Строение ядра: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 1: "Строение атома"

Здравствуйте, уважаемые слушатели! Сегодня тема моей лекции — строение атома. Строение атома — это очень важная составляющая химической науки, поскольку мы говорим о том, что все вещества состоят из атомов, и при превращениях химических атомы абсолютно никуда не деваются, они не превращаются ни во что. Не исчезают, не появляются, а только происходит их перегруппировка, то есть старые химические связи между атомами разрушаются, а новые образуются. Поэтому атом это мельчайшая такая частичка, которая очень важна для химика и для понимания того, почему одни вещества оказываются устойчивы, другие вещества оказываются неустойчивы, реакционноспособны. Поэтому мы всегда должны обращать внимание на то, из каких атомов состоит вещество, и соответственно, какие химические связи присутствуют в том или ином веществе, для того чтобы понимать, почему происходят так или иначе химические реакции. Начнем мы с вами со строения атома, то есть из чего он состоит. Итак, может быть вы уже знаете, может быть нет, но любой атом состоит из ядра и околоядерного пространства. Мы можем изобразить это следующим образом. В центре находится ядро, вокруг него – околоядерное пространство. Я его приблизительно сферически описал. Здесь важно понимать две вещи: первое – как соотносится размер ядра и размер атома, радиус атома поделим на радиус ядра. Оказывается, что это очень большая величина потому, что (нам с вами важно понимать порядок цифр) приблизительно размер атома равен 1 ангстрем, что равно 10^{-10} метра, и, соответственно, радиус ядра – это примерно 1 фемтометр, что равно 10^{-15} метра. Фемто – это 10^{-15} . Ангстрем используется очень часто, поэтому мы с вами все равно так или иначе с ним будем встречаться, потому что это очень удобная единица. Она внесистемная, но желательно все-таки ее представлять, чему она равна. Итак, если мы 10^{-10} поделим на 10^{-15} , у нас получается 10^{5} соотношение, метры сокращаются. Получается, что размер ядра соотносится с размером атома как 1 к 100 тысячам! Очень удобное представление соотношения этих чисел: если мы возьмем ядро размером с мячик теннисный, примерно 10 сантиметров, то тогда размер атома будет с футбольное поле! Представьте себе, на футбольном поле попробуйте найти в траве этот теннисный мячик, и понятно, что это просто очень большое соотношение. То есть мы можем представлять ядро в атоме как материальную точку. Это очень важный момент. Это соотношение было еще приблизительное соотношение. Это было еще установлено Резерфордом в его знаменитом опыте золотой фольгой. Оказалось, что если через золотую фольгу пропускать электроны, то, соответственно, очень многие лучи проходят мимо, то есть сквозь, слегка отражаясь. Соответственно, это доказывает то, что основное пространство все-таки занимают электроны. И второй момент, который тоже очень важен для понимания, это соотношение масс: массы ядра и массы одного электрона. Это очень маленькие величины, поэтому удобнее не в граммах, не в килограммах их выражать, а в так называемых атомных единицах массы. Одна атомная единица массы, я здесь запишу, одна атомная единица массы, это 1/12 от массы изотопа углерода ^{12}С . Я позже расскажу, что означает запись ^{12}С . И соответственно это очень маленькая величина. То есть если мы возьмем 1 моль, например, атомов углерода, то это будет весить 12 грамм. Мы возьмем одну двенадцатую часть, то есть это 1 грамм, и мы должны поделить на число Авогадро, мы, соответственно, получим эту атомную единицу массы. То есть это получается, соответственно, 1 поделить на 6{,}02 \cdot 10^{23}.

Итак, если мы посчитаем, то это будет приблизительно 1{,}66 \cdot 10^{-24} грамма. Это очень маленькая величина, соответственно, этим пользоваться неудобно. Поэтому приняли за атомную единицу массы вот такое число. И в этих атомных единицах массы нам удобно взвешивать или сравнивать массы ядер, сравнивать массы изотопов, веществ и так далее. Если мы в атомных единицах массы будем выражать, то масса ядра будет равна числу нуклонов. То есть массовое число, это в относительных единицах, которое равно число нейтронов плюс число протонов. Если мы возьмем самое легкое ядро, самый легкий атом, атом водорода, то массовое число будет равно единице. Теперь масса электрона. Масса одного электрона – это примерно одна тысяча восьмисотая часть от атомной единицы масс. Это означает, что если мы поделим массу ядра на массу одного электрона, то это будет примерно 1800 . Две важные составляющие – это соотношение размеров и соотношение масс. Соответственно из соотношения массы получается, что масса ядра, она намного, в 1800 раз, а то и больше, тяжелее, чем все электроны. Отсюда можно сделать следующий вывод, что атом представляет собой ядро, в центре находится ядро, которое имеет практически всю массу атома, но при этом занимает очень маленький объем в пространстве. И, соответственно, электроны, которые занимают почти весь объем атома, но при этом очень мало весят.

