А́том (від — «неподільний», найменша частинка або буквально «тіло, яке не можна розсікти навпіл»Садовий М. І. Історія фізики з перших етапів становлення до початку ХХІ століття: навчальний посібник]. М. І. Садовий, О. М. Трифонова — Кіровоград: ПП «Ексклюзив-Систем», 2012. — 415 с. ISBN ) — з хімічної точки зору найменша електронейтральна, хімічно неподільна частинка речовини.
Фізична модель атома, загалом, докладніше розкриває подробиці його будови. Відповідно до неї, атом складається зі щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів. Ядро оточене набагато більшою за розміром оболонкою з негативно заряджених електронів. Кількість протонів дорівнює кількості електронів, і тому атом є електрично нейтральним. В іншому випадку (при втраті чи набутті одного або кількох електронів) атом перетворюється на іон, що має певний позитивний чи негативний електричний заряд (у разі нестачі електронів такий іон називається катіоном, а у разі надлишку — аніоном).
Склад ядра атома визначає його тип і належність до певного ізотопу: заряд ядра Z залежить від кількості протонів, а масове число A — від загальної кількості нейтронів і протонів. Таким чином, атом — динамічна та складна система субатомних частинок, урівноважених електростатичною взаємодією та ядерними силами.
Загальна характеристика будови атома
Сучасні уявлення про будову атома загалом базуються на уявленнях квантової механіки. У спрощеному викладі будову атома можна викласти у рамках так званої планетарної моделі, запропонованої Ернестом Резерфордом у 1911 році як результат його експериментів з розсіяння альфа-частинок атомами золота, та моделі Бора.
Згідно з моделлю Резерфорда, атом складається з масивного важкого ядра й електронів, що обертаються навколо ядра. Така модель нагадує своєю будовою Сонячну систему, що й слугувало при виборі назви моделі. Однак нині модель атома Резерфорда має лише історичну цінність. Проблема цієї моделі полягає у її нестабільності. Відповідно до теорії Максвела, заряджена частинка, що рухається з прискоренням, повинна випромінювати. Відповідно, електрон, обертаючись навколо ядра, рухається із доцентровим прискоренням, а отже має випромінювати і, гублячи кінетичну енергію, падати на ядро. Такий атом повинен існувати протягом неймовірно малих проміжків часу (близько 10 мільярдних долі секунди).
Планетарну модель змінила модель Бора, ставши етапом у розвитку квантової механіки. За цією моделлю: Атоми складаються з елементарних частинок (протонів, електронів та нейтронів). Маса атома переважно зосереджена в ядрі, тому більша частина об'єму відносно порожня. Ядро оточене електронами. Кількість електронів дорівнює кількості протонів у ядрі, кількість протонів визначає порядковий номер елемента в періодичній системі. У нейтральному атомі сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному зарядові протонів. Атоми одного елемента з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами. У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів та нейтронів. Ядро атома приблизно в 100 000 разів менше, ніж сам атом. Таким чином, якщо збільшити атом до розмірів аеропорту Бориспіль, розмір ядра буде меншим від розміру кульки для настільного тенісу. Ядро оточене електронною хмаркою, яка посідає більшу частину його об'єму. В електронній хмарі можна виділити оболонки, для кожних з яких існує кілька можливих орбіталей. Заповнені орбіталі складають електронну конфігурацію, властиву кожному хімічному елементу. Кожна орбіталь може містити до двох електронів, що характеризуються трьома квантовими числами: головним, орбітальним і магнітним. Кожен електрон на орбіталі має унікальне значення четвертого квантового числа: спіну. Орбіталі визначаються специфічним розподілом ймовірності того, де саме можна знайти електрон. Приклади орбіталей та їхні позначення наведені на малюнку праворуч. «Межею» орбіталі вважається відстань, на якій імовірність того, що електрон може перебувати поза нею, є меншою 90 %. Кожна оболонка може містити не більше від суворо визначеного числа електронів. Наприклад, найближча до ядра оболонка може мати найбільше два електрони, наступна — 8, третя від ядра — 18. Коли електрони приєднуються до атома, вони посідають орбіталь із найнижчою енергією. Лише електрони зовнішньої оболонки можуть брати участь в утворенні міжатомних зв'язків. Атоми можуть віддавати та приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами. Хімічні властивості елемента визначаються тим, з якою легкістю ядро може віддавати або здобувати електрони. Це залежить як від числа електронів, так і від ступеня заповненості зовнішньої оболонки.
