§ 37. Атомы

Здесь мы не имеем в виду давать подробное изложение вопросов атомной физики. Мы изложим пока некоторые самые основные сведения о строении вещества, необходимые для дальнейшего.

Как известно, все тела состоят из некоторого, не очень большого числа простых веществ — химических элементов. Наименьшей частицей каждого элемента является его атом.

Массы атомов чрезвычайно малы. Поэтому их удобнее измерять не в граммах, а в специальных единицах. Такой единицей было бы естественно выбрать массу наиболее легкого атома — атома водорода. В качестве точного эталона атомных весов принято, однако, пользоваться атомом не водорода, а более удобного для химических целей кислорода. Атом кислорода примерно в 16 раз тяжелее атома водорода, и в качестве единицы атомного веса принята 1/1в часть массы этого атома (это определение будет еще несколько уточнено в § 38). Масса атома какого-либо элемента, выраженная в таких единицах, называется атомным весом элемента и обозначается обычно буквой А. Атомный вео водорода равен 1,008.

Масса атома, выраженная в граммах, попорциональна его атомному весу. Ясно поэтому, что если взять число граммов какого-либо элемента, равное его атомному весу (или, как говорят, грамм-атом элемента), то содержащееся в этом количестве вещества число атомов будет одинаковым для всех элементов. Это число называется числом Авогадрб и равно

Очевидно, что масса атома с атомным весом А равна

Хотя атом представляет собой наименьшую частицу элемента, сам по себе он имеет сложную структуру. Атом состоит из сравнительно тяжелого положительно заряженного атомного ядра и движущихся вокруг него значительно более легких отрицательно заряженных частиц — электронов, составляющих, как говорят, электронную оболочку атома. Ядра различных атомов отличаются друг от друга, электроны же все абсолютно одинаковы.

Масса электрона настолько меньше массы ядра, что практически вся масса атома сконцентрирована именно в его ядре. Наиболее легкое из ядер — ядро атома водорода, называемое протоном, примерно в 2000 раз (точнее в 1837 раз) тяжелее электрона. В абсолютном выражении масса электрона составляет

т = 9,1Ы0-28г.

В то же время ядро занимает лишь ничтожную часть объема атома. Радиусы атомов, т. е. радиусы области вокруг ядра, в которой движутся электроны, порядка Ю-8 см. Радиусы же ядер в десятки тысяч раз меньше, между Ю-13 и 10~12 см.

Заряд электрона по своей абсолютной величине равен

Во многих случаях приходится встречаться с зарядом электрона, умноженным на число Авогадро, т. е. с зарядом одного «грамм-электрона». Это произведение называется постоянной Фарадея и равно

Атом в целом электрически нейтрален, его полный заряд равен нулю. Другими словами, положительный заряд ядра в точности компенсируется отрицательным зарядом окружающих электронов. Это значит, что заряд ядра всегда составляет целое кратное заряда электрона. Можно сказать, что величина заряда электрона представляет собой элементарный заряд; заряды всех вообще существующих в природе частиц кратны ему. Это — одно из наиболее глубоких физических свойств материи.

Заряд ядра, выраженный в единицах заряда электрона, называется атомным номером элемента и обозначается обыч-

но буквой Z. Поскольку заряд ядра как раз компенсируется зарядом электронов, то число Z есть в то же время и число электронов в электронной оболочке атома.Все свойства атомов, проявляющиеся в обычных условиях, всецело определяются их электронными оболочками. Сюда относятся, например, химические и оптические свойства вещества. Ясно поэтому, что атомный номер представляет собой основную характеристику атома, в значительной степени определяющую его свойства. Расположение элементов в периодической системе Менделеева есть как раз расположение в порядке возрастания их атомных номеров; атомный номер совпадает с порядковым номером положения элемента в этой таблице.

Силы взаимодействия, определяющие структуру атома, являются в основном силами электрического взаимодействия электронов с ядром и между собой: электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Другие силы (магнитные) играют в атоме сравнительно второстепенную роль. Заряд ядра, а тем самым и электрическое поле, в котором движутся электроны, определяется атомным номером,— в этом снова выявляется фундаментальная роль этого числа для свойств атома.

Совершенно никакой роли не играет в атоме гравитационное взаимодействие. Действительно, энергия электрического взаимодействия, например, между двумя электронами на расстоянии г друг от друга есть е2/г, а энергия гравитационного взаимодействия равна Gm2/r; отношение этих двух величин

Это число столь мало, что говорить о гравитационном взаимодействии в атоме не имеет никакого смысла.

Свойства атомов ни в какой степени не могут быть описаны с помощью классической механики — эта механика не в состоянии объяснить не только структуру атома, но и самый факт его существования как устойчивого образования. Классическая механика оказывается совершенно неприменимой к движению частиц столь малой массы, как электроны, происходящему в таких малых областях пространства, как размеры атома. Атомные явления могут быть

поняты лишь на основании законов совершенно иной механики, так называемой квантовой механики.

Под влиянием тех или иных внешних воздействий атом может потерять из своей электронной оболочки один или более электронов. Тогда мы получим уже не электрически нейтральную, а заряженную атомную частицу — положительно заряженный ион. Энергию, которую необходимо затратить для удаления из атома первого наружного электрона, называют ионизационным потенциалом атома.

Для измерения энергий в атомных явлениях пользуются обычно особой единицей, так как эрг являлся бы для этой цели слишком большой величиной. Эта единица представляет собой энергию, приобретаемую электроном при прохождении им в электрическом поле разности потенциалов в один вольт; она называется электрон-вольтом (эв). Поскольку производимая электрическим полем работа равна произведению величины заряда на разность потенциалов, а 1 вольт составляет 1/300 часть СГСЭ единицы потенциала, то электрон-вольт составляет

В электрон-вольтах измеряются и ионизационные потенциалы атома. Они колеблются в пределах от наименьшего 3,89 эв для атома цезия