“.