Итак, рассмотрим теперь отдельно строение ядра. Как я уже сказал, мы характеризуем массу ядра массовым числом \textbf{A} . \textbf{A} – это массовое число. Поскольку один протон и один нейтрон примерно имеют одинаковую массу, и масса одного протона и масса одного нейтрона — это примерно одна атомная единица массы. Масса протона примерно равна массе нейтрона и примерно равна 1 атомной единице массы. Поэтому нам очень удобно в ядре просто считать количество нуклонов (общее название протона и нейтрона – нуклон) и отсюда формула, что массовое число это число нейтронов в ядре плюс число протонов или заряд ядра, потому что протон имеет заряд плюс 1 , если мы заряд измеряем в единицах заряда электрона, и, соответственно, нейтрон имеет нулевой заряд, поэтому заряд ядра определяется количеством протонов и не зависит от количества нейтронов. Если мы с вами имеем одинаковое количество протонов в двух ядрах, в разных каких-то ядрах, то мы говорим, что это один и тот же элемент. Например, у нас есть углерод с массовым числом 12 , есть углерод с массовым числом 13 , есть углерод с массовым числом 14 . Что это означает? То, что это углерод, это означает, что у всех у них число протонов, то есть заряд ядра равен 6 . Это порядковый номер в таблице Менделеева. А вот число нейтронов будет разное. Поскольку у ^{12}С массовое число равно 12 , то у ^{12}С число нейтронов будет равно 6 . Число нейтронов у изотопа ^{13}С будет равно 7 , и число нейтронов равно восьми у 14 -го углерода. Все эти ядра связаны общим названием – изотопы, поскольку имеют одинаковый заряд ядра. Все соединения, которые содержат атомы с разным массовым числом, но с одинаковым числом протонов, будут иметь одинаковые химические свойства. Еще один вариант разных ядер с одинаковым массовым числом, но разным распределением нуклонов. Мы называем их изобары. Например, азот- 14 и углерод- 14 будут считаться изобарами, потому что общее число нуклонов у них по 14 , но у азота 7 протонов плюс 7 нейтронов, а у углерода 6 протонов и 8 нейтронов.

Итак, про строение ядра мы с вами поговорили. В одной из следующих лекций, занятий мы с вами поговорим про ядерные реакции. А теперь мы с вами перейдем к электронному строению атома.

Далее мы рассмотрим электронное строение атома. Как я уже говорил, строение атома с точки зрения распределения в нем электронов — это очень важная составляющая, потому что мы с вами можем отвечать на вопросы, какие электроны участвуют в образовании связи, какие электроны могут покидать атом, какие могут присоединяться и так далее.

Строение атома с точки зрения распределения электронов не совсем просто для понимания, поскольку основывается на том факте, что элементарные частицы, а именно в данном случае электрон, проявляют так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

Это означает, что в различных ситуациях электрон может проявлять свойства корпускулы, то есть частицы, например, поток электронов, либо может проявлять свойства волны. Оказывается, что рассмотрение электрона в атоме удобно как раз представлять с точки зрения проявления свойств волны.

То есть все, что мы с вами дальше будем говорить, это так называемое квантовое строение атома. И все это рассмотрение ведется с точки зрения волновой теории. Но я не буду сильно углубляться в это. Исходя из этого принципа дуализма, мы часто все равно говорим, что электрон может находиться где-то как частица, но помните, что у него есть два свойства в одном.

Волновая теория достаточно непроста, но что очень важно понимать. Для того, чтобы описать поведение электрона или электронов в атоме, мы должны усвоить некоторые очень важные вещи.

Первое – это то, что электроны распределены по энергии на уровнях. Самый первый уровень нахождения электронов, самый близкий к ядру. Понятно, что будет самое большое взаимодействие между ядром и электроном, потому что электрон имеет заряд минус один, а протон имеет заряд плюс один. Соответственно, это просто электростатическое взаимодействие. Казалось бы, просто, но на самом деле не все так просто. Мы говорим о том, что электроны находятся на энергетических уровнях.

Второй уровень будет следующий, подальше от ядра, третий еще дальше. Но, оказывается, и внутри уровней тоже есть распределение. Так вот, из всей волновой теории были сформулированы следующие моменты, следующие правила распределения электронов. Это, скажем так, волновые числа, которые характеризуют орбитали.

Орбиталями мы называем некоторую функцию, которая описывает как раз поведение того или иного электрона. Слово «орбиталь» не просто так названо, это не орбита, когда мы говорим про вращение какой-то частицы, а именно орбиталь, потому что мы здесь говорим про волновые свойства электронов.

Каждая орбиталь будет характеризоваться набором трех квантовых чисел. Вот сейчас мы про них поговорим. Всего четыре квантовых числа, которые характеризуют данный электрон в атоме. Первые три характеризуют орбиталь, и четвертый характеризует сам электрон на этой орбитали.

Итак, квантовые числа. Первое – это главное квантовое число. Квантовое число. Оно обозначается буковкой n и принимает значение от единицы до плюс бесконечности: 1, 2, 3 и так далее.

