Menu

Строение атомов.

В следующих разделах будет дано упрощенное нематематическое описание природы атомов и типов химической связи. Полная и подробная трактовка этого предмета находится за рамками данной книги; более детальное описание этих вопросов можно найти в некоторых книгах, перечисленных в конце главы.

С химической и минералогической точки зрения можно считать, что атом состоит из ядра, окруженного оболочкой электронов. Именно электронная оболочка атомов и ее взаимодействие с электронами других атомов определяют их поведение в химическом соединении. Ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц (протонов) и нейтральных частиц (нейтронов), которые вместе составляют практически всю массу атома. Вокруг ядра располагается оболочка, или облако, электронов с ничтожной массой, каждый из которых несет единицу отрицательного электрического заряда. Общее число электронов равняется числу протонов (единицы положительного заряда) в ядре; таким образом строится нейтральный атом. Число протонов в ядре определяет атомное число Z. Каждый химический элемент имеет определенное атомное число (атомный номер). Например, для Cu Z = 29, и все атомы меди обладают 29 протонами. Число нейтронов в ядре атома того или иного элемента может варьировать, что приводит к существованию различных изотопов у одного элемента. Изотопы элемента сохраняют общий атомный номер и характеризуются одинаковыми химическими свойствами, но различаются по атомной массе. Различное количество незаряженных нейтронов в изотопах не приводит к изменению электростатического заряда ядра и, следовательно, не меняет число окружающих его электронов. Но именно последние обусловливают химические свойства элементов. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства.

Наши знания об электронной структуре в значительной степени опираются на изучение атомных спектров излучения, испускаемого атомом вследствие его возбуждения при нагревании или за счет других причин. В ранних представлениях об атоме его структуру уподобляли строению Солнечной системы, где ядро играло роль Солнца, а электроны сопоставлялись с планетами. В 1913 г. Нильс Бор выдвинул идею о приуроченности электронов к определенному числу фиксированных орбитальных зон, или оболочек, каждая из которых характеризуется определенным значением энергии. Электрон может сменить свою оболочку и при этом излучает или поглощает фиксированную порцию энергии (квант) в виде света или рентгеновского излучения. Испускание энергии связано с переходом электрона на более близкую к ядру оболочку, а поглощение — с его перемещением на более отдаленную оболочку. Природа подобного испускания или поглощения энергии подробнее рассматривается в гл. 4 и 5, так как на основе этих процессов определяется химический состав минералов посредством электронно-зондового микроанализа либо других аналитических методов.

Современная теория электронной структуры атомов использует развитые американским физиком Эрвином Шредингером математические принципы волновой механики, а не представления о круговых или эллиптических траекториях электронов. Луи де Бройль показал, что электроны можно рассматривать как частицы, обладающие волновыми свойствами. Посредством сочетания этой идеи с представлениями о простом атоме Бора Шредингер сформулировал принцип распределения электронов в атоме, использовав волновую функцию ф. Последняя определяет вероятность нахождения электрона в какой-либо определенной точке, причем эта вероятность оказывается самой высокой там, где электронное облако является наиболее плотным. Плотность вероятности можно определить путем выделения в направлении от ядра ряда объемов, в пределах которых вероятность нахождения электронов закономерно уменьшается. При расчетах заряда электронных облаков предполагается, что последние могут быть представлены либо в виде окружающих атомное ядро сферических оболочек, либо в виде отходящих от него выступов. Каждый такой объем, в пределах которого электрон с наибольшей вероятностью находится в какой-то момент времени, называется электронной ор-биталъю. Чтобы ее изобразить, можно построить изолинии плотности вероятности, за пределами которой доля заряда мала (скажем, менее 10%), — это и есть граничная поверхность орби-тали.

Понятие волновой функции ф пространствен -ного расположения электронов требует определения для каждого электрона в атоме четырех квантовых чисел:

1. Первое из них является главным квантовым числом, определяющим в атомной модели Бора разрешенные орбитальные зоны, или квантовые оболочки. Они обозначаются буквами К, L, M, N, О, P, Q последовательно начиная от ядра, и им соответствуют главные квантовые числа от 1 до 7.

2. Тщательное изучение атомных спектров показало, что в пределах квантовых оболочек электроны занимают второстепенные группы орбита-лей, которые классифицируются как типы s, p. d и f Таким образом, электрон обозначается его главным квантовым числом и второстепенным буквенным символом — орбитальным квантовым числом, характеризующим энергетический уровень электрона. Количество второстепенных орбитальных групп в какой-либо оболочке ограничено, и поэтому имеются следующие возможности их заполнения:

 

K

L

M

N

O

P

Q

Главная

 

 

 

 

 

 

квантовая

 

 

 

 

 

 

 

оболочка

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Символ

 

 

 

электрона

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

 

 

1p

3p

4p

5p

6p

 

 

 

 

3d

4d

5d

7d

 

 

 

 

 

4f

5f

 

 

3. Орбитальные группы р, d и f подразделяются на индивидуальные орбитали относительно плоскости, в которой перемещается электрон. Данное обстоятелство вынуждает ввести понятие магнитного квантового числа. В общем случае энергии электронов на различных подуровнях обычно одинаковы, но когда атом находится в сильном магнитном поле, электроны начинают проявлять различие в энергиях, приводящее к расщеплению спектральных линий.

4. Наконец, еще одной характеристикой электрона является наличие у него спина, который может быть положительным или отрицательным, и поэтому электрону присваивается спиновое квантовое число +1/2 или -1/2.

На рис. 1.1 представлена карта электронной плотности, полученная в результате измерения интенсивностей дифрагированных кристаллом рентгеновских лучей, рассеяние которых определяется в основном распределением электронов внутри кристалла. Рисунок 1.2 иллюстрирует распределение электронов в щелочных металлах в радиальном направлении от ядра и пространственное расположение электронов на главных квантовых оболочках. Обращает на себя внимание то, что более тяжелые атомы являются более крупными. Однако по мере увеличения заряда ядра внутренние оболочки сдвигаются в сторону ядра. На рис. 1.3 показаны «граничные поверхности» различных орбитальных типов: орбиталь s, которая является сферически-симметричной; три ор-битали p направленного характера,что облегчает группе p подразделение на р, ру и р,, и орби-

Рис. 1.1 Изолинии электронной плотности структуры NaCl. Видно, что большинство электронов концентрируется вокруг ионных центров, а не в межионном пространстве. (По H. Witte and E. Wolfel, Z Phys Chem , NF, 3: 296-329, 1955 )

таль d, также имеющую направленный характер и проиллюстрированную только одним примером. В общем имеется пять различных ориентации для орбиталей d и семь для орбиталей f (последние на рис 1.3 не показаны).

Главное квантовое число, т.е. оболочка, в которой находится электрон, в основном определяет его энергию. Более удаленные оболочки обладают более высокой, чем внутренние, связанной с ними энергией, и, как уже упоминалось, именно переход электронов с внешней оболочки на внутреннюю приводит к испусканию света или рентгеновских лучей. Внешние оболочки менее устойчивы, чем внутренние, и это обстоятельство ограничивает рост все более и более тяжелых элементов.

В пределах любой квантовой оболочки орбита-ли обладают энергиями, располагающимися в следующем порядке: s < р < d, но орбиталь s одной оболочки может иметь в грубом приближении такую же энергию, как орбиталь d следующей по направлению к ядру оболочки. Обычный порядок энергетических уровней выглядит следующим образом: 1s < 2s < 2р < 3s < Зр < 4s ~ 3d < 4р < 5s ~ 4d < 5р < 4f

Электроны, находящиеся на одной и той же орбитали, но имеющие противоположные спины, обладают одинаковой энергией. Это также справедливо для орбиталей, расположенных внутри одной подоболочки, но такие орбитали имеют различную ориентацию: три эквивалентных ориента-

Рис. 1.2 Радиальные электронные плотности ионов щелочных металлов [2, р. 38]. Отметим сжатие внутренних квантовых оболочек при увеличении заряда ядра.

ции в группе р, пять одинакового вида пространственных расположений в группе d и семь также одинаковых орбиталей f (исключая случаи, когда сказывается влияние магнитных полей, что уже отмечалось).

Энергия каждого типа орбиталей может быть рассчитана и в первом приближении представляет собой энергию, требуемую для того, чтобы удалить электрон из атома, т. е. эта энергия представляет собой потенциал ионизации электрона.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5379 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8485 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5231 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Причини ремонту свердловин

Свердловини експлуатують тривалий час. Періодично їх доводиться зупиняти для ремонту. Разом з тим у їх роботі можливі різні ускладнення, які призводять до порушення нормальної роботи свердловин і зумовлюють необхідність виконання...

19-09-2011 Просмотров:7286 Підземний ремонт свердловин

Условные знаки топографических карт и пл…

Рамки карты и координатные линии. Листы топографических карт имеют три рамки: внутреннюю, минутную и внешнюю. Внутреннюю рамку образуют отрезки параллелей, ограничивающих площадь карты с севера и юга, и отрезки меридианов...

13-08-2010 Просмотров:39028 Инженерная геодезия. Часть 1.

Приобщение

Дорога петляет, постоянно поворачивая, неимоверно изгибаясь, при этом то набирая высоту – то снова скатываясь вниз, к просторам небольших болотец. Эта дорога словно бы и не была никогда построена, придумана...

03-03-2011 Просмотров:4306 Комплексные географические характеристики