Bir kimyasal elementin atomik yapısı nasıl belirlenir? Atomik yapı

Elektronlar

Atom kavramı antik dünyada maddenin parçacıklarını belirtmek için ortaya çıktı. Yunancadan tercüme edilen atom, "bölünemez" anlamına gelir.

İrlandalı fizikçi Stoney, deneylere dayanarak elektriğin tüm kimyasal elementlerin atomlarında bulunan en küçük parçacıklar tarafından taşındığı sonucuna vardı. 1891'de Stoney bu parçacıklara Yunanca "amber" anlamına gelen elektron adını vermeyi önerdi. Elektron adını aldıktan birkaç yıl sonra İngiliz fizikçi Joseph Thomson ve Fransız fizikçi Jean Perrin, elektronların negatif yük taşıdığını kanıtladılar. Bu, kimyada bir (-1) olarak alınan en küçük negatif yüktür. Thomson, elektronun hızını bile belirlemeyi başardı (elektronun yörüngedeki hızı, yörünge sayısı n ile ters orantılıdır. Yörüngelerin yarıçapları, yörünge sayısının karesi ile orantılı olarak artar. Birinci yörüngede, hidrojen atomunun (n=1; Z=1) hızı ≈ 2,2·106 m/s'dir, yani ışık hızından (c = 3·108 m/s) yaklaşık yüz kat daha azdır) ve elektronun kütlesi (hidrojen atomunun kütlesinden neredeyse 2000 kat daha azdır).

Bir atomdaki elektronların durumu

Bir atomdaki elektronun durumu şu şekilde anlaşılır: belirli bir elektronun enerjisi ve bulunduğu alan hakkında bir dizi bilgi. Bir atomdaki elektronun bir hareket yörüngesi yoktur, yani sadece hakkında konuşabiliriz. onu çekirdeğin etrafındaki boşlukta bulma olasılığı.

Çekirdeği çevreleyen bu alanın herhangi bir yerine yerleştirilebilir ve çeşitli konumlarının toplamı, belirli bir negatif yük yoğunluğuna sahip bir elektron bulutu olarak kabul edilir. Mecazi olarak, bu şu şekilde hayal edilebilir: Bir atomdaki bir elektronun konumunu, fotofinişte olduğu gibi saniyenin yüzde biri veya milyonda biri sonra fotoğraflamak mümkün olsaydı, o zaman bu tür fotoğraflardaki elektron noktalar olarak temsil edilirdi. Bu tür sayısız fotoğraf üst üste bindirilseydi, resim, bu noktaların çoğunun bulunduğu, en yüksek yoğunluğa sahip bir elektron bulutu olurdu.

Atom çekirdeğinin etrafındaki elektronun bulunma olasılığının en yüksek olduğu boşluğa yörünge denir. Yaklaşık olarak içerir %90 elektronik bulut ve bu, elektronun zamanın yaklaşık %90'ının uzayın bu bölümünde olduğu anlamına gelir. Şekilleriyle ayırt edilirler Şu anda bilinen 4 yörünge türü Latince tarafından belirlenen s, p, d ve f harfleri. Şekilde bazı elektron yörünge formlarının grafiksel bir temsili gösterilmektedir.

Bir elektronun belirli bir yörüngedeki hareketinin en önemli özelliği çekirdekle bağlantısının enerjisi. Benzer enerji değerlerine sahip elektronlar tek bir elektron katmanı veya enerji seviyesi oluşturur. Enerji seviyeleri çekirdekten başlayarak 1, 2, 3, 4, 5, 6 ve 7 olarak numaralandırılır.

Enerji düzeyi sayısını gösteren n tam sayısına baş kuantum sayısı denir. Belirli bir enerji seviyesini işgal eden elektronların enerjisini karakterize eder. Çekirdeğe en yakın olan birinci enerji seviyesindeki elektronlar en düşük enerjiye sahiptir. Birinci seviyedeki elektronlarla karşılaştırıldığında, sonraki seviyelerdeki elektronlar büyük bir enerji kaynağı ile karakterize edilecektir. Sonuç olarak, dış seviyedeki elektronlar atom çekirdeğine en az sıkı bir şekilde bağlanır.

Bir enerji seviyesindeki en fazla elektron sayısı aşağıdaki formülle belirlenir:

N = 2n 2 ,

burada N maksimum elektron sayısıdır; n, seviye numarası veya ana kuantum numarasıdır. Sonuç olarak çekirdeğe en yakın ilk enerji seviyesi ikiden fazla elektron içeremez; ikincisinde - en fazla 8; üçüncüsü - en fazla 18; dördüncüde - en fazla 32.

İkinci enerji seviyesinden (n = 2) başlayarak, seviyelerin her biri çekirdeğe bağlanma enerjisinde birbirinden biraz farklı olan alt seviyelere (alt katmanlara) ayrılır. Alt seviyelerin sayısı ana kuantum sayısının değerine eşittir: birinci enerji seviyesinin bir alt seviyesi vardır; ikincisi - iki; üçüncü - üç; dördüncü - dört alt seviye. Alt seviyeler ise yörüngelerden oluşur. Her değern, n'ye eşit yörüngelerin sayısına karşılık gelir.

Alt seviyeler genellikle Latin harfleriyle ve oluştukları yörüngelerin şekliyle gösterilir: s, p, d, f.

Protonlar ve Nötronlar

Herhangi bir kimyasal elementin bir atomu küçük bir güneş sistemiyle karşılaştırılabilir. Bu nedenle E. Rutherford tarafından önerilen bu atom modeline denir. gezegensel.

Atomun tüm kütlesinin yoğunlaştığı atom çekirdeği iki tür parçacıktan oluşur: protonlar ve nötronlar.

Protonların yükü elektronların yüküne eşit, ancak işareti (+1) zıttıdır ve kütlesi bir hidrojen atomunun kütlesine eşittir (kimyada bir olarak alınır). Nötronlar yük taşımazlar, nötrdürler ve protonun kütlesine eşit bir kütleye sahiptirler.

Protonlara ve nötronlara birlikte nükleonlar denir (Latin çekirdeğinden - çekirdekten). Bir atomdaki proton ve nötron sayılarının toplamına kütle numarası denir. Örneğin bir alüminyum atomunun kütle numarası:

13 + 14 = 27

proton sayısı 13, nötron sayısı 14, kütle numarası 27

Elektronun ihmal edilebilecek kadar küçük olan kütlesi ihmal edilebileceğinden, atomun tüm kütlesinin çekirdekte toplandığı açıktır. Elektronlar e - ile gösterilir.

Atomdan bu yana elektriksel olarak nötr O halde bir atomdaki proton ve elektron sayısının aynı olduğu da açıktır. Periyodik Tabloda kendisine atanan kimyasal elementin seri numarasına eşittir. Bir atomun kütlesi proton ve nötronların kütlesinden oluşur. Elementin atom numarasını (Z), yani proton sayısını ve proton ve nötron sayılarının toplamına eşit olan kütle numarasını (A) bilerek, nötron sayısını (N) aşağıdaki formülü kullanarak bulabilirsiniz. :

N = A - Z

Örneğin bir demir atomundaki nötron sayısı:

56 — 26 = 30

İzotoplar

Aynı elementin nükleer yükleri aynı fakat kütle numaraları farklı olan atomlarına ne ad verilir? izotoplar. Doğada bulunan kimyasal elementler izotopların bir karışımıdır. Dolayısıyla karbonun kütleleri 12, 13, 14 olan üç izotopu vardır; oksijen - kütleleri 16, 17, 18 vb. olan üç izotop. Periyodik Tabloda genellikle verilen bir kimyasal elementin bağıl atom kütlesi, belirli bir elementin doğal izotop karışımının atom kütlelerinin ortalama değeridir. doğadaki göreceli bollukları. Çoğu kimyasal elementin izotoplarının kimyasal özellikleri tamamen aynıdır. Bununla birlikte, hidrojen izotoplarının özellikleri, göreceli atom kütlelerindeki dramatik çoklu artış nedeniyle büyük ölçüde farklılık gösterir; hatta onlara bireysel isimler ve kimyasal semboller bile veriliyor.

İlk dönemin unsurları

Hidrojen atomunun elektronik yapısının şeması:

Atomların elektronik yapısının diyagramları, elektronların elektronik katmanlar (enerji seviyeleri) arasındaki dağılımını gösterir.

Hidrojen atomunun grafik elektronik formülü (elektronların enerji seviyelerine ve alt seviyelere göre dağılımını gösterir):

Atomların grafik elektronik formülleri, elektronların yalnızca seviyeler ve alt seviyeler arasında değil aynı zamanda yörüngeler arasındaki dağılımını da gösterir.

Helyum atomunda ilk elektron katmanı tamamlandı; 2 elektronu var. Hidrojen ve helyum s elementleridir; Bu atomların s-orbitalleri elektronlarla doludur.

İkinci periyodun tüm unsurları için ilk elektronik katman doldurulur ve elektronlar, en az enerji ilkesine (önce s ve sonra p) ve Pauli ve Hund kurallarına uygun olarak ikinci elektron katmanının s- ve p-orbitallerini doldurur.

Neon atomunda ikinci elektron katmanı tamamlandı - 8 elektronu var.

Üçüncü periyodun elementlerinin atomları için birinci ve ikinci elektronik katmanlar tamamlanır, böylece elektronların 3s-, 3p- ve 3d-alt düzeylerini işgal edebildiği üçüncü elektronik katman doldurulur.

Magnezyum atomu 3s elektron yörüngesini tamamlar. Na ve Mg s elementleridir.

Alüminyum ve sonraki elementlerde 3p alt seviyesi elektronlarla doludur.

Üçüncü periyodun elemanları doldurulmamış 3 boyutlu yörüngelere sahiptir.

Al'dan Ar'ya kadar olan tüm elementler p elementleridir. S ve p elementleri Periyodik Tablodaki ana alt grupları oluşturur.

Dördüncü - yedinci dönemlerin unsurları

Potasyum ve kalsiyum atomlarında dördüncü bir elektron katmanı belirir ve 3d alt seviyesinden daha düşük enerjiye sahip olduğundan 4s alt seviyesi doldurulur.

K, Ca - s-elementleri ana alt gruplara dahildir. Sc'den Zn'ye kadar olan atomlar için 3d alt seviyesi elektronlarla doldurulur. Bunlar 3 boyutlu unsurlardır. İkincil alt gruplara dahil edilirler, en dıştaki elektronik katmanları doludur ve geçiş elemanları olarak sınıflandırılırlar.

Krom ve bakır atomlarının elektronik kabuklarının yapısına dikkat edin. Bunlarda, bir elektron 4'lerden 3d alt seviyesine "başarısız olur", bu da ortaya çıkan 3d 5 ve 3d 10 elektronik konfigürasyonlarının daha yüksek enerji kararlılığıyla açıklanır:

Çinko atomunda üçüncü elektron katmanı tamamlanmıştır; 3s, 3p ve 3d alt düzeylerinin tümü toplam 18 elektronla doldurulmuştur. Çinkodan sonra gelen elementlerde dördüncü elektron katmanı olan 4p alt düzeyi dolmaya devam ediyor.

Ga'dan Kr'ye kadar olan elementler p elementleridir.

Kripton atomunun tamamlanmış ve 8 elektronu olan bir dış katmanı (dördüncü) vardır. Ancak dördüncü elektron katmanında toplam 32 elektron bulunabilir; kripton atomunun hala doldurulmamış 4d ve 4f alt seviyeleri vardır. Beşinci periyodun elemanları için alt seviyeler şu sırayla doldurulmaktadır: 5s - 4d - 5p. Ayrıca “ ile ilgili istisnalar da vardır. arıza» elektronlar, y 41 Nb, 42 Mo, 44 ​​​​Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

Altıncı ve yedinci periyotlarda, f-elementleri, yani üçüncü dış elektronik katmanın sırasıyla 4f ve 5f alt seviyelerinin doldurulduğu elementler ortaya çıkar.

4f elementlerine lantanitler denir.

5f elementlerine aktinit denir.