Здесь про бесконечность можно сказать следующее, что если электрон находится на уровне с n равном плюс бесконечность, то фактически он не связан с ядром. Поэтому конечно в атомах у нас все-таки какое-то конечное число, но мы часто рассматриваем 7 – 8 уровней в самых тяжелых атомах.

Главное квантовое число определяет энергию электрона в атоме. При этом энергия взаимодействия электрона с ядром падает при возрастании квантового числа, и приблизительно энергия зависит, как единица на n в квадрате.

Это означает, что разница по энергии между первым и вторым уровнем будет больше, самая наибольшая, между вторым и третьим будет поменьше, и так далее. То есть мы можем с вами нарисовать диаграмму, где по оси \textbf{y} энергия уровня, и соответственно, если у нас здесь n равно 1 , то выше будет n равное 2 , далее будет n равное 3 , n равное 4 , и так далее. То есть \Delta Е между соседними уровнями уменьшается с ростом главного квантового числа.

Второе квантовое число – это орбитальное или побочное квантовое число, обозначаем мы буквой \textbf{l} и оно может принимать значение от 0 до n-1 ( 0, 1, 2, 3 и так далее). Это означает, что количество возможных значений орбитального квантового числа зависит от номера уровня. То есть на уровне с n равном 1 только одно значение l равное 0 . На уровне с n равным 2 , будет два значения l : 0 и 1 .

Количество возможных вариантов орбитального квантового числа будет равно главному квантовому числу. В свое время предложили обозначать буквами. Если l равно 0 , то это s-орбиталь, l равно 1 – p-орбиталь, l равно 2 – d-орбиталь, l равная 3 – f-орбиталь, и так далее.

Дальше при рассмотрении электронного строения атомов буквенные обозначения орбиталей идут по алфавиту. Эти буквенные обозначения связаны с первичным названиями линий в спектре испускания атома водорода. Обозначение s соответствует четкой линии «sharp», p – «principle», d – «diffuse» и f – «fundamental». То есть это название линий в спектре. Мы с вами будем использовать эти буквы для написания электронных конфигураций.

В чем физический смысл орбитального квантового числа? Он заключается в распределении электронной плотности. Мы говорим с вами об электронной плотности, а не движении электрона вокруг ядра. Распределение электронной плотности в пространстве определяет форму орбитали.

Различные формы орбиталей вы можете наблюдать на рисунке. Для s-орбитали форма является сферически симметричной. Для p-орбитали она гантелеобразная. Для d- и f-орбиталей форма является более сложной. Формы s- и р-орбиталей нам понадобятся, когда мы будем рассматривать химическую связь. Иногда будем привлекать d-орбитали, а f-орбитали уже практически не используется для обсуждения химических связей. Итак, l - это форма орбитали.

Следующее квантовое число – магнитное. Обозначается m_{l} , может принимать как положительные, так и отрицательные значения, в диапазоне от -l до +l . Количество значений магнитного квантового числа зависит от значения l . Если l = 0 , то только одно значение m_{l} = 0 . Если l = 1 , тогда m_{l} = -1, 0, +1 . Если l = 2 , то m_{l} = -2, -1, 0, +1, +2 , и так далее. Всего значений магнитного квантового числа на данном подуровне равно 2l + 1 . Если l = 3 , то m_{l} приобретает 7 возможных значений, и, соответственно, какое количество орбиталей на этом подуровне. Таким образом, уровень характеризуется главным квантовым числом, подуровень - орбитальным квантовым числом, а количество орбиталей на подуровне — это количество значений магнитного квантового числа. То есть s-орбиталь всегда одна, p-орбиталей всегда три, d-орбиталей пять, f-орбиталей семь и так далее. В чем заключается физический смысл магнитного квантового числа? Он заключается в направлении орбиталей в пространстве.

На рисунке вы можете видеть, как направлены p-орбитали. Они направлены вдоль осей координат x, y, z , они собственно так и называются орбиталь p_{x} , орбиталь p_{y} , орбиталь p_{z} .

Итак, мы с вами рассмотрели три квантовых числа, которые характеризуют орбиталь. Если мы знаем эти три числа, то мы уже четко понимаем какой уровень, какая орбиталь, и как она направлена в пространстве. Четвертое квантовое число называется спиновое квантовое число. Обозначается m_{s} и принимает всего два значения либо +1/2 , либо -1/2 . Электрон является частицей, которая имеет полуцелый спин, то есть \frac{1}{2} . Когда электрон попадает на какую-то орбиталь, у него возникает возможность либо направить свой спин вдоль произвольной оси, либо против. Отсюда получается, что проекция спина на произвольную ось либо положительна, либо отрицательна. Таким образом, если мы знаем с вами все четыре квантовых числа, то мы четко понимаем, на каком уровне находится электрон, на какой орбитали, как она направлена и, соответственно, в дополнение еще мы знаем проекцию спина электрона.