Начала физики. 39. Устройство атомов.

moralg — 23.12.2020 До того, как мы узнали, что электроны являются фермионами со спином 1/2 в единицах постоянной Планка-Дирака, мы не смогли бы понять способ, каким Всевышний создал разные атомы. Но теперь, познав запрет (принцип) Паули мы можем  это сделать. И заодно уразуметь как и почему именно так сконструированы все атомы. Приступим...


      1. Атом водорода.
      Атом водорода устроен проще пареной репы. В нем один протон и один электрон. В школе нас учили, что электрон крутится вокруг протона. Ничего подобного. Электрон в основном состоянии атома водорода играет роль сферически симметричной невращающейся шубы, экранирующей своим электрическим зарядом равный по величине заряд протона.
      Если попытаться опытным путем нащупать, где именно находится электрон в атоме водорода, то мы получим вероятностную картину, которая показывает, что с наибольшей вероятностью мы обнаружим электрон в окрестности расстояния а0 = 0,53 ангстрема (0,053 нм) от протона:
,
Рис. 1. Распределение плотности электронной шубы в атоме водорода.

       Шуба эта сидит на протоне достаточно прочно. Чтобы ее снять, то есть ионизировать атом водорода, надо затратить 13,6 эВ (электронвольт - единица измерения энергии в атомной физике). Если делать это квантами света, то нужны фотоны с длиной волны вчетверо меньшей длины волны видимого нашими глазами фиолетового цвета (не слишком жесткий ультрафиолет). И, следовательно, вчетверо энергичнее фиолетового фотона.

      Почему водород одновалентен? У него только один электрон и только его он может командировать на наведение связи с другим атомом. Но у него есть еще одно место на его основном энергетическом уровне (1s - уровень), которое принцип запрета Паули оставил свободным. Поэтому водород может  пригласить в свою шубу один электрон из другого атома. Оба варианта делают водород одновалентным.

      На этот основной энергетический уровень второй (приглашенный) электрон имеет право сесть только с ориентацией спина, противоположным хозяйскому. То есть, если хозяйский электрон имеет проекцию спина на некую ось (+1/2), то приглашенный обязан занять позицию с проектом спина на ту же ось (-1/2). Это вытекает из обязанности выполнять запрет Паули.

      У атома водорода есть и возбужденные состояния, в которых электронная шуба протона может раздуваться и при этом еще и деформироваться.

      2. Атом гелия. В ядре атома гелия - два протона и два нейтрона (нейтрон - это практически протон без электрического заряда). Ясно, что такое ядро своим электрическим зарядом вдвое сильнее притягивает электроны, чем один протон. И потому оба электрона атома гелия находятся заметно ближе к ядру, чем электрон в атоме водорода. Из приведенного ниже графика следует, что атом гелия, как размер шубы ядра гелия, почти вдвое меньше атома водорода.

      Этот факт является практически универсальным. С ростом атомного номера (электрического заряда ядра) элемента таблицы Менделеева размер ближайшей к ядру электронной оболочки (самой внутренней электронной шубы) убывает обратно пропорционально величине заряда ядра:

                                                 а0 (Z) ~ а0 (атома водорода) / Z ~ 0,053 нм / Z.



      Рис.2. Размеры атомов (по горизонтали - атомный номер, равный числу протонов в ядре атома, по вертикали - радиус атома в нанометрах, равных десятимиллионным долям сантиметра).

      В атоме гелия оба электрона сидят на одном энергетическом уровне 1s. И образуют единую сферически симметричную электронную шубу для атомного ядра. Но эта шуба по сравнению с шубой в атоме водорода обладает двумя особенностями. Во-первых, эта шуба двусторонняя - пошита и мехом вверх и мехом вниз. В том смысле, что принцип запрета Паули позволяет обоим электронам сидеть на одном энергетическом уровне только в таких позициях, в коих их спины (и магнитные моменты) противонаправлены - у одного вверх, у другого вниз. Неважно, что понимать под верхом, лишь бы низ был в противоположном направлении.