Електронні оболонки та орбіталі
Складні атоми мають десятки, а для дуже важких елементів навіть сотні електронів. Згідно з принципом нерозрізнюваності частинок, електронні стани атомів утворюються всіма електронами й неможливо визначити, де перебуває кожен із них. Однак у так званому одноелектронному наближенні можна говорити про певні енергетичні стани окремих електронів.
Згідно з цими уявленнями існує певний набір орбіталей, які заповнюються електронами атома. Ці орбіталі утворюють певну електронну конфігурацію. На кожній орбіталі може знаходитися не більш як два електрони (принцип виключення Паулі). Орбіталі групуються в оболонки, кожна з яких може мати лише певну фіксовану кількість орбіталей (1, 4, 10 тощо). Орбіталі поділяють на внутрішні й зовнішні. В основному стані атома внутрішні оболонки повністю заповнені електронами.
На внутрішніх орбіталях електрони дуже зв'язані з ядром. Щоб вирвати електрон з внутрішньої орбіталі, потрібно надати йому велику енергію, до кількох тисяч електронвольт. Таку енергію електрон на внутрішній оболонці може отримати, лише поглинувши квант рентгенівського випромінювання. Енергії внутрішніх оболонок атомів індивідуальні для кожного хімічного елемента, отже, за спектром рентгенівського поглинання можна ідентифікувати атом. Цю індивідуальність використовують в деяких методах рентгенівської спектроскопії, зокрема в рентгенофлуоресцентному аналізі, рентгенівській спектроскопії поглинання, рентгенівській фотоелектронній спектроскопії та оже-спектроскопії.
На зовнішній оболонці електрони розміщені на більшій відстані від ядра і слабше зв'язані з ним. Саме ці електрони беруть участь у формуванні хімічних зв'язків, через це зовнішню оболонку називають валентною, а електрони зовнішньої оболонки — валентними електронами.
Властивості
Ядерні властивості
Основну масу атома зосереджено у ядрі, яке складається з нуклонів — протонів і нейтронів — зв'язаних між собою силами ядерної взаємодії.
Кількість протонів у ядрі атома визначає його атомний номер і те, якому елементові належить атом. Наприклад, атоми вуглецю містять шість протонів. Всі атоми із певним атомним номером мають однакові фізичні характеристики й проявляють однакові хімічні властивості. В періодичній таблиці елементи перелічені в порядку зростання їхнього атомного номера.
Загальна кількість протонів та нейтронів в атомі елемента називається масовим числом і визначає його атомну масу, оскільки протон та нейтрон мають масу приблизно рівну 1 а. о. м. Нейтрони в ядрі не впливають на те, якому елементові належить атом, але хімічний елемент може мати атоми з однаковою кількістю протонів і різною кількістю нейтронів. Такі атоми мають однаковий атомний номер, але різну масу, й називаються ізотопами елементу. Наприклад, атоми водню завжди містять один протон, але існують ізотопи без нейтронів (водень-1, який іноді називають протієм — найпоширеніша форма), з одним нейтроном (дейтерій) і двома нейтронами (тритій) . Відомі елементи складають безперервний натуральний ряд за числом протонів у ядрі, починаючи з атома водню з одним протоном і закінчуючи атомом Оганесона, в ядрі якого 118 протонів.
Коли пишуть назву ізотопу, після неї пишуть масове число. Наприклад, ізотоп вуглець-14 містить 6 протонів та 8 нейтронів, що в сумі становить масове число 14. Інший поширений метод нотації полягає в тому, що атомна маса позначається верхнім індексом перед символом елементу. Наприклад, вуглець-14 позначається, як 14C.
Атомна маса елементу, наведена в періодичній таблиці, є усередненим значенням маси ізотопів, що зустрічаються у природі. Усереднення проводиться відповідно до поширеності ізотопу в природі.
Зі збільшенням атомного номера зростає додатний заряд ядра, а, отже, й кулонівське відштовхування між протонами. Щоб утримати протони вкупі, необхідно дедалі більше нейтронів. Проте велика кількість нейтронів нестабільна, і ця обставина накладає обмеження на можливий заряд ядра і кількість хімічних елементів, що існують в природі. Усі ізотопи елементів періодичної системи, починаючи з номера 83 (Бісмут), радіоактивніSills (2003). Хімічні елементи з великими атомними номерами мають дуже малий час життя та можуть бути створені лише при бомбардуванні ядер легших елементів іонами й спостерігаються лише під час дослідів з використанням прискорювачів. Станом на липень 2017 року найважчим синтезованим хімічним елементом був ОганесонOganessian, Yu. Ts.; et al. (2006). «Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm+48Ca fusion reactions». Physical Review C 74: 044602. doi:10.1103/PhysRevC.74.044602.
Чимало ізотопів хімічних елементів нестабільні й розпадаються з часом. Це явище використовується радіоелементним аналізом для визначення віку об'єктів, що має велике значення для археології та палеонтології.
Маса
Оскільки найбільший внесок в масу атома вносять протони і нейтрони, повне число цих частинок у нукліді називають масовим числом. Значення масового числа близьке до атомної маси нукліда. Масу спокою нукліда часто наводять в атомних одиницях маси (а. о. м.) або Дальтонах (Да). Ця одиниця визначається як 1/12 частина маси спокою нейтрального атома вуглецю-12, яка приблизно дорівнює 1,66×10−24 г. Водень-1, або протій, найлегший ізотоп водню й атом з найменшою масою, має масу близько 1,007825 а. о. м.. Маса атома приблизно дорівнює добутку масового числа на атомну одиницю маси. Найважчий стабільний ізотоп — свинець-208 з масою 207,9766521 а. о. м. . Через те, що маси навіть найважчих атомів у звичайних одиницях (наприклад, в грамах) дуже малі, в хімії для вимірювання кількості речовини використовують молі. В одному молі будь-якої речовини міститься одне й те саме число атомів (приблизно 6,022×1023). Це число (число Авогадро) вибране таким чином, що якщо маса елемента дорівнює 1 а. о. м., то моль атомів цього елемента буде мати масу 1 г. Наприклад, атом вуглецю-12 має масу 12 а. о. м., тому 1 моль вуглецю має масу 12 гMills і ін (1993)..
Форма і розміри Розмір атома є величиною, що важко піддається вимірюванню, адже центральне ядро оточує розмита електронна хмарка. Для атомів, що утворюють тверді кристали, відстань між суміжними вузлами кристалічної ґратки може слугувати наближеним значенням їхнього розміру. Для атомів, що кристалів не формують, використовують інші техніки оцінки разом з теоретичними розрахунками. Наприклад, розмір атома водню оцінюють як 1,2×10−10 м. Це значення можна порівняти з розміром протона (що є ядром атома водню), 0,87×10−15 м, і переконатися в тому, що ядро атома водню в 100 000 разів менше за сам атом. Атоми інших елементів зберігають приблизно те саме співвідношення. Причиною цього є те, що елементи з більшим позитивно зарядженим ядром притягують електрони дужче.
Ще однією характеристикою розмірів атома є радіус Ван дер Ваальса — віддаль, на яку до одного атома може наблизитися інший атом. Міжатомні віддалі в молекулах характеризуються довжиною хімічних зв'язків або ковалентним радіусом.
Енергетичні рівні