Часть III. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ АТОМА И ЯДРА

Строение атома

Химические свойства веществ, проявляющиеся при химических реакциях, определяются природой элементарных составных частей (атомов), количеством их и химическим строением, а также свойствами среды и внешними условиями. Поэтому для глубокого понимания химических процессов и правильного написания уравнений химических реакций необходимо знать строение атомов химических элементов.

Слово атом происходит от греческого слова «атомос», что значит неделимый. Представление об атоме как о неделимой частице господствовало в естествознании до конца XIX в., и только отдельные, наиболее передовые мыслители склонялись к тому, что атом имеет сложное строение.

Энгельс писал: «Атомы отнюдь не являются чем-то простым, не являются мельчайшими известными нам частицами вещества». К такому же мнению пришли Д. И. Менделеев и А. М. Бутлеров.

В настоящее время экспериментально доказано, что атом имеет сложное строение и состоит из тяжелого центрального ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и вращающихся вокруг него на сравнительно далеком расстоянии электронов — значительно более легких частиц с отрицательным электрическим зарядом.

Электроны в атоме удерживаются электрическими силами, действующими между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами.

Размеры атомного ядра (радиус см) весьма малы по сравнению с размерами атома (радиус см), но почти вся масса атома сосредоточена в ядре .

Заряд ядра по величине совпадаем с порядковым номером элемента в периодической системе; число электронов равно заряду ядра. Заряд ядра определяет электронное строение атомов, а следовательно, их свойства.

Вся совокупность сложных движений электрона в атоме может быть охарактеризована четырьмя квантовыми числами.

Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной орбите и его удаленность от ядра. Главное квантовое число может быть выражено любым целым числом от 1 до .

Под главным квантовым числом, равным , подразумевают, что атому сообщена энергия, достаточная для полного отделения электрона от ядра (ионизация атома).

Значение n=1 соответствует наиболее низкому энергетическому уровню, обозначаемому буквой К; значение n=2 — энергетическому уровню L; значение n=3 энергетическому уровню М и т. д.

Спектральные линии, отвечающие переходу электрона с одного уровня на другой, большей частью обнаруживают тонкую структуру, т. е. состоят из нескольких близко расположенных отдельных линий.

Если появление одной спектральной линии объясняется переходом электрона с одного энергетического уровня на другой, то расщепление спектральной линии, т. е. появление вместо одной линии двух более близко расположенных, указывает на различие в энергии связи некоторых электронов данного энергетического уровня. Иначе говоря, в пределах определенных уровней энергии, электроны атомов могут отличаться своими энергетическими подуровнями. Совокупность близких по энергии подуровней образует энергетический уровень. Число возможных подуровней для данного энергетического уровня равно номеру уровня или значению n.

Так, например, при n=1 (в первом энергетическом уровне) имеется 1 подуровень. В данном случае уровень и подуровень совпадают. При значении n=2 (во втором энергетическом уровне) имеются 2 подуровня, при n=3 имеется 3 подуровня и т. д.

Существование такого различия в энергии связи потребовало введения второго квантового числа, которое отражало бы различие в энергетическом состоянии электронов, принадлежащих к различным подуровням данного энергетического уровня.

Это квантовое число получило название побочного (орбитального) и обозначается буквой l. Оно может принимать также целочисленные значения от 0 до n-1. Максимальное значение l на единицу меньше n. Например, при значении квантового числа n=4 возможные значения l=0, 1, 2, 3. Первый, ближайший к ядру энергетический подуровень каждого квантового слоя обозначается символом s; второй — p; третий — d; четвертый — f.

В классификации спектров принято численные значения l заменять следующими буквенными обозначениями:

В этом случае говорят о s, p, d и т. д. состояниях электронов, или s-, p-, d- и т. д. орбиталях (или орбитах).

Орбиталь — совокупность положений электрона в атоме, т. е. пространственное описание движения электрона.

Побочное (орбитальное) квантовое число характеризует различное энергетическое состояние электронов на данном уровне, определяет форму электронного облака, его сплошность, разрывы или вытянутость, а также орбитальный момент — количество движения электрона М при его вращении вокруг ядра:

где h — постоянная Планка, равная , - 3,14.

Движение электрического заряда по замкнутой орбите связано с возникновением магнитного поля. Энергетическое состояние электрона, обусловленное орбитальным магнитным моментом электрона (в результате его движения по орбите), характеризуется третьим квантовым числом — магнитным m. Оно отражает расположение орбитали в пространстве.

Соответственно ориентации плоскости орбиты относительно направления вектора напряженности внешнего магнитного поля магнитное квантовое число m может принимать значения любых целых чисел, как положительные, так и отрицательные, но только в пределах l.

Число возможных значений магнитного квантового числа при данном l равно 2l+1. Например, при l=0, m=0; l=3 магнитное квантовое число может иметь семь значений: +3, +2, +1, 0, — 1, — 2 и -3.

Таким образом, m характеризует величину проекции вектора орбитального момента количества движения на выделенное направление (например, на ось z):

Число возможных состояний электронов, Определяемых квантовыми числами n, l, m для каждого энергетического уровня равно квадрату главного квантового числа .

Состояние электрона в атоме характеризуется также четвертым квантовым числом — спином электрона s (по-английски spin — веретено).

Было установлено, что спектральные линии нередко оказываются расщепленными на то или иное число компонент (дублеты, триплеты и т. д.) и при отсутствии внешнего магнитного поля — так называемое естественное расщепление спектральных линий. Это удалось объяснить (Гаудсмит и Юленбек, 1925 г.) на основе допущения, что электрон является маленьким магнитиком и, следовательно, обладает собственным моментом количества движения, помимо движения по орбите.

Это положение подтверждено экспериментально.

Собственный момент количества движения электрона- равен

или ; знаки + и — соответствуют различным направлениям вращения электрона. Поскольку известно, что момент количества движения измеряется в единицах , обычно говорят, что спин электрона равен 1/2 или — 1/2 (опуская ).

Так как ядра реагирующих атомов при химических реакциях остаются без изменения, то сейчас мы остановимся только на распределении и свойствах электронов в атоме и, главным образом, тех из них, которые обусловливают химические свойства атомов (так называемых валентных электронов).

Распределение электронов в атомах определяют следующие основные положения: 1) принцип Паули, 2) принцип наименьшей энергии и 3) правило Гунда.