      Во-вторых, из-за более сильного притяжения к ядру гелия его электронную шубу труднее с него снять. Из графика на рис. 3. видно, что энергия, необходимая для отрыва только одного электрона от атома гелия, почти вдвое больше, чем энергия отрыва электрона от атома водорода. Конкретно - 24,6 электронвольт. Поэтому для ионизации атома гелия нужен почти вдвое более жесткий, чем для ионизации водорода, ультрафиолетовый фотон. И по этой же причине гелий практически ни с какими атомами не вступает в химические реакции - слишком энергетически затратно направить хотя бы один электрон атома гелия на организацию химической связи с любым другим атомом. Из-за чего мы вынуждены считать гелий химически нейтральным.


      Рис. 3. Энергия, необходимая для отрыва одного электрона от атома (по горизонтали - число протонов в ядре атома, по вертикали - энергия однократной ионизации в электронвольтах).

      3. Атомы лития и бериллия. У атомов лития и бериллия по 3 и 4 протона в ядре соответственно. Внутренняя шуба из двух электронов еще более компактна, чем у гелия. И ее электроны ни в каких химических реакциях никогда не участвуют. Но появляется внешняя электронная шуба из одного (у лития) и двух (у бериллия) электронов, сидящих на гораздо более высоком энергетическом уровне. Который будем называть вторым (2s - уровень). Внешняя шуба, как и внутренняя, сферически симметрична. Из-за более слабой связи электронов внешней шубы с ядром размеры этих атомов больше, чем у атома водорода (рис.2), а энергия связи - существенно меньше (рис.3). Поэтому литий и бериллий имеют валентности 1 и 2 соответственно.

      4. Атомы от бора до неона. У всех этих атомов энергетические уровни 1s и 2s полностью заняты - архангел Паули запретил на них садиться другим электронам. Но есть довольно близкий к уровню 2s по энергетике уровень 2р. И на него можно сажать электроны, которые будут вращаться вокруг ядра атома, создавая третью шубейку. Совсем не сферически симметричную. На этот уровень можно посадить до 6 электронов (больше Паули не позволит). На уровне 2р бор имеет один электрон, который обычно отдает другому атому, вступая с ним в связь. И потому бор одновалентен.

      У углерода на энергетическом уровне 2р два электрона, но он взял в привычку не отдавать их другим атомам, а приглашать электроны других атомов на 4 еще свободных места на энергетическом уровне 2р. Становясь, тем самым, 4-валентным. И такое гостеприимство было вознаграждено Творцом -  углерод стал базовым элементом любых проялений мыслимой нами Жизни.

      У атома азота в 2р оболочке три электрона и три свободных места. Поэтому он трехвалентен. У кислорода в 2р оболочке 4 электрона и 2 свободных места. Но больший, чем у предыдущих атомов заряд ядра заставляет килород не отдавать свои электроны, а насильно приглашать электроны других атомов на два свободных места. Поэтому кислород двухвалентен. Фтор по тем же причинам одновалентен. А неон, прочно удерживая протонами ядра полностью заполненную 2р оболочку, оказался подобно гелию нейтральным.

      Элементы других строк таблицы Менделеева обсуждать здесь не буду. Большинству из вас будет достаточно уже написанного, а кому недостаточно - сам разберется.

      Но в заключение хочу отметить два важных момента. Самые большие по размеру атомы - не более чем в 5 раз больше атома водорода, самые маленькие - не более чем в два раза меньше атома водорода. И у всех энергетика взаимодействия друг с другом лежит полностью в ультрафиолетовом диапазоне. Оберегая наши глаза, не восприимчивые к фотонам этого диапазона, от проявлений ослепляющей жизни творений Всевышнего.

      Какую изобретательность проявил Он, создав столь многообразный набор кирпичиков мироздания, не слишком сильно различающихся по размерам и энергетике взаимодействия друг с другом!

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив