Реферат: Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества

У каждого химического элемента существует, в большинстве случаев, постоянное процентное содержание различных изотопов. Химически чистые элементы представляют собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга относительными атомными массами. Поэтому каждый химический элемент имеет относительную массу, представляющую собой среднее значение относительных атомных масс всех его изотопов. Относительные атомные массы химических элементов в ряде случаев заметно отличаются от целых чисел.

4.Ядро имеет спин - собственный (внутренний) момент количества движения (момент импульса). Он складывается из спинов отдельных нуклонов. Спин каждого нуклона равен /2. Спин ядра, состоящего из четного числа нуклонов, является целым числом (в единицах h̅) или нулем. Спин ядра, состоящего из нечетного числа нуклонов, является полуцелым (в единицах h̅).

5. Атомное ядро не имеет резко выраженных границ. Это связано с тем, что нуклоны обладают волновыми свойствами. Поэтому размер ядра имеет условный смысл. Объем ядра пропорционален числу нуклонов А в ядре. Если считать ядро сферой радиуса то R вычисляется по эмпирической формуле

R = R₀ A^1/3 где R₀ = (1,3 1,7). 10^-15 м.

6. Средняя плотность р ядерного вещества определяется формулой

P₀ =

Здесь М_я — масса ядра. Если т_п — масса нуклона, то М_я = т_н А. Средняя плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа А нуклонов в ядре; р = 1.3 • 10¹⁷ кг/м³ . Колоссальная средняя плотность р не идет ни в какое сравнение с обычными плотностями веществ, состоящих из атомов химических элементов и их соединений. [2,ст.477 - 479]

4. Изотопы

Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами. Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N).

Изотопы различных элементов не имеют собственных названий, а повторяют название элемента; при этом атомная масса данного изотопа – его единственное отличие от других изотопов этого же элемента – отражается с помощью верхнего индекса в химической формуле элемента: например, для изотопов урана – ²³⁵ U, ²³⁸ U. Единственным исключением из правил номенклатуры изотопов является элемент № 1 – водород. Все три известных на настоящий момент изотопа водорода имеют не только собственные специальные химические символы, но и собственное название: ¹ Н – протий, ² D – дейтерий, ³ Т – тритий; при этом ядро протия – это просто один протон, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития – один протон и два нейтрона. С названиями изотопов водорода так исторически сложилось потому, что относительное различие масс изотопов водорода, вызванное добавлением одного нейтрона, является максимальным среди всех химических элементов.

Все изотопы можно подразделить на стабильные (устойчивые), то есть не подверженные самопроизвольному распаду ядер атомов на части (распад в таком случае называется радиоактивным), и нестабильные (неустойчивые) – радиоактивные, то есть подверженные радиоактивному распаду. Большинство широко распространенных в природе элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов: например, ¹⁶ О, ¹² С. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов), а, например, алюминий существует в природе в виде только одного стабильного изотопа – остальные его известные изотопы неустойчивы. Ядра нестабильных изотопов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом α-частицы и β-частицы (электроны) до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп другого элемента: например, распад ²³⁸ U (радиоактивного урана) завершается образованием ²⁰⁶ Pb (стабильного изотопа свинца). При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как нам известно, определяются зарядом их ядер и не зависят от массы ядер. [3,ст.98-99]

5. Электронные оболочки

Электронная оболочка атома - область пространства вероятного местонахождения электронов, характеризующихся одинаковым значением главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Каждая электронная оболочка может иметь определенное максимальное число электронов.

Начиная со значения главного квантового числа n = 1, энергетические уровни (слои) обозначаются К, L, М и N. Они подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает четырех: 1-й уровень имеет один подуровень, 2-й - два, 3-й - три, 4-й - четыре подуровня. Подуровни, в свою очередь, состоят из орбиталей. Принято подуровни обозначать латинскими буквами, s - первый, ближайший к ядру подуровень каждого энергетического уровня; он состоит из одной s-орбитали, р - второй подуровень, состоит из трех р-орбиталей; d - третий подуровень, он состоит из пяти d-орбиталей; f - четвертый подуровень, содержит семь f-орбиталей. Таким образом, для каждого значения n имеется n² орбиталей. В каждой орбитали может находиться не более двух электронов - принцип Паули. Если в орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два - то это спаренные электроны. Принцип Паули поясняет формулу N=2n² . Если на первом уровне K(n=1) содержится 1² = 1 орбиталь, а в каждой орбитали по 2 электрона, то максимальное число электронов составит 2*1² =2; L (n = 2) =8; M (n = 3) =18; N (n = 4) =32. [4,ст.54-55]

6. Квантовые числа

Теория Бора приписывала четырем электронным оболочкам К, L, М и N квантовое число п, равное соответственно 1, 2, 3 и 4. Эти числа соответствуют повышающимся энергетическим уровням оболочек.

Таким образом, энергетический уровень электрона в атоме определяется следующими четырьмя характеристиками: оболочкой, подоболочкой, орбиталью и спином. Каждой из этих характеристик сопоставляется определенное квантовое число.

Главное квантовое число (n). Это квантовое число характеризует оболочку, в которой находится электрон. Оно может принимать значения

Оболочка KLMN

n1 2 3 4

Чем больше значение n, тем выше энергетический уровень оболочки.

Вспомогательное (орбитальное) квантовое число (I). Это квантовое число характеризует подоболочку, на которой находится электрон. Оно может принимать значения I = 0,1,…,(n-1)

где n - главное квантовое число. В подоболочке с орбитальным квантовым числом I содержится 2I+ 1 орбиталей. Например,

Подоболочка spd

I0 1 2

Число орбиталей 1 3 5

Магнитное квантовое число (m). Все орбитали одной подоболочки в обычных условиях имеют вырожденные (одинаковые) значения энергии. Однако под влиянием внешнего магнитного поля орбитальные энергии становятся дискретными, или квантовыми. Магнитное квантовое число этих дискретных энергетических уровней может принимать целочисленные значения в следующих пределах: - Im+I

Например, для р-подоболочки m = -1, 0, +1.

Спиновое квантовое число (s) (от англ. tospin – кружить, вращать.) характеризует вращение электрона вокруг своей оси. Спиновое квантовое число электрона может принимать только одно из двух значений: + либо - . Следует отметить, что каждый электрон имеет свой индивидуальный набор квантовых чисел, которым он отличается от всех других электронов данного атома. [5,ст.37-38]

7. Периодический закон Менделеева в свете квантовой теории

В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в оболочках атомов.

Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д. И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

У атома водорода Z = 1 на оболочке 1 электрон. Этот электрон находится на первой оболочке (K-оболочка) и имеет состояние 1S, то есть у него n =1,а l = 0(S-состояние), m = 0, m_s = ±l/2 (ориентация его спина произвольна).