Altıncı periyodun elementlerinin atomlarındaki elektronik alt seviyelerin doldurulma sırası: 55 Cs ve 56 Ba - 6s elementi; 57 La … 6s 2 5d x - 5d elemanı; 58 Ce - 71 Lu - 4f elemanları; 72 Hf - 80 Hg - 5d elemanları; 81 T1 - 86 Rn - 6d elemanları. Ancak burada da elektronik yörüngelerin doldurulma sırasının "ihlal edildiği" unsurlar vardır; bu, örneğin yarı ve tam dolu f-alt seviyelerinin, yani nf 7 ve nf 14'ün daha yüksek enerji kararlılığıyla ilişkilidir. Atomun hangi alt seviyesinin en son elektronlarla doldurulduğuna bağlı olarak, tüm elementler dört elektron ailesine veya bloğuna ayrılır:

• s-elemanları. Atomun dış seviyesinin s-alt seviyesi elektronlarla doludur; s-elementleri arasında hidrojen, helyum ve grup I ve II'nin ana alt gruplarının elementleri bulunur.

• p-elemanları. Atomun dış seviyesinin p-alt seviyesi elektronlarla doludur; p-elementler, III-VIII gruplarının ana alt gruplarının elemanlarını içerir.

• d-elementler. Atomun dış öncesi seviyesinin d-alt seviyesi elektronlarla doludur; d-elementler, I-VIII gruplarının ikincil alt gruplarının unsurlarını, yani s- ve p-elementleri arasında yer alan onlarca yıllık büyük periyotların eklenti elemanlarını içerir. Bunlara geçiş elemanları da denir.

• f elemanları. Atomun üçüncü dış seviyesinin f-alt seviyesi elektronlarla doludur; bunlara lantanitler ve antinoidler dahildir.

İsviçreli fizikçi W. Pauli, 1925'te, bir yörüngedeki bir atomda, zıt (antiparalel) dönüşlere (İngilizce'den "mil" olarak çevrilmiştir) sahip, yani koşullu olarak hayal edilebilecek özelliklere sahip ikiden fazla elektronun olamayacağını tespit etti. bir elektronun hayali ekseni etrafında dönmesi olarak: saat yönünde veya saat yönünün tersine.

Bu ilkeye denir Pauli prensibi. Orbitalde bir elektron varsa buna eşleşmemiş denir; iki varsa bunlar eşleştirilmiş elektronlardır, yani. zıt spinlere sahip elektronlar. Şekil, enerji seviyelerinin alt seviyelere bölünmesini ve bunların doldurulma sırasını gösteren bir diyagramı göstermektedir.

Çoğu zaman, atomların elektronik kabuklarının yapısı, enerji veya kuantum hücreleri kullanılarak tasvir edilir - sözde grafik elektronik formüller yazılır. Bu gösterim için aşağıdaki gösterim kullanılır: her kuantum hücresi, bir yörüngeye karşılık gelen bir hücre tarafından belirlenir; Her elektron, dönüş yönüne karşılık gelen bir okla gösterilir. Grafiksel bir elektronik formül yazarken iki kuralı hatırlamanız gerekir: Pauli ilkesi ve F. Hund kuralı, buna göre elektronlar serbest hücreleri birer birer işgal eder ve aynı dönüş değerine sahiptir ve ancak o zaman eşleşir, ancak Pauli ilkesine göre dönüşler zaten zıt yönde olacaktır.

Hund kuralı ve Pauli ilkesi

Hund'un kuralı- belirli bir alt katmanın yörüngelerini doldurma sırasını belirleyen ve aşağıdaki şekilde formüle edilen bir kuantum kimyası kuralı: belirli bir alt katmanın spin kuantum elektron sayısının toplam değeri maksimum olmalıdır. 1925 yılında Friedrich Hund tarafından formüle edilmiştir.

Bu, alt katmanın yörüngelerinin her birinde önce bir elektronun doldurulduğu ve ancak doldurulmamış yörüngeler tükendikten sonra bu yörüngeye ikinci bir elektronun eklendiği anlamına gelir. Bu durumda, bir yörüngede, zıt işaretin yarım tamsayı dönüşlerine sahip, çift olan (iki elektronlu bir bulut oluşturan) iki elektron vardır ve sonuç olarak yörüngenin toplam dönüşü sıfıra eşit olur.

Başka bir ifade: Daha düşük enerji, iki koşulun karşılandığı atomik terimdir.

1. Çokluk maksimumdur
2. Çokluklar çakıştığında toplam yörüngesel momentum L maksimumdur.

Bu kuralı p-alt düzey yörüngelerin doldurulması örneğini kullanarak analiz edelim. P-ikinci periyodun elemanları (yani bordan neona (aşağıdaki şemada yatay çizgiler yörüngeleri, dikey oklar elektronları ve okun yönü dönüş yönünü gösterir).

Klechkovsky'nin kuralı

Klechkovsky'nin kuralı - atomlardaki toplam elektron sayısı arttıkça (çekirdeklerinin yüklerinde veya kimyasal elementlerin seri numaralarında bir artışla), atomik yörüngeler, elektronların daha yüksek enerjiye sahip bir yörüngedeki görünümü değişecek şekilde doldurulur. yalnızca ana kuantum numarası n'ye bağlıdır ve l'den itibaren dahil olmak üzere diğer tüm kuantum sayılarına bağlı değildir. Fiziksel olarak bu, hidrojen benzeri bir atomda (elektronlar arası itme olmadığında), bir elektronun yörünge enerjisinin yalnızca elektron yük yoğunluğunun çekirdekten uzaysal mesafesi ile belirlendiği ve onun özelliklerine bağlı olmadığı anlamına gelir. çekirdeğin alanında hareket.

Ampirik Klechkovsky kuralı ve onu takip eden sıralama şeması, yalnızca iki benzer durumda atomik yörüngelerin gerçek enerji dizisiyle biraz çelişkilidir: Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au atomları için , dış katmanın s -alt seviyesi ile bir elektronun "başarısızlığı" vardır, bunun yerine önceki katmanın d-alt seviyesi gelir, bu da atomun enerjik olarak daha kararlı bir durumuna yol açar, yani: yörünge 6'yı iki ile doldurduktan sonra elektronlar S

Makalenin içeriği

ATOMİK YAPI, Atomun iç yapısını inceleyen fizik dalı. Başlangıçta bölünemez olduğu düşünülen atomlar karmaşık sistemlerdir. Elektronların boş uzayda hareket ettiği devasa bir proton ve nötron çekirdeğine sahiptirler. Atomlar çok küçüktür; boyutları yaklaşık 10 –10 –10 –9 m'dir ve çekirdeğin boyutları hala yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür (10 –15 –10 –14 m). Bu nedenle, atomlar yalnızca dolaylı olarak, çok yüksek büyütme oranına sahip bir görüntüde (örneğin, alan emisyonlu bir projektör kullanılarak) "görülebilir". Ancak bu durumda bile atomlar ayrıntılı olarak görülemez. İç yapıları hakkındaki bilgimiz, dolaylı ama ikna edici bir şekilde yukarıdakileri destekleyen çok miktarda deneysel veriye dayanmaktadır.

Atomun yapısına ilişkin fikirler 20. yüzyılda kökten değişti. yeni teorik fikirlerden ve deneysel verilerden etkilenir. Yoğun araştırmalara konu olan atom çekirdeğinin iç yapısının tanımlanmasında hala çözülmemiş sorular bulunmaktadır. Aşağıdaki bölümler bir bütün olarak atomun yapısına ilişkin fikirlerin gelişim tarihini özetlemektedir; Bu fikirler büyük ölçüde bağımsız olarak geliştiğinden, çekirdeğin yapısına (ATOMİK ÇEKİRDEK YAPISI) ayrı bir makale ayrılmıştır. Bir atomun dış kabuklarını incelemek için gereken enerji, termal veya kimyasal enerji düzeyinde nispeten küçüktür. Bu nedenle elektronlar, çekirdeğin keşfinden çok önce deneysel olarak keşfedilmiştir.

Çekirdek, küçük boyutuna rağmen çok güçlü bir şekilde bağlanmıştır, bu nedenle yalnızca atomlar arasında etki eden kuvvetlerden milyonlarca kat daha yoğun kuvvetlerin yardımıyla yok edilebilir ve incelenebilir. Çekirdeğin iç yapısının anlaşılmasındaki hızlı ilerleme ancak parçacık hızlandırıcıların ortaya çıkışıyla başladı. Atomun yapısını çekirdeğin yapısından ayrı bir bütün olarak düşünmemizi sağlayan şey, boyut ve bağlanma enerjisindeki bu büyük farktır.

Bir atomun büyüklüğü ve kapladığı boş alan hakkında fikir edinmek için çapı 1 mm olan bir su damlasını oluşturan atomları düşünün. Bu damlayı zihinsel olarak Dünya boyutuna kadar büyütürseniz, su molekülünde bulunan hidrojen ve oksijen atomlarının çapı 1-2 m olacaktır. Her atomun kütlesinin büyük kısmı, çapı olan çekirdeğinde yoğunlaşmıştır. bunların yalnızca 0,01 mm'si vardı.

BİR BÜTÜN OLARAK ATOM

Atomla ilgili en genel fikirlerin ortaya çıkış tarihi, genellikle herhangi bir maddenin bölünebileceği en küçük parçacıklar hakkında çok düşünen Yunan filozof Demokritos'un (MÖ 460 - MÖ 370) zamanına kadar uzanır. . Bu kadar küçük, bölünemez parçacıkların var olduğu görüşünü savunan bir grup Yunan filozofuna atomist adı verildi. Yunan filozof Epikuros (M.Ö. 342-270) atom teorisini M.Ö. 1. yüzyılda kabul etti. Takipçilerinden biri olan Romalı şair ve filozof Lucretius Carus, Epikuros'un öğretilerini sonraki nesiller için korunduğu "Şeylerin Doğası Üzerine" şiirinde özetledi. Antik çağın en büyük bilim adamlarından biri olan Aristoteles (M.Ö. 384-322), atom teorisini kabul etmemiş ve onun felsefe ve bilim hakkındaki görüşleri daha sonra ortaçağ düşüncesinde hakim olmuştur. Atomistik teori, tamamen spekülatif felsefi akıl yürütmenin yerini deneye bıraktığı Rönesans'ın sonuna kadar var gibi görünmüyordu.

Rönesans sırasında, günümüzde kimya ve fizik olarak adlandırılan alanlarda sistematik araştırmalar başladı ve bu araştırmalar, "bölünmez parçacıkların" doğasına dair yeni anlayışları da beraberinde getirdi. R. Boyle (1627–1691) ve I. Newton (1643–1727) akıl yürütmelerini, maddenin bölünmez parçacıklarının varlığı fikrine dayandırdılar. Ancak ne Boyle ne de Newton kendilerini ilgilendiren olguları açıklamak için ayrıntılı bir atom teorisine ihtiyaç duydular ve deneylerinin sonuçları "atomların" özellikleri hakkında yeni bir şey ortaya çıkarmadı.

Dalton'un yasaları.

Her kimyasal elementin en küçük parçacıklardan oluştuğu hipotezinin rasyonelliğini ve basitliğini ikna edici bir şekilde gösteren atom teorisinin ilk gerçek bilimsel kanıtı, makalesi olan İngiliz okul matematik öğretmeni J. Dalton'un (1766-1844) çalışmasıydı. Bu soruna adanmış 1803'te ortaya çıktı.

Dalton, gazların özelliklerini, özellikle de kimyasal bir bileşik oluşturmak üzere reaksiyona giren gazların hacimlerinin oranını, örneğin hidrojen ve oksijenden su oluşumunda inceledi. Reaksiyona giren hidrojen ve oksijen miktarlarının oranlarının her zaman küçük tamsayıların oranları olduğunu tespit etti. Böylece su (H2O) oluştuğunda 2,016 g hidrojen gazı 16 g oksijenle, hidrojen peroksit (H2O2) oluştuğunda ise 32 g oksijen gazı 2,016 g hidrojenle reaksiyona girer. Bu iki bileşiği oluşturmak için aynı kütledeki hidrojenle reaksiyona giren oksijen kütleleri birbiriyle küçük sayılar olarak ilişkilidir:

Bu tür sonuçlara dayanarak Dalton, "katlı oranlar yasasını" formüle etti. Bu yasaya göre, iki element farklı oranlarda birleşerek farklı bileşikler oluşturuyorsa, elementlerden birinin kütlesi ile ikinci elementin aynı miktarı birleştiğinde kütleleri küçük tam sayılar olarak ilişkilendirilir. Dalton'un ikinci yasası olan “sabit oranlar yasası”na göre, herhangi bir kimyasal bileşikte onu oluşturan elementlerin kütlelerinin oranı her zaman aynıdır. Yalnızca gazlarla değil, aynı zamanda sıvılar ve katı bileşiklerle de ilgili büyük miktarda deneysel veri, birçok bileşik için elementlerin reaksiyona giren kütlelerinin doğru ölçümlerini yapan J. Berzelius (1779-1848) tarafından toplandı. Onun verileri Dalton tarafından formüle edilen yasaları doğruladı ve her elementin en küçük kütle birimine sahip olduğunu ikna edici bir şekilde gösterdi.

Dalton'un atom varsayımları, eski Yunan atomcularının soyut akıl yürütmelerine göre, onun yasalarının gerçek deneylerin sonuçlarını açıklamayı ve ilişkilendirmeyi mümkün kılmasının yanı sıra yeni deneylerin sonuçlarını tahmin etmeyi mümkün kıldığı yönünde bir avantaja sahipti. O, 1) aynı elementin tüm atomlarının her bakımdan özdeş olduğunu, özellikle kütlelerinin aynı olduğunu; 2) farklı elementlerin atomları farklı özelliklere sahiptir, özellikle kütleleri farklıdır; 3) bir bileşik, bir elementin aksine, kendisini oluşturan elementlerin her birinin belirli bir tamsayı sayıda atomunu içerir; 4) kimyasal reaksiyonlarda atomların yeniden dağılımı meydana gelebilir, ancak tek bir atom yok edilmez veya yeniden yaratılmaz. (Aslında, 20. yüzyılın başında ortaya çıktığı gibi, aynı elementin atomları farklı kütlelere sahip olabileceğinden, bu varsayımlar tam olarak yerine getirilmemiştir; örneğin, hidrojenin izotop adı verilen bu tür üç çeşidi vardır; ayrıca atomlar radyoaktif dönüşümlere uğrayabilir ve hatta tamamen çökebilir, ancak Dalton'un dikkate aldığı kimyasal reaksiyonlarda değil.) Bu dört varsayıma dayanarak Dalton'un atom teorisi, sabit ve çoklu oranlar yasalarının en basit açıklamasını sağladı.

Dalton yasaları tüm kimyanın temelini oluştursa da atomların gerçek boyutlarını ve kütlelerini belirlemez. Bir elementin veya bileşiğin belirli bir kütlesinde bulunan atomların sayısı hakkında hiçbir şey söylemezler. Basit maddelerin molekülleri tek tek tartılamayacak kadar küçüktür, dolayısıyla atom ve moleküllerin kütlelerini belirlemek için dolaylı yöntemler kullanılmalıdır.

Avogadro'nun numarası.

1811'de A. Avogadro (1776-1856), bileşiklerin elementlerden nasıl oluştuğunun analizini büyük ölçüde basitleştiren ve atomlar ile moleküller arasındaki ayrımı belirleyen bir hipotez öne sürdü. Onun fikri, aynı sıcaklık ve basınçtaki eşit hacimdeki gazların aynı sayıda molekül içermesiydi. Prensip olarak bunun bir ipucu, kimyasal reaksiyona giren gaz halindeki elementlerin hacim oranının farklı olmasına rağmen tam sayılarla ifade edildiğini tespit eden J. Gay-Lussac'ın (1778-1850) daha önceki çalışmasında bulunabilir. Dalton tarafından elde edilen kütle oranlarından. Örneğin 2 litre hidrojen gazı (H2 molekülleri), 1 litre oksijen gazı (O2 molekülleri) ile birleşerek 1 litre su buharı (H2O molekülleri) oluşturur.

Belirli bir gaz hacmindeki gerçek molekül sayısı son derece fazladır ve 1865 yılına kadar kabul edilebilir bir doğrulukla belirlenemiyordu. Ancak Avogadro'nun zamanında, gazların kinetik teorisine dayanarak kaba tahminler yapılıyordu. Bir maddenin miktarını ölçmek için çok uygun bir birim moldür, yani. karbon 12 C'nin en yaygın izotopunun 0,012 kg'ındaki atom sayısı kadar molekül içeren bir maddenin miktarı. Normal koşullar altında (n.s.) ideal bir gazın bir molü, yani. standart sıcaklık ve basınçta 22,4 litre hacim kaplar. Avogadro sayısı, ortam koşullarında bir maddenin bir molünde veya 22,4 litre gazda bulunan toplam molekül sayısıdır. Radyografi gibi diğer yöntemler Avogadro sayısını verir N Kinetik teori temelinde elde edilenlerden 0 daha doğru değerler. Şu anda kabul edilen değer, bir molde 6,0221367×10 23 atomdur (molekül). Sonuç olarak 1 litre hava yaklaşık 3×1022 molekül oksijen, nitrojen ve diğer gazları içermektedir.

Avogadro sayısının atom fiziği açısından önemli rolü, bir atomun veya molekülün kütlesinin ve yaklaşık boyutlarının belirlenmesine olanak sağlamasından kaynaklanmaktadır. 22,4 litre H2 gazının kütlesi 2,016×10 –3 kg olduğuna göre bir hidrojen atomunun kütlesi 1,67×10 –27 kg olur. Katı bir cisimdeki atomların birbirine yakın olduğunu varsayarsak, Avogadro sayısı yarıçapı yaklaşık olarak tahmin etmemizi sağlayacaktır. Rörneğin alüminyum atomları. Alüminyum için 1 mol 0,027 kg'a eşittir ve yoğunluk 2,7H103 kg/m3'tür. Bu durumda elimizde

Neresi R» 1,6×10 –10 m. Böylece Avogadro sayısının ilk tahminleri atom büyüklükleri hakkında fikir verdi.

Elektronun keşfi.

Kimyasal bileşiklerin oluşumuyla ilgili deneysel veriler, "atomik" parçacıkların varlığını doğruladı ve tek tek atomların küçük boyutunu ve kütlesini değerlendirmeyi mümkün kıldı. Ancak atomları oluşturan daha küçük parçacıkların varlığı da dahil olmak üzere atomların gerçek yapısı, J. J. Thomson'un 1897'de elektronu keşfetmesine kadar belirsizliğini korudu. O zamana kadar atomun bölünemez olduğu düşünülüyordu ve çeşitli elementlerin kimyasal özelliklerindeki farklılıklar hiçbir açıklaması yoktu. Thomson'un keşfinden önce bile, diğer araştırmacıların düşük basınçta gazla dolu cam tüplerdeki elektrik akımını incelediği bir dizi ilginç deney gerçekleştirilmişti. Bunları yapmaya ilk başlayan Alman cam üfleyici G. Geissler'den (1815-1879) sonra Geissler tüpleri olarak adlandırılan bu tür tüpler, bir endüksiyon bobininin yüksek voltajlı sargısına bağlandığında parlak bir parıltı yayıyordu. Bu elektriksel deşarjlar, tüpteki deşarjın doğasının basınca bağlı olarak değiştiğini ve yüksek vakumda deşarjın tamamen ortadan kaybolduğunu tespit eden W. Crookes'un (1832–1919) ilgisini çekti. J. Perrin'in (1870–1942) daha sonraki çalışmaları, ışımaya neden olan "katot ışınlarının" düz bir çizgide hareket eden, ancak manyetik alan tarafından saptırılabilen negatif yüklü parçacıklar olduğunu gösterdi. Ancak parçacıkların yükü ve kütlesi bilinmiyordu ve tüm negatif parçacıkların aynı olup olmadığı da belirsizdi.

Thomson'ın en büyük özelliği, katot ışınlarını oluşturan tüm parçacıkların birbiriyle aynı olduğunun ve maddenin bir parçası olduğunun kanıtıydı. Şekil 2'de gösterilen özel tipte bir boşaltma borusunun kullanılması. Şekil 1'de Thomson, daha sonra elektron olarak adlandırılan katot ışını parçacıklarının hızını ve yük-kütle oranını ölçtü. Elektronlar, tüpteki yüksek voltajlı deşarjın etkisi altında katottan dışarı uçtu. Açıklıklardan D Ve e Sadece tüpün ekseni boyunca uçanlar geçti.

Normal modda bu elektronlar parlak ekranın merkezine çarpar. (Thomson'ın tüpü, televizyon resim tüpünün öncüsü olan ekranlı ilk "katot ışın tüpü" idi.) Tüp ayrıca, enerji verildiğinde elektronları saptırabilen bir çift elektrik kapasitör plakası içeriyordu. Elektrik gücü F E, suçlamaya göre hareket eden e elektrik alanından e, ifadesiyle verilir

F E = eE.

Ek olarak, elektronları ters yönde saptırabilen bir çift akım taşıyan bobin kullanılarak tüpün aynı bölgesinde bir manyetik alan oluşturulabilir. Güç FH, manyetik alandan etki eden H, alan kuvveti ve parçacık hızıyla orantılı v ve onun sorumluluğu e:

FH = Hev.

Thomson, elektrik ve manyetik alanları, elektronların toplam sapması sıfır olacak şekilde ayarladı; elektron ışını orijinal konumuna geri döndü. Çünkü bu durumda her iki kuvvet de F E Ve FH eşit olduğundan elektronların hızı şu şekilde verilir:

v = E/H.

Thomson bu hızın tüpteki voltaja bağlı olduğunu buldu. V ve elektronların kinetik enerjisi mv 2/2 bu voltajla doğru orantılıdır, yani. mv 2 /2 = eV. (Bu nedenle, 1 V'luk bir potansiyel farkla hızlandırıldığında, elektronunkine eşit yüke sahip bir parçacığın elde ettiği enerji için "elektron-volt" terimi kullanılır.) Bu denklemi elektronun hızına ilişkin ifadeyle birleştirerek, yük-kütle oranını buldum:

Bu deneyler ilişkiyi belirlemeyi mümkün kıldı e/M bir elektron için yaklaşık bir yük değeri verdi e. Tam olarak değer e R. Milliken, deneylerinde yüklü yağ damlacıklarının kapasitörün plakaları arasındaki havada asılı kalmasını sağlayan R. Milliken tarafından ölçülmüştür. Şu anda elektronun özellikleri büyük bir doğrulukla bilinmektedir:

Thomson'ın deneyleri, elektrik deşarjlarındaki elektronların herhangi bir maddeden kaynaklanabileceğini gösterdi. Bütün elektronlar aynı olduğundan elementlerin yalnızca elektron sayıları farklı olmalıdır. Ayrıca elektron kütlesinin küçük değeri, atomun kütlesinin bunların içinde yoğunlaşmadığını gösteriyordu.

Thomson kütle spektrografı.

Kısa süre sonra atomun pozitif yüklü geri kalan kısmı, elektronun açılmasını mümkün kılan, değiştirilmiş olsa da aynı deşarj tüpü kullanılarak gözlemlenebildi. Deşarj tüpleriyle yapılan ilk deneyler, tüpün ortasına delikli bir katot yerleştirilirse, pozitif yüklü parçacıkların katottaki "kanaldan" geçerek tüpün karşı ucunda bulunan floresan ekrana neden olduğunu gösterdi. anottan parlamaya. Bu pozitif "kanal ışınları" da manyetik alan tarafından saptırıldı, ancak elektronların tersi yönde.

Thomson, parçacıkları saptırmak için elektrik ve manyetik alanları da kullanarak bu yeni ışınların kütlesini ve yükünü ölçmeye karar verdi. Pozitif ışınları incelemek için kullandığı alet olan "kütle spektrografı" Şekil 2'de şematik olarak gösterilmektedir. 2. Şekil 2'de gösterilen cihazdan farklıdır. Şekil 1'deki gibi, elektrik ve manyetik alanlar parçacıkları birbirine dik açıyla saptırır ve bu nedenle "sıfır" sapma elde edilemez. Anot ve katot arasındaki yoldaki pozitif yüklü atomlar bir veya daha fazla elektron kaybedebilir ve bu nedenle farklı enerjilere hızlandırılabilir. Aynı yük ve kütleye sahip, ancak son hızları biraz yayılmış olan aynı türdeki atomlar, ışıldayan bir ekran veya fotoğraf plakası üzerinde kavisli bir çizgi (parabol segmenti) çizecektir. Farklı kütlelere sahip atomların varlığında, daha ağır atomlar (aynı yüke sahip) merkez eksenden daha hafif olanlara göre daha az sapacaktır. İncirde. Şekil 3, Thomson kütle spektrografı üzerinde elde edilen parabollerin bir fotoğrafını göstermektedir. En dar parabol, bir elektronunun çıkarıldığı en ağır tek iyonize atoma (cıva atomu) karşılık gelir. En geniş iki parabol hidrojene, biri atomik H+'ya ve diğeri moleküler H2+'ya karşılık gelir; her ikisi de tek başına iyonizedir. Bazı durumlarda iki, üç ve hatta dört yük kaybolur, ancak atomik hidrojenin bir defadan fazla iyonlaştığı hiçbir zaman gözlemlenmemiştir. Bu durum hidrojen atomunun tek elektrona sahip olduğunun ilk göstergesiydi. atomların en basitidir.

Atomun karmaşık yapısına dair diğer kanıtlar.

Thomson ve diğer araştırmacıların katot ışınlarıyla deneyler yaptığı sırada, X ışınlarının ve radyoaktivitenin keşfi, atomun karmaşık yapısına dair daha fazla kanıt sağladı. 1895'te V. Roentgen (1845–1923) yanlışlıkla gizemli radyasyonu keşfetti (“ X-ışınları"), elektrik deşarjının yeşil ışıldayan bölgesini incelerken Crookes tüpünü sardığı siyah kağıdın içinden geçiyordu. X-ışınları, kristal baryum platinosiyanürle kaplı uzak bir ekranın parlamasına neden oldu. Roentgen, ekran ile tüp arasına yerleştirilen farklı kalınlıktaki çeşitli maddelerin parıltıyı zayıflattığını ancak tamamen söndürmediğini buldu. Bu son derece yüksek nüfuz etme yeteneğini gösterdi X-ışınlar. X-ışını ayrıca bu ışınların doğrusal olarak yayıldığını ve elektrik ve manyetik alanlar tarafından saptırılmadığını da tespit etti. Çeşitli malzemelerin elektron bombardımanından böylesine görünmez, nüfuz edici radyasyonun ortaya çıkması tamamen yeni bir şeydi. Geissler tüplerinden gelen görünür ışığın, belirli dalga boylarına sahip bireysel "spektral çizgilerden" oluştuğu ve bu nedenle ayrı frekanslara sahip atomların "titreşimleri" ile ilişkili olduğu biliniyordu. Yeni radyasyonu optik spektrumlardan ayıran önemli bir özellik, yüksek nüfuz etme kabiliyetinin yanı sıra, elektron sayısı giderek artan elementlerin optik spektrumlarının birbirinden tamamen farklı olmasıydı. X-ışınları elementten elemente çok az değişti.

Atomun yapısıyla ilgili bir başka keşif ise bazı elementlerin atomlarının kendiliğinden radyasyon yayabilmesiydi. Bu fenomen 1896'da A. Becquerel (1852–1908) tarafından keşfedildi. Becquerel, ışığın etkisi altında tuzların lüminesansını ve bunun bir X-ışını tüpündeki camın lüminesansıyla ilişkisini incelerken uranyum tuzlarını kullanarak radyoaktiviteyi keşfetti. Deneylerden birinde, siyah kağıda sarılmış ve tamamen karanlıkta uranyum tuzunun yanına yerleştirilmiş bir fotoğraf plakasının kararması gözlemlendi. Bu tesadüfi keşif, diğer doğal radyoaktivite örneklerinin araştırılmasını ve yayılan radyasyonun doğasını belirlemeye yönelik deneyleri teşvik etti. 1898'de P. Curie (1859–1906) ve M. Curie (1867–1934) iki radyoaktif element daha keşfetti: polonyum ve radyum. Uranyum radyasyonunun nüfuz etme yeteneğini inceleyen E. Rutherford (1871–1937), iki tür radyasyon olduğunu gösterdi: madde tarafından kolayca emilen ve Rutherford'un alfa ışınları olarak adlandırdığı çok "yumuşak" radyasyon ve daha nüfuz edici radyasyon. beta-ışınları adını verdiği radyasyon. Beta ışınlarının, deşarj tüplerinde ortaya çıkan sıradan elektronlarla veya "katot ışınlarıyla" aynı olduğu ortaya çıktı. Alfa ışınlarının, iki elektronundan yoksun helyum atomlarıyla aynı yüke ve kütleye sahip olduğu ortaya çıktı. Gama ışınları olarak adlandırılan üçüncü tür radyasyonun benzer olduğu ortaya çıktı. X-ışınları vardı ama daha da büyük nüfuz etme gücüne sahipti.

Tüm bu keşifler atomun "bölünemez" olmadığını açıkça ortaya koydu. Yalnızca daha küçük parçalardan (elektronlar ve daha ağır pozitif parçacıklar) oluşmakla kalmıyor, aynı zamanda bu ve diğer alt parçacıkların, ağır elementlerin radyoaktif bozunması sırasında kendiliğinden yayıldığı görülüyor. Ek olarak, atomlar sadece görünür bölgede farklı frekanslarda radyasyon yaymakla kalmaz, aynı zamanda o kadar heyecanlanırlar ki "daha sert" elektromanyetik radyasyon yaymaya başlarlar. X-ışınlar.

Thomson'un atom modeli.

Atomun yapısına ilişkin deneysel çalışmalara büyük katkı sağlayan J. Thomson, atomun bilinen tüm özelliklerini açıklayacak bir model bulmaya çalıştı. Bir atomun kütlesinin baskın kısmı pozitif yüklü kısmında yoğunlaştığından, atomun yaklaşık 10-10 m yarıçaplı pozitif yükün küresel bir dağılımı olduğunu ve yüzeyinde elastik bir tabaka tarafından tutulan elektronların bulunduğunu varsaydı. salınımlarına izin veren kuvvetler (Şekil 4). Elektronların net negatif yükü, pozitif yükü tamamen iptal eder, böylece atom elektriksel olarak nötr olur. Elektronlar küre üzerindedir ancak denge konumuna göre basit harmonik salınımlar gerçekleştirebilirler. Bu tür salınımlar yalnızca gaz deşarj tüplerinde gözlemlenen dar spektral çizgilere karşılık gelen belirli frekanslarda meydana gelebilir. Elektronlar konumlarından oldukça kolay bir şekilde çıkarılabilir, bu da kütle spektrograf deneylerinde "kanal ışınlarını" oluşturan pozitif yüklü "iyonların" ortaya çıkmasına neden olur. X-ışınları elektronların temel titreşimlerinin çok yüksek tonlarına karşılık gelir. Radyoaktif dönüşümler sırasında üretilen alfa parçacıkları, atomun bir miktar enerjik yırtılmasının bir sonucu olarak pozitif kürenin dışına çıkan pozitif kürenin bir parçasıdır.

Ancak bu model bir takım itirazları da beraberinde getirdi. Bunlardan biri, emisyon çizgilerini ölçen spektroskopistlerin keşfettiği gibi, bu çizgilerin frekanslarının, yükün periyodik salınımlarında olması gerektiği gibi en düşük frekansın basit katları olmamasıydı. Bunun yerine frekans arttıkça sanki bir sınıra yaklaşıyormuş gibi birbirlerine yaklaşırlar. Zaten 1885'te I. Balmer (1825–1898), hidrojen spektrumunun görünür kısmındaki çizgilerin frekanslarını bağlayan basit bir ampirik formül bulmayı başardı:

Nerede N- sıklık, C– ışık hızı (3×10 8 m/s), N– bir tamsayı ve Sağ- belirli bir sabit faktör. Bu formüle göre, belirli bir spektral hidrojen çizgileri serisinde, dalga boyuna sahip hiçbir çizgi olmamalıdır. ben karşılık gelen 364,56 nm'den (veya daha yüksek frekanslardan) az N= Ґ. Durumun böyle olduğu ortaya çıktı ve bu, Thomson'ın atom modeline ciddi bir itiraz haline geldi, ancak farklı elektronlar için elastik geri yükleme kuvvetlerindeki farkla tutarsızlığı açıklamaya çalışıldı.

Thomson'un atom modeline dayanarak, atomların X-ışınları veya gama radyasyonu emisyonunu açıklamak da son derece zordu.

Thomson'un atom modelindeki zorluklar aynı zamanda tutumdan da kaynaklanıyordu. e/m Elektronlarını kaybetmiş atomlar için kütle yükü (“kanal ışınları”). En basit atom, bir elektrona ve bir pozitif yük taşıyan nispeten büyük bir küreye sahip bir hidrojen atomudur. Çok daha önce, 1815'te W. Prout, tüm ağır atomların hidrojen atomlarından oluştuğunu ve atomun kütlesinin elektron sayısıyla orantılı olarak artmasının anlaşılabilir olacağını öne sürdü. Ancak ölçümler yük/kütle oranının farklı elementler için aynı olmadığını göstermiştir. Örneğin, bir neon atomunun kütlesi, bir hidrojen atomunun kütlesinin yaklaşık 20 katıdır, yük ise yalnızca 10 birim pozitif yüktür (bir neon atomunun 10 elektronu vardır). Durum sanki pozitif yükün değişken bir kütlesi varmış ya da gerçekte 20 elektron varmış ama bunlardan 10'u kürenin içindeymiş gibiydi.

Rutherford'un saçılma deneyleri.

Daha sonra başka bir zorluk ortaya çıktı. 1903 yılında F. Lenard (1862–1947), hızlı elektron ışınının ince metal folyolardan geçişiyle ilgili deneyler yaptı. Thomson'ın atom modelinde, uzayın neredeyse tamamı maddeyle (atomun pozitif yüklü kısmı) doludur ve bu nedenle, yalnızca çok az sayıda elektronun folyodan geçebileceği düşünülebilir. Lenard neredeyse tüm elektronların folyodan geçtiğini keşfetti. Her ne kadar deney, bombardıman parçacıklarının küçük kütlesi nedeniyle zorluklarla karşılaşsa da, Lenard, atomun kütlesinin, beklenenden çok daha küçük olan "dinamid"de (merkez bölgesi) yoğunlaştığını varsaydı.

Atomun uzaysal yapısına ilişkin anlayışı tamamen değiştiren belirleyici deney, E. Rutherford ve çalışma arkadaşları H. Geiger (1882–1945) ve E. Marsden (1889–1970) tarafından gerçekleştirildi. Elektronlar yerine alfa parçacıkları kullandılar çünkü... Daha büyük kütleleri nedeniyle (bir elektronun kütlesinin 7350 katı), bu parçacıklar atomik elektronlarla çarpıştıklarında gözle görülür bir sapmaya uğramazlar, bu da yalnızca atomun pozitif kısmıyla çarpışmaların tespit edilmesine izin verir. Radyum, alfa parçacıklarının kaynağı olarak alındı ​​ve altın gibi ince bir metal folyoya saçılan parçacıklar, karanlık bir odada bulunan bir çinko sülfür ekranındaki "parıldama" flaşlarıyla kaydedildi. Deney şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 5.

Thomson'un modeline göre, neredeyse tüm alfa parçacıkları, çoğu zaman neredeyse düzgün dağılmış pozitif yükün olduğu bir bölgeden geçtiklerinden, orijinal yönlerinden çok küçük bir açı içinde son bulacaklardır. Her ne kadar Rutherford'un sonuçları küçük sapmalar bölgesindeki beklenen dağılımla tutarlı olsa da, Thomson'ın atom modelinin öngördüğünden çok daha büyük açılarda çok sayıda sapma kaydedildi. Bu kadar büyük sapmalar ancak bir atomun pozitif "çekirdeğinin" elektronik yapısının boyutundan çok daha küçük olması ve dolayısıyla alfa parçacıklarının bu küçük pozitif çekirdeğe çok yaklaşarak çok büyük Coulomb kuvvetleriyle karşılaşabilmesiyle açıklanabilir. . Rutherford'un deneyleri, Lenard'ın beklediği gibi, çok küçük kütlesel çekirdek veya "çekirdek" dışında tüm atomun neredeyse tamamen boş olduğunu ikna edici bir şekilde gösterdi. Rutherford, elde ettiği deneysel verilere dayanarak, altın atomunun çekirdeğinin çapının 6x10-15 m'den fazla olmadığı sonucuna vardı; bu, günümüzünkine oldukça yakın bir değerdi.

Rutherford, çekirdeği bir nokta saçılma merkezi olarak ele alarak ve yalnızca elektrostatik ve Newton mekaniğine dayanarak, saçılmış parçacıkların açısal dağılımı için bir formül elde etmeyi başardı. Kütleli bir alfa parçacığı arasında M ve şarj 2 e, Nerede e– elektronun yükü ve yük ile çekirdek ze, Nerede Z– saçılma maddesini oluşturan elementin atom numarası; elektrostatik itme kuvveti 2; ze 2 /R 2 nerede R– yükler arasındaki mesafe. Köşe J Saçılmanın meydana geldiği çarpışma parametresine bağlıdır P, yani Bir parçacığın saptırılmaması durumunda çekirdeği geçebileceği minimum mesafe.

Olarak Şekil l'de görülebilir. Şekil 6'da en büyük sapma açısı en küçük çarpışma parametresine karşılık gelir. Bir açıyla saptırılan alfa parçacıklarının oranı J ve daha fazlası şu ifadeyle verilmektedir:

Nerede N– 1 cm3’teki atom sayısı, T– folyo kalınlığı, M Ve v– alfa parçacığının kütlesi ve hızı ve Z– nükleer yük. Bu Rutherford saçılma yasası daha çok parçacıkların kesri olarak yazılır. df, katı bir açıya saçılan dw arasındaki açı aralığında Jönce J + DJ:

Bu ifadeler geniş bir açı aralığı ve farklı saçılan malzemeler için niceliksel olarak doğrulandı ve nükleer yükün ölçülmesini mümkün kıldı.

Thomson modelinin yerini alan Rutherfordian veya nükleer atom modeli, kuantum mekaniğinin yaratılmasına yönelik önemli bir adımdı. Geiger ve Marsden'in 1913'te gerçekleştirdiği ayrıntılı deneyler, çok daha büyük boyutlardaki bir elektronik yapının merkezinde küçük kütleli bir çekirdeğe sahip bir atomun resminin, yalnızca niteliksel olarak değil, aynı zamanda niceliksel olarak da doğru olduğuna dair şüpheye gölge bırakmadı. Çekirdekteki elektronların varlığı gibi Thomson'ın modelinden aktarılan bazı ayrıntılar da daha sonra atıldı.

Bohr'un kuantum teorisi.

N. Bohr (1885–1962), 1912–1913'te saçılma deneyleri yürütürken Rutherford'la çalıştı ve 1913'te birçok yeni fikirle Kopenhag'a döndü. "Nükleer" saçılma deneylerinde yeni keşfedilenlere ek olarak, bir dizi olgunun açıklanması gerekiyordu. Artık Thomson atom modeli reddedildiğinden, deşarj tüplerinin radyasyonundaki dar, ayrık spektral çizgiler ve frekanslarındaki ampirik modeller daha da az net görünüyordu.

1887'de G. Hertz (1857-1894) tarafından keşfedilen başka bir atomik etki daha vardı, yani fotoelektrik etki. Bunun özü, yeni temizlenmiş bir metal yüzeye düşen ışığın, eğer ışığın frekansı yeterince yüksekse, elektronları buradan dışarı atmasıdır. Her metalin kendine ait eşik frekansı vardır. Deneyler, fotoelektron akımını sıfıra indiren frenleme elektrostatik alanının ışık yoğunluğuna değil, dalga boyuna bağlı olduğunu göstermiştir. Işığın elektromanyetik dalgalar olduğunu öne süren elektromanyetik teori bunu açıklayamadı, çünkü bu teoriye göre herhangi bir hızda bir elektron yaymak için bir atomun yalnızca uzun bir süre boyunca enerji absorbe etmesi gerekiyor. 1905 yılında A. Einstein (1879–1955), fotoelektrik etkinin deneysel verilerle tamamen tutarlı olan bir açıklamasını önerdi, ancak bir dalga süreci olarak mevcut ışık kavramının radikal bir revizyonunu gerektiriyordu. Einstein, ışığın foton veya ışık kuantumu adı verilen birimler halinde enerji taşıdığını ve enerjilerinin şu şekilde verildiğini öne sürdü: e = hn, Nerede Nışığın frekansıdır ve H– “Planck sabiti”, 6,626Х10 –34 JChs'ye eşittir. Foton metal yüzeye çarptığında tüm enerjisini bir elektrona aktarır. Elektron yüzeye elektrostatik kuvvetlerle bağlı olduğundan kaçmak için enerjiye ihtiyaç duyar. W(“iş fonksiyonu”) ve elektronun aldığı enerjinin geri kalanı kinetik enerjisine dönüştürülür, yani. hn = W + 1 / 2 mv 2. Einstein'ın hipotezi, fotoelektronların kinetik enerjisinin neden ışığın frekansına bağlı olduğunu ve yayılan elektronların sayısının da yoğunluğuna bağlı olduğunu açıkladı.

Bilimsel keşiflerde sıklıkla olduğu gibi, Einstein'ın "kuantum" hipotezinin daha önceki bir teoriye dayandığı ortaya çıktı. M. Planck (1858–1947), ısıtılmış cisimlerden gelen radyasyonun gözlemlenen spektral bileşimini açıklamak için niceleme fikrini kullanan ilk kişiydi. Harmonik osilatörlerin enerjinin yalnızca belirli kısımlarını emip yaydığını öne sürerek spektrumu açıklayabildi. hn.

Bohr, kuantum hipotezini atomlardaki elektronların yörüngelerinin ve bunların radyasyonunun tanımına parlak bir şekilde uyguladı. Elektronların osilatörler gibi davrandığı fikrini reddetti ve bunun yerine atomun dinamiklerini, Güneş etrafındaki yörüngelerdeki gezegenlerin hareketine benzer şekilde, elektronların çekirdeğin etrafındaki yörüngelerdeki hareketi olarak hayal etti. Bir elektronun çekirdek tarafından elektrostatik çekim kuvveti, elektronun yarıçaplı dairesel bir yörüngede hareket etmesine neden olan merkezcil bir kuvvettir. R hızlı v. Genel olarak yüklü çekirdekler ze sahibiz

Böyle bir kuvvet alanında (kuvvet ağırlık merkezine olan mesafeyle ters orantılı olduğunda), hareketin kinetik enerjisi her zaman potansiyel enerjinin - 1/2'sine eşittir:

ve toplam enerji, yani. kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamı şuna eşittir:

Bu ilişkiler, mekanik ve elektrostatikteki olağan yasalardan kaynaklanır. Bohr bunlara ek olarak atomun kuantum teorisinin temelini oluşturan aşağıdaki varsayımları da formüle etti.

I. Yalnızca açısal momentumun Planck sabiti birimindeki bir tamsayı bölü 2'ye eşit olduğu dairesel yörüngelere izin verilir. P. (Cismin açısal momentumu ben Dairesel bir yörüngede hareket eden kütlenin çarpımına eşittir M hız için v ve yörünge yarıçapı R.) Böylece,

II. Elektromanyetik teoriye göre ivmeyle hareket eden herhangi bir yüklü parçacığın radyasyon yayması gerekirken, elektronlar atom içindeki yörüngelerinde hareket ederken radyasyon yaymazlar. Radyasyon yalnızca bir elektron nicelenmiş bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde meydana gelir.

III. Bu radyasyonun frekansı toplam enerjideki değişime göre belirlenir; Bir atomun başlangıç ​​ve son durumlarındaki enerjileri arasındaki fark:

hn = e 2 – e 1 .

Bu enerji kuantizasyon koşulları ayrık elektron yörüngelerine yol açar. Hız için denklem (2)'yi çözüp (4)'ü yerine koyarak şunu elde ederiz:

veya “Bohr yarıçapı” girerseniz A 0 = H 2 /4P 2Ben 2 "5,29Х10 –11 m,

İncirde. Şekil 7, Bohr'un teorisine karşılık gelen, hidrojen atomundaki elektronların ilk altı yörüngesini göstermektedir. Ayrık spektral çizgilerin emisyonunun eşlik ettiği geçişler de gösterilmektedir. Her spektral çizgi dizisi, kendisini keşfedenin adını taşır; Tüm seriler arasında Balmer serisinin yalnızca bir kısmı spektrumun görünür bölgesinde yer alır.

İncirde. Şekil 8, Balmer serisi çizgilerinin bir spektrograf fotoğraf plakası üzerinde nasıl göründüğünü göstermektedir. Seri sınırına yakın yerlerde çizgilerin yoğunlaştığını görmek kolaydır.

Her tamsayı değerine karşılık gelen atomik durumların enerjileri N, ayrıca kuantize edilmiştir:

Bohr'un üçüncü önermesini ve ilişkiyi kullanma İle = içinde Hız, dalga boyu ve frekans arasında Balmer'in çizgi serisi için bulduğu ampirik formül artık açıklanabilir:

Bohr formülünün özel bir durumu olarak. Onun yardımıyla “Rydberg sabitini” hesaplayabilirsiniz. Sağ:

Anlam Sağ Balmer tarafından bulunan 10967776 m–1; o anda mevcut olan değerleri kullanarak M, e, C Ve H Bohr'un aldığı Sağ= 1,03Х10 7 m–1. Modern anlam Sağ 10979708 m–1'dir. Dolayısıyla Bohr'un teorisi ile deneyi arasındaki uyum oldukça iyidir. Boyutta tutarsızlık Sağ temel sabitlerin değerlerinin yanlışlığı ile açıklanmıştır M, e, C, H Bohr'un kullandığı bir takım düzeltmelerin dikkate alınması ihtiyacının yanı sıra, bunlardan en önemlisi çekirdeğin hareketinin düzeltilmesidir ( aşağıya bakınız).

Böylece Bohr, hidrojen spektrumunun çizgilerinin yalnızca niteliksel değil aynı zamanda niceliksel bir açıklamasını vererek ve Planck ve Einstein'ın kuantum hakkındaki fikirlerini optik spektrum teorisinde uygulayarak, teorisiyle en başından beri önemli bir başarı elde etti.

1914'te J. Frank (1882–1964) ve G. Hertz (1887–1975), cıva buharı atomlarını bilinen enerjiye sahip elektronlarla bombardıman ederek enerji seviyelerinin nicelenmesi kavramının doğruluğunu deneysel olarak doğruladılar. Cıva atomları tarafından saçılan elektronların kaybettiği enerjiyi ölçtüler. Enerjileri belirli bir eşiğin altında olan elektronlar, cıva atomlarına hiçbir şekilde enerji aktarmıyorlardı; ancak elektronların enerjisinin, cıva atomunun daha yüksek enerjili en yakın seviyeye geçişini uyarmaya yeterli olduğu ortaya çıktığında, elektronlar enerjilerini yoğun bir şekilde aktardılar. Bu, kuantize edilmiş enerji seviyelerinin varlığına dair ikna edici bir kanıttı.

Bohr'un teorisi aynı zamanda X-ışını radyasyonunun kökenini açıklamayı da mümkün kıldı ( X-ışınları): Bu radyasyon, bir elektronun bir atomun iç yörüngesinden çıkarılmasının (bir atomu bombalayan bir elektron tarafından) bir sonucu olarak yayılır: atomun dış kabuklarından gelen elektronlar, boşalan alana hareket eder. Enerji, optik geçiş sırasında olduğundan çok daha fazla değiştiğinden, X-ışını radyasyonunun görünür ışıktan daha kısa dalga boyuna sahip olduğu ve daha nüfuz edici olduğu ortaya çıkar. Bohr'un teorisi yalnızca spektrumun görünür kısmında gözlenen Balmer çizgilerini değil, aynı zamanda fotoğrafik yöntemler kullanılarak tespit edilen ultraviyole (Lyman serisi) ve kızılötesi (Paschen serisi) bölgelerdeki diğer çizgi serilerini de açıkladı.

Her ne kadar kitle M Hidrojen (proton) çekirdeği, atomun yörüngesinde hareket eden elektronun kütlesinden çok daha büyük olduğundan, atomun bu "dinamik" modelinde protonun hareketsiz olduğunu varsaymak yanlış olur. A. Sommerfeld'in (1868–1951) belirttiği gibi, enerji ve momentumun korunumu yasaları nedeniyle, çekirdek ve elektronun ortak kütle merkezine göre aynı açısal hızla dönmesi gerekir (çekirdek ortak kütle merkezine çok daha yakın konumdayken). kütle merkezi). Bu nükleer hareketin elektronik durumların enerjisi üzerindeki etkisi, basitçe elektron kütlesinin değiştirilmesiyle dikkate alınabilir. M"kütlenin azalması"

Nerede M söz konusu atomun çekirdeğinin kütlesidir. Hidrojen durumunda, değer M az M 1/1837'de. Bununla birlikte, spektroskopik ölçümlerin doğruluğu, böyle bir düzeltmenin teori ve deney arasındaki uyumu gözle görülür şekilde iyileştirecek şekildedir.

Değiştirilmiş Bohr teorisinin hidrojen atomu için sunduğu olanakların muhteşem bir gösterimi, "ağır hidrojen" (döteryum) 2 H'nin keşfiydi. Döteryum çekirdeğinin kütlesi, protonun kütlesinin neredeyse iki katıdır ve döteryum sadece 1 olmasına rağmen /4500 sıradan hidrojen gazı, varlığı, büyüklük farklılıkları nedeniyle ana çizgilere göre kaymış, çok soluk çizgiler şeklinde, yüksek çözünürlükle çekilmiş spektrum fotoğraflarında kendini gösterir. M. F. Aston'un (1977–1945) 1931'de hidrojenin atom kütlesinde bariz bir tutarsızlık keşfetmesinin ardından, R. Burge (1887–1980) ve D. Menzel, farklı izotop kütlelerine sahip iki tür hidrojenin varlığı hipotezini öne sürdüler. 1932'de G. Urey (1893–1981), J. Murphy ve F. Brickwedde (1903–1989), 6,4 m yarıçaplı bir içbükey kırınım ızgarası kullanılarak hidrojen spektrumunun fotoğraflandığı bir dizi deney gerçekleştirdiler. orada tahmin edildikleri yerde zayıf döteryum çizgileri keşfetti (H çizgisine karşılık gelen dalga boyu A, 179,3 nm kaydırılmıştır) ve ağır izotop bakımından zenginleştirilmiş numuneler alındığında tartışmasız parlak çizgiler elde edilmiştir.

Sommerfeld, Bohr'un teorisini daha da geliştirerek, dairesel yörüngelerin yalnızca özel bir durum olduğunu ve Bohr'un önermelerinin eliptik yörüngeler için de geçerli olabileceğini belirtti. (Eliptik bir yörünge boyunca hareket ederken, azimut hızıyla birlikte hızın da radyal bir bileşeni vardır. Bu durumda hareket bir düzlemde gerçekleşir ve çekim merkezi odaklardan birinde bulunur.) Böylece, genelleştirilmiş dürtü için ben“periyodik koordinatlar” ile ilişkili iki niceleme koşulu uygulanır ki. (Periyodik koordinatların değişim bölgesi belirli bir periyotla tekrarlanır; örneğin bir elektronun çekirdeğe göre açısal konumu periyodik bir koordinatı temsil eder.) Genel olarak

Dolayısıyla yörüngenin var olabilmesi için momentumun koordinat üzerindeki periyottaki integralinin Planck sabitlerinin tam sayısına eşit olması gerekir. Eliptik bir yörünge boyunca hareket ederken iki bağımsız denklem vardır

Nerede p j– azimut ve pr– radyal dürtü. (Radyal dürtü pr kütle ile radyal hızın çarpımına eşittir ve bu da dairesel bir yörünge durumunda sıfırdır.) Gezegenlerin hareketini tanımlamak için geçerli olan eliptik yörüngeler boyunca hareketin klasik mekaniği iyi biliniyordu ve bu nedenle doğrudan kullanılabilirdi atomik yörüngeler durumunda. Newton mekaniğine göre, eliptik bir yörüngeden dairesel bir yörüngeye geçişe enerji seviyesinde bir değişiklik eşlik etmez, çünkü bir elips durumunda enerji yalnızca elipsin yarı ana eksenine bağlıdır ve bu da sırasıyla yalnızca bağlıdır

Yani sayı N(“temel kuantum sayısı”), dairesel olanlar da dahil olmak üzere belirli bir dizi eliptik yörünge için aynı enerjiye karşılık gelir; nY = 0.

Daha yüksek çözünürlükte alınan ölçümler, spektral çizgilerden oluşan "ince bir yapının" varlığını gösterdi (geniş bir "çizgi" aslında birkaç çizgiden oluşur). Bunun nedeni kısmen Sommerfeld'in elektronların ışık hızıyla karşılaştırılabilir hızlarda hareket ettiğini göstermesi ve bu nedenle Newton mekaniği yerine Einstein'ın görelilik mekaniğinin kullanılması gerektiği gerçeğiydi. Sonuç olarak, hızlar dışmerkezliğe bağlı olarak değiştiği için eliptik yörüngelerin enerjileri arasında çok az fark vardır. Düzeltme kuantum sayıları cinsinden ifade edilebilir N Ve nj:

ince yapı sabiti veya Sommerfeld sabiti denilen bir şey var. Yörüngenin eliptikliğine bağlı olarak bu küçük düzeltmelerin varlığı olası geçişlerin sayısını önemli ölçüde artırmaktadır. Tahmin edilen spektral çizgilerden bazılarının yokluğunu hesaba katmak için azimut kuantum sayısında değişikliklere izin veren "seçim kuralları"nın getirilmesi gerekliydi. nj yalnızca +1 veya -1 ile.

Böylece Sommerfeld'in yörünge hareketinin daha kesin mekaniğiyle desteklenen Bohr'un kuantum teorisi, çok çeşitli olguları açıklayabildi. Hidrojenin bir dizi spektral çizgisinin varlığı, ince yapılarının varlığı, gazlardaki elektronların elastik olmayan saçılımının özellikleri ve spektral çizgilerin izotopik kayması açıklığa kavuştu. Ek olarak, hidrojenin iyonlaşma potansiyelini (bir atomdan bir elektronu çıkarmak için gereken enerji) doğru bir şekilde hesaplamak mümkün oldu.

Ancak zorluklar hâlâ devam ediyordu. Bohr'un teorisi, hidrojen, tek iyonize helyum, çift iyonize lityum ve ayrıca örneğin sodyum (sodyum atomunun zayıf bağlı bir elektrona sahip olması nedeniyle) gibi tek elektronlu atomlar durumunda iyi sonuçlar verdi. Sodyumun hem spektrumu hem de kimyasal özellikleri), ancak iki elektronlu ve diğer çok elektronlu atomlara sahip sıradan helyum atomunu yeterince tanımlayamadı. Bohr'un atomdan atoma geçiş sırasında kimyasal ve fiziksel özelliklerde meydana gelen iyi bilinen değişiklikleri açıklama girişimleri de başarısızlıkla sonuçlandı. Son olarak Bohr'un önermeleri, örneğin elektron yörüngelerindeki açısal momentumun nicelenmesi tamamen keyfi görünüyordu.

Gerçek şu ki, o zamanlar karmaşık atomların yapısını anlamanın imkansız olduğu iki hüküm bilinmiyordu - Pauli dışlama ilkesi ve elektron spininin varlığı. Bu hükümler, dalga veya kuantum mekaniği adı verilen yeni bir mekaniğin yaratılmasıyla birlikte, atomun yapısının tam olarak anlaşılması için gerekliydi.

Atomun kuantum mekaniği.

Bohr'un teorisinin, kuantum varsayımlarının eklenmesiyle klasik parçacık mekaniğine dayanan eksiklikleri, elektronların küçük mesafelerdeki, örneğin bir atomun içindeki hareketini doğru bir şekilde tanımlamanın temel sorununu vurguladı. Işığın hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahip olduğu gerçeğine dayanarak (bazı olgularda, örneğin fotoelektrik etkiyle, bir parçacık akışı gibi davranır ve diğerlerinde, örneğin girişimle, bir dalga gibi davranır), L. de Broglie (1892 –1987) 1923'te dalga-parçacık ikiliğinin de maddenin karakteristiği olduğu hipotezini ileri sürdü. Kuantum teorisi, fotoelektrik etki sırasında ışık fotonlarının tanecikli davranışını atfettiğinden, atomlardaki elektronların "yörüngelerinde" dalga gibi davranabileceği varsayılabilir. De Broglie, bir dalganın yayılmasının, eğer onu kütlesi olan bir parçacığa atarsak, herhangi bir tür parçacığın hareketiyle "ilişkilendirilebileceği" sonucuna vardı. M ve hız v dalga boyu

ben = H/mv.

Parçacıkların dalga özelliklerinin deneysel olarak doğrulanması, 1927'de K. Davisson (1881–1958) ve L. Germer (1896–1971) tarafından keşfedilen elektron kırınımı olgusuydu. Bir elektron demetinin bir kristalin yüzeyinden yansıması sırasında elektronların açısal dağılımı yalnızca dalga kavramları temelinde açıklanabilir ve de Broglie tarafından öne sürülen dalga boyu ile hız arasındaki ilişkiyle uyum gözlemlendi.

De Broglie'nin ifade ettiği hipotezi takip eden dönemde kuantum mekaniğinin W. Heisenberg (1901–1976), E. Schrödinger (1887–1961) ve diğer teorisyenler tarafından geliştirilmesi, Bohr'un teorisindeki durumun açıklığa kavuşturulmasına yol açtı. Örneğin Bohr'un teorisinde "durağan durumların" durumu

mv Ch2 pr = nh

keyfi bir gereklilik niteliğindeydi. Artık tam sayıda de Broglie dalga boyunun bir elektronun periyodik yörüngesine uyması bir gereklilik olarak görünmektedir. İzin verilenler tam olarak bu gereksinimi karşılayan yörüngelerdir.

Hidrojen atomu için Schrödinger dalga denklemini çözerken, doğal olarak genellikle sembollerle gösterilen üç kuantum sayısı ortaya çıkar. N, ben Ve m l. Burada N– 0'dan büyük herhangi bir değer alabilen, elektronun baş kuantum sayısı olarak adlandırılan bir tam sayı. Bu sayıya karşılık gelir N, çeşitli Bohr yörüngelerini belirtir. Sayı ben(yörünge kuantum sayısı) da bir tamsayı olup 0'dan ('ye) kadar herhangi bir değer alabilir. N-1). Elektronun yörüngesel açısal momentumunu karakterize eder ve onunla yakından ilişkilidir. nj Bohr modelinde. Dalga denkleminin çözümünden, yalnızca elektronun yörüngesel açısal momentumunun değerlerinin aşağıdakilere eşit olmasına izin verildiği anlaşılmaktadır:

Sonuçta atomdaki elektronun durumunu karakterize eden 4 bağımsız kuantum sayısı elde ederiz:

N- Ana kuantum sayısı;

ben– yörünge kuantum sayısı;

m l– yörüngesel manyetik kuantum sayısı;

Hanım– spin manyetik kuantum sayısı.

Kuantum mekaniği, kuantum sayıları verildiğinde, bir durumun enerjisinin ve elektron olasılık yoğunluğunun (Bohr modelindeki yörüngelerin değiştirilmesiyle) uzaysal dağılımının belirlenmesine izin vermesine rağmen, her durumdaki elektron sayısını sabitlemek için daha ileri varsayımlar gereklidir.

1925'te W. Pauli (1900–1958), birçok atom olayını hemen açıklığa kavuşturan "yasaklama ilkesini" formüle etti. Basit bir kural önerdi: Her bir kuantum durumunda yalnızca bir elektron olabilir. Bu, verilere karşılık gelen sayı kümesinin N, ben Ve m l, bağlıdır N. Örneğin, ne zaman N= 1 yalnızca mümkündür ben= 0; buradan, m l= 0 ve durumlar arasındaki tek fark şunlardan kaynaklanmaktadır: Hanım= +1/2 ve -1/2. Tablo farklı durumlara karşılık gelen olasılıkları göstermektedir. N. İlk “kabuk”ta ( N= 1) sonraki kabukta 2 elektron var ( N= 2) iki alt kabuk oluşturan 8 elektron vardır, vb. Bir alt kabuktaki maksimum elektron sayısı 2(2) ben+ 1) ve maksimum alt kabuk sayısı N. Her biri için N tamamen dolu bir kabukta 2 tane bulunur N 2 elektron.

Pauli ilkesinin deneyle uygunluğu, çok sayıda spektroskopik gözlemin yanı sıra metallerin elektronik teorisinden, nükleer süreçlerin fiziğinden ve düşük sıcaklık olaylarından elde edilen çok sayıda veriyle doğrulandı. Karmaşık atomların elektronik yapısını anlamanın yolunu açan, fiziğin en temel birleştirici ilkelerinden biridir. Doğru, Pauli ilkesi yalnızca çeşitli elektron kabuklarının doldurulma olasılığını belirler ve belirli durumların fiili olarak doldurulduğunu doğrulamak için optik ve X-ışını spektrumlarından elde edilen verilere ihtiyaç vardır. Ancak argona kadar olan atomlarda Z= 18 her ek elektron, doldurulmamış alt kabukların en alttakine eklenir. Kabukları kısmen üst üste binen daha karmaşık atomlarda bu düzenden sapmalar gözlenir. Kuantum mekaniği bu sapmayı, en düşük enerjiye sahip durumların ilk önce doldurulduğunu söyleyerek açıklıyor.

Kuantum mekaniği ve ağır atomlardaki Pauli ilkesi açısından elektronların elektronik yapısının ve dağılımının ayrıntılı bir analizi çok karmaşıktır. Durum 1 için S (N = 1, ben= 0), yalnızca küresel simetrik bir dağılım mümkündür (ve elektronun en olası konumu atomun merkezindedir). 2. durumda P (N = 2, ben= 1) elektronun açısal momentumu artık sıfır değildir ve bu nedenle maksimum yoğunluk çekirdeğe sıfır olmayan bir mesafede bulunur. Elektron yoğunluğu dağılımı kuantum sayısına bağlıdır m l açısal momentum bileşenlerinin manyetik alanın yönü boyunca nicelendirilmesi gerekliliğine uygun olarak.

Elementlerin periyodik tablosu.

Nötr bir atomun kabuğundaki elektron sayısına, çekirdeğindeki proton sayısına eşit olan elementin atom numarası denir. 1869'da D.I. Mendeleev (1834–1907) tarafından önerilen periyodik element tablosu, elementlerin artan atom numaralarına göre düzenlendiği ve benzer kimyasal özelliklere sahip atomların aynı gruba gireceği şekilde periyotlara dağıtıldığı bir tablodur. Örneğin helyum, neon, argon, kripton, ksenon ve radon içeren grup soy gazlar grubunu oluşturur; Bunlar dolu elektron kabuklarına sahip atomlardır ve dolu bir kabuktan bir elektronu çıkarmak, ona fazladan bir elektron eklemek kadar zordur. Ayrıca bu gazlar tek atomludur; molekülleri bir atomu temsil eder.

Atomların kimyasal özellikleri büyük ölçüde dış elektronları tarafından belirlenir. Tablonun argon'a (atom numarası Z= 18), başka bir elektron eklendiğinde Z= 18 en alttaki alt kabuk sırayla doldurulur. Sonrasında tablonun önemli bir komplikasyonu Z= 18, alt kabukları doldurma sırasının karmaşıklığı ile açıklanmaktadır. Elektron sayısının çok olduğu durumlarda kuantum mekaniği denklemlerinin kesin çözümleri elde edilememekte ve yaklaşık yöntemler kullanılmaktadır. Bir yaklaşım, sodyum gibi, tam kabuğunun dışında tek elektrona sahip bir atomun, Z= 11, “tek elektronlu” bir atom olarak kabul edilir. Gerçekten de, Bohr'un basitleştirilmiş teorisi (önemi hesaba katacak şekilde değiştirilmiştir) N= 3 elektron durumu için) seviyelerin enerjisi için oldukça doğru değerler verir (ancak çizgi bölünmesi için değil).

Atomik yapının daha fazla incelenmesi.

Şu anda atomların elektronik yapısı prensipte açıklanmıştır, ancak çok elektronlu atomların özellikleri yalnızca yaklaşık olarak hesaplanabilmektedir. Kuantum mekaniği tek tek atomların bilinen tüm özelliklerini açıklar. Özellikle katılarda atomların etkileşimi aktif olarak araştırılmaktadır. Makale atom çekirdeğinin yapısına ayrılmıştır.

1. Bir atom, bir çekirdek ve bir elektron kabuğundan oluşur. Çekirdek proton ve nötronlardan oluşur ve elektron kabuğu elektronlardan oluşur. Çekirdeğin yarıçapı atomun yarıçapından yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür.

2. Elektronun kütlesi, proton ve nötronun kütlelerine kıyasla önemsiz olduğundan, ihmal edilebilir, yani atomun kütlesi ( denir) kütle Numarası) çekirdekte yoğunlaşmıştır:

M'de = m p + m n + m e

3. Çekirdek protonlar nedeniyle pozitif yüklüdür.

4. Elektronlar negatif yüklüdür ve çekirdek etrafında ve kendi eksenleri etrafında saat yönünde veya saat yönünün tersine dönerler. Elektronun kendi ekseni etrafındaki hareketine “spin” denir.

5. Proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan atom elektriksel olarak nötr olacaktır. Periyodik tablodaki bir atom her zaman elektriksel olarak nötrdür.

6. Proton sayısı, PSHE tablosundaki (Kimyasal Elementlerin Periyodik Tablosu) elementin sıra numarasına karşılık gelir.

7. Nötron sayısı: n n = m at – n p (atom kütlesi eksi proton sayısı).

Seri numarası

Bağıl kütle

56 26 Fe (26р + ; 30n 0) 26e -

Proton sayısı değiştiğinde farklı bir kimyasal element oluşur.

Kimyasal element aynı sayıda protona sahip bir atom türüdür, yani aynı nükleer yüke sahip.

Nötron sayısı değiştiğinde element değişmez, ancak kütlesi değişir ve bir izotop oluşur.

İzotoplar- bunlar, belirli bir kimyasal elementin atomunun çeşitleridir, atomun kütlesi bakımından farklılık gösterir, yani aynı sayıda protona sahip, ancak farklı sayıda nötron içeren atomlar.

Örneğin, hidrojen elementinin üç izotopu vardır: protium (1 1 H), döteryum (1 2 H) ve trityum (1 3 H). İlk ikisi doğada bulunur, trityum yapay olarak elde edilir. Kimyasal elementlerin büyük çoğunluğu, her birinin değişen yüzdelerine sahip, değişen sayıda doğal izotopa sahiptir.

Periyodik tabloda verilen bir elementin bağıl atom kütlesi, bu izotopların her birinin yüzde içeriği dikkate alınarak, belirli bir elementin doğal izotoplarının kütle sayılarının ortalama değeridir. Bir kimyasal elementin tüm izotoplarının kimyasal özellikleri aynıdır. Sonuç olarak, bir elementin kimyasal özellikleri atom kütlesine değil çekirdeğin yüküne bağlıdır.

Elektron sayısı değiştiğinde ne element ne de kütlesi değişir, ancak atomun yükü değişir ve iyonlar oluşur.

iyonlar- Bunlar, belirli bir kimyasal elementin aynı sayıda protona ancak farklı sayıda elektrona sahip yüklü atom çeşitleridir.

Galyum izotop katyonu

Bohr, bir atomdaki elektronların yalnızca çekirdekten kesin olarak belirli mesafelerde uzaklaştırılan yörüngelerde kararlı bir şekilde var olabileceğini öne sürdü. Bu yörüngelere sabit adını verdi. Sabit yörüngelerin dışında bir elektron var olamaz. Bohr o zaman bunun neden böyle olduğunu açıklayamamıştı. Ancak böyle bir modelin birçok deneysel gerçeği açıklamayı mümkün kıldığını gösterdi; örneğin kimyasal reaksiyonlar sırasında elektronun seviyeden seviyeye geçişi nedeniyle ısının neden serbest bırakıldığı veya emildiği. Atomik yapının bu modeline “Bohr modeli” denir.

Kuantum mekaniği daha fazlasını tanıttı atom yapısının modern modeli.

Şu anda, modern kuantum mekaniği kavramlarına göre, elektronlar aynı anda hem parçacık hem de dalga özelliklerine, yani dalga-parçacık ikiliğine (elektron aynı anda hem parçacık hem de dalgadır) sahiptir ve dönerken oluşurlar. çeşitli şekillerde elektron bulutları.

Bir atomdaki elektronun hareketi.

Kuantum mekaniğine göre, Bir elektron bulutunda elektron bulma olasılığının en yüksek olduğu uzay bölgesine ne ad verilir? orbital.

Elektron bulutu şekilleri:

F yörüngesi daha karmaşık bir şekle sahiptir.

1. S-elektron bulutu şekli ( S– “keskin” - keskin, belirgin) ( S-orbital) – “küresel” tip.

2. P elektron bulutu şekli ( P– “ana” - ana) ( P-orbital) – bir tür “hacimsel simetrik sekiz rakamı”.

Atom, bir kimyasal elementin özelliklerinin taşıyıcısı olan, kimyasal olarak bölünemeyen en küçük parçasıdır. Bir atom, elektronlardan ve yüksüz nötronlardan ve pozitif yüklü protonlardan oluşan bir atom çekirdeğinden oluşur. Elektron ve proton sayısı aynı ise atom elektriksel olarak nötrdür. Aksi halde negatif ya da pozitif yüke sahiptir, bu durumda buna iyon adı verilir.

Atomlar, çekirdekteki nötron ve proton sayısına göre sınıflandırılır: nötronların sayısı, kimyasal bir elementin herhangi bir izotopuna, proton sayısına - doğrudan bu elemente ait olduğunu belirler. Belirli atomlar arası bağlarla birbirine bağlanan, farklı miktarlardaki farklı türdeki atomlar molekülleri oluşturur.

Atom kavramı ilk olarak eski Yunan ve eski Hint filozofları tarafından formüle edildi. 17. ve 18. yüzyıllarda kimyagerler, bazı maddelerin daha sonra özel kimyasal yöntemler kullanılarak daha küçük elementlere parçalanamayacağı yönündeki bu hipotezi deneysel olarak doğrulamayı başardılar. Ancak 19. yüzyılın sonlarında ve 20. yüzyılın başlarında fizikçiler atom altı parçacıkları keşfettiler ve ardından atomun aslında "bölünemez bir parçacık" olmadığı netleşti. 1860 yılında Almanya'nın Karlsruhe şehrinde atom ve molekül kavramlarının tanımı konusunda bir dizi kararın alındığı uluslararası bir kimyagerler kongresi düzenlendi. Sonuç olarak atom, karmaşık ve basit maddelerin bir parçası olan kimyasal bir elementin en küçük parçacığıdır.

Atom modelleri

Thomson'un atom modeli. Atomu, elektronlar içeren pozitif yüklü bir cisim olarak düşünmeyi önerdi. Bu hipotez, alfa parçacıklarını saçtığı ünlü deneyini gerçekleştiren ünlü bilim adamı Rutherford tarafından nihayet çürütüldü.

Madde parçaları. Antik Yunan bilim adamı Demokritos, bir maddenin özelliklerinin kütlesi, şekli ve onu oluşturan atomların benzer özellikleriyle belirlenebileceğine inanıyordu. Örneğin ateşin keskin atomları vardır, bunun sonucunda yanabilir ve katı cisimlerde kabadırlar, bu yüzden birbirlerine sıkı sıkıya yapışırlar, suda pürüzsüzdürler ve bu nedenle akabilirler. Demokrti ayrıca insan ruhunun atomlardan oluştuğuna inanıyordu.

Nagaoka'nın atomun erken gezegen modeli. 1904'te Japonya'dan Hantaro Nagaoka'dan fizikçiler, Satürn'e doğrudan benzetmeyle inşa edilmiş böyle bir atom modelini önerdiler. Bu modelde elektronlar küçük bir pozitif çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde dönüyor ve halkalar halinde birleşiyordu. Ancak bu model yanlıştı.

Atomun Bohr-Rutherford gezegen modeli. Ernest Rutherford 1911'de çeşitli deneyler yaptı ve ardından atomun, elektronların atomun merkezinde yer alan ağır, pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde hareket ettiği bir tür gezegen sistemi olduğu sonucuna vardı. Ancak böyle bir açıklama klasik elektrodinamikle çelişiyordu. İkincisine göre, bir elektron merkezcil ivmeyle hareket ederken bir miktar elektromanyetik dalga yaymak zorundadır ve bunun sonucunda bir miktar enerji kaybeder. Hesaplamaları, böyle bir atomda bir elektronun çekirdeğe düşmesi için gereken sürenin kesinlikle ihmal edilebilir olduğunu gösterdi.

Atomların kararlılığını açıklamak için Niels Bohr, bir atomun elektronunun belirli enerji durumlarında olduğunda enerji yaymadığı gerçeğine indirgenen bir dizi özel varsayım sunmak zorunda kaldı ("Bohr-Rutherford") atom modeli”). Bohr'un önermeleri, klasik mekaniğin atomun özelliklerini ve tanımını tanımlamak için uygulanamayacağını gösterdi. Atomik radyasyonun daha sonraki incelenmesi, kuantum mekaniği gibi bir fizik dalının yaratılmasına yol açtı ve bu, çok sayıda gözlemlenen gerçeği açıklamayı mümkün kıldı.

Atomun kuantum mekanik modeli

Modern atom modeli, gezegen modelinin geliştirilmiş halidir. Bir atomun çekirdeği yüksüz nötronlar ve pozitif yüklü protonlar içerir ve negatif yüklü elektronlarla çevrilidir. Ancak kuantum mekaniğinin kavramları, elektronların çekirdeğin etrafında belirli bir yörünge boyunca hareket ettiğini iddia etmeyi mümkün kılmaz.
Bir atomun kimyasal özellikleri kuantum mekaniğiyle tanımlanır ve elektron kabuğunun konfigürasyonuyla belirlenir. Mendeleev'in periyodik kimyasal elementler tablosundaki bir atomun konumu, çekirdeğinin elektrik yüküne göre belirlenir; Proton sayısı ve nötron sayısının kimyasal özellikler üzerinde temel bir etkisi yoktur. Atomun büyük kısmı çekirdekte yoğunlaşmıştır. Bir atomun kütlesi, eşit özel atomik kütle birimleriyle ölçülür.

Atomun özellikleri

Aynı sayıda protona sahip olan herhangi iki atom aynı kimyasal elemente aittir. Proton sayıları aynı fakat nötron sayıları farklı olan atomlara o elementin izotopları denir. Örneğin, bir hidrojen atomu bir proton içerir, ancak nötron veya bir nötron (döteryum) veya iki nötron (trityum) içermeyen izotoplar da vardır. Bir protona sahip olan hidrojen atomundan başlayıp, 118 proton içeren ununoktiyum atomuna kadar uzanan kimyasal elementler, çekirdekteki proton sayısına göre sürekli bir doğal seri oluşturur. Elementlerin radyoaktif izotopları periyodik tablonun 83. sayısıyla başlar.

Bir atomun geri kalan kütlesi atomik kütle birimleri (dalton) cinsinden ifade edilir. Bir atomun kütlesi yaklaşık olarak atomik kütle birimi ile kütle numarasının çarpımına eşittir. En ağır izotop kütlesi 207.976 a olan kurşun-208'dir. yemek yemek.
Bir atom kabuğunun dış elektron kabuğu, eğer tamamen doldurulmamışsa değerlik kabuğu, elektronlarına da değerlik elektronları denir.

Kimya, maddelerin ve onların birbirlerine dönüşümlerinin bilimidir.

Maddeler kimyasal olarak saf maddelerdir

Kimyasal olarak saf bir madde, aynı niteliksel ve niceliksel bileşime ve aynı yapıya sahip moleküllerin topluluğudur.

CH3 -O-CH3 -

CH3-CH2-OH

Molekül - bir maddenin tüm kimyasal özelliklerine sahip en küçük parçacıkları; bir molekül atomlardan oluşur.

Atom, moleküllerin oluşturulduğu kimyasal olarak bölünemez bir parçacıktır. (soylu gazlar için molekül ve atom aynıdır, He, Ar)

Bir atom, etrafında negatif yüklü elektronların kesin olarak tanımlanmış yasalara göre dağıtıldığı pozitif yüklü bir çekirdekten oluşan elektriksel olarak nötr bir parçacıktır. Ayrıca elektronların toplam yükü çekirdeğin yüküne eşittir.

Bir atomun çekirdeği, herhangi bir yük taşımayan pozitif yüklü protonlardan (p) ve nötronlardan (n) oluşur. Nötron ve protonların ortak adı nükleonlardır. Proton ve nötronların kütleleri hemen hemen aynıdır.

Elektronlar (e -), bir protonun yüküne eşit bir negatif yük taşırlar. E'nin kütlesi proton ve nötronun kütlesinin yaklaşık %0,05'idir. Böylece bir atomun tüm kütlesi çekirdeğinde yoğunlaşmıştır.

Bir atomdaki çekirdeğin yüküne eşit olan p sayısına seri numarası (Z) denir, çünkü atom elektriksel olarak nötrdür; e sayısı p sayısına eşittir.

Bir atomun kütle numarası (A), çekirdekteki proton ve nötronların toplamıdır. Buna göre bir atomdaki nötron sayısı A ile Z arasındaki farka (atomun kütle numarası ve atom numarası (N=A-Z)) eşittir.

17 35 Cl р=17, N=18, Z=17. 17р + , 18n 0 , 17е - .

Nükleonlar

Atomların kimyasal özellikleri, atom numarasına (nükleer yük) eşit olan elektronik yapıları (elektron sayısı) ile belirlenir. Bu nedenle aynı nükleer yüke sahip tüm atomlar kimyasal olarak aynı şekilde davranır ve aynı kimyasal elementin atomları olarak hesaplanır.

Bir kimyasal element aynı nükleer yüke sahip atomların topluluğudur. (110 kimyasal element).

Aynı nükleer yüke sahip olan atomlar, çekirdeklerindeki farklı sayıda nötronla ilişkili kütle numarası bakımından farklılık gösterebilir.

Z'leri aynı fakat kütle numaraları farklı olan atomlara izotop denir.

17 35 Cl 17 37 Cl

Hidrojen H izotopları:

Tanım: 1 1 N 1 2 D 1 3 T

Adı: protium döteryum trityum

Çekirdek bileşimi: 1р 1р+1n 1р+2n

Protium ve döteryum kararlıdır

Trityum bozunmaları (radyoaktif) Hidrojen bombalarında kullanılır.

Atomik kütle birimi. Avogadro'nun numarası. Mol.

Atomların ve moleküllerin kütleleri çok küçüktür (yaklaşık 10 -28 ila 10 -24 g); bu kütleleri pratik olarak görüntülemek için, uygun ve tanıdık bir ölçeğe yol açacak şekilde kendi ölçüm biriminizi girmeniz önerilir.

Bir atomun kütlesi, neredeyse eşit kütleye sahip proton ve nötronlardan oluşan çekirdeğinde yoğunlaştığından, bir nükleonun kütlesini atom kütlesinin bir birimi olarak almak mantıklıdır.

Atom ve moleküllerin kütle birimi olarak çekirdeğin simetrik yapısına (6p+6n) sahip olan karbon izotopunun on ikide birini almayı kabul ettik. Bu birime atom kütle birimi (amu) denir ve sayısal olarak bir nükleonun kütlesine eşittir. Bu ölçekte atomların kütleleri tam sayı değerlerine yakındır: He-4; Al-27; Ra-226 sabah……

1 amu'nun kütlesini gram cinsinden hesaplayalım.

1/12 (12°C) = =1,66*10 -24 g/a.u.m

1g'de kaç amu bulunduğunu hesaplayalım.

N A = 6,02 *-Avogadro sayısı

Ortaya çıkan orana Avogadro sayısı denir ve 1g'de kaç amu bulunduğunu gösterir.

Periyodik Tabloda verilen atom kütleleri amu cinsinden ifade edilir.

Moleküler kütle, bir molekülün amu olarak ifade edilen kütlesidir ve belirli bir molekülü oluşturan tüm atomların kütlelerinin toplamı olarak bulunur.

m(1 molekül H2S04)= 1*2+32*1+16*4= 98 a.u.

Kimyada pratik olarak kullanılan amu'dan 1 g'a geçmek için, her bir bölüm yapısal birimlerin (atomlar, moleküller, iyonlar, elektronlar) N A sayısını içeren bir madde miktarının bölüm hesaplaması tanıtıldı. Bu durumda 1 mol olarak adlandırılan böyle bir kısmın gram cinsinden kütlesi sayısal olarak amu cinsinden ifade edilen atomik veya moleküler kütleye eşittir.

1 mol H 2 SO 4'ün kütlesini bulalım:

M(1 mol H2S04)=

98a.u.m*1.66**6.02*=

Gördüğünüz gibi moleküler ve molar kütleler sayısal olarak eşittir.

1 mol– Avogadro sayısı kadar yapısal birim (atomlar, moleküller, iyonlar) içeren bir maddenin miktarı.

Molekül ağırlığı(M)- Bir maddenin 1 molünün gram olarak ifade edilen kütlesi.

Madde miktarı - V (mol); maddenin kütlesi m(g); molar kütle M(g/mol) - şu ilişkiyle ilişkilidir: V=;

2H 2 O+ Ç 2 2H 2 Ö

2 mol 1 mol

2.Kimyanın temel kanunları

Bir maddenin bileşiminin sabitlik yasası - kimyasal olarak saf bir madde, hazırlama yöntemine bakılmaksızın her zaman sabit bir niteliksel ve niceliksel bileşime sahiptir.

CH3+2O2=CO2+2H2O

NaOH+HCl=NaCl+H2O

Sabit bileşime sahip maddelere daltonitler denir. Bir istisna olarak, bileşimi değişmeyen maddeler bilinmektedir - bertolitler (oksitler, karbürler, nitrürler)

Kütlenin korunumu yasası (Lomonosov) - reaksiyona giren maddelerin kütlesi her zaman reaksiyon ürünlerinin kütlesine eşittir. Bundan, reaksiyon sırasında atomların kaybolmadığı ve oluşmadığı, bir maddeden diğerine geçmediği sonucu çıkar. Bir kimyasal reaksiyonun denklemindeki katsayıların seçiminin temeli budur; denklemin sol ve sağ taraflarındaki her bir elementin atom sayısı eşit olmalıdır.

Eşdeğerler kanunu - kimyasal reaksiyonlarda maddeler eşdeğerlerine eşit miktarlarda reaksiyona girer ve oluşur (Bir maddenin kaç eşdeğeri tüketilir, tam olarak aynı sayıda eşdeğer başka bir maddeden tüketilir veya oluşturulur).

Eşdeğer, bir reaksiyon sırasında bir mol H atomu (iyon) ekleyen, değiştiren veya serbest bırakan madde miktarıdır. Gram cinsinden ifade edilen eşdeğer kütleye eşdeğer kütle (E) denir.

Gaz kanunları

Dalton kanunu: Bir gaz karışımının toplam basıncı, gaz karışımının tüm bileşenlerinin kısmi basınçlarının toplamına eşittir.

Avogadro Yasası: Aynı koşullar altında farklı gazların eşit hacimleri eşit sayıda molekül içerir.

Sonuç: Normal koşullar altında herhangi bir gazın bir molü (t=0 derece veya 273K ve P=1 atmosfer veya 101255 Pascal veya 760 mm Hg. Col.) V=22,4 litre kaplar.

Bir mol gazda yer alan V'ye molar hacim Vm denir.

Verilen koşullar altında gazın (gaz karışımı) hacmini ve Vm'yi bilerek, gaz miktarını (gaz karışımı) =V/Vm hesaplamak kolaydır.

Mendeleev-Clapeyron denklemi, gaz miktarını gazın bulunduğu koşullarla ilişkilendirir. pV=(m/M)*RT= *RT

Bu denklemi kullanırken tüm fiziksel büyüklükler SI cinsinden ifade edilmelidir: p-gaz basıncı (pascal), V-gaz hacmi (litre), m-gaz kütlesi (kg), M-molar kütle (kg/mol), T- mutlak ölçekte sıcaklık (K), Nu-gaz miktarı (mol), R-gaz sabiti = 8,31 J/(mol*K).

D - bir gazın diğerine göre göreceli yoğunluğu - standart olarak seçilen M gazının M gazına oranı, bir gazın diğerinden kaç kat daha ağır olduğunu gösterir D = M1 / ​​M2.

Bir madde karışımının bileşimini ifade etme yöntemleri.

Kütle fraksiyonu W - maddenin kütlesinin tüm karışımın kütlesine oranı W=((m karışım)/(m çözelti))*%100

Mol fraksiyonu æ, madde sayısının tüm maddelerin toplam sayısına oranıdır. Karışımın içinde.

Doğadaki çoğu kimyasal element farklı izotopların karışımı halinde bulunur; Bir kimyasal elementin mol kesirleri cinsinden ifade edilen izotopik bileşimi bilinerek, bu elementin atom kütlesinin ISHE'ye dönüştürülen ağırlıklı ortalama değeri hesaplanır. А= Σ (æi*Аi)= æ1*А1+ æ2*А2+…+ æn*Аn, burada æi, i-inci izotopun mol kesridir, Аi, i-inci izotopun atom kütlesidir.

Hacim fraksiyonu (φ), Vi'nin tüm karışımın hacmine oranıdır. φi=Vi/VΣ

Gaz karışımının hacimsel bileşimi bilinerek gaz karışımının Mav'ı hesaplanır. Мср= Σ (φi*Mi)= φ1*М1+ φ2*М2+…+ φn*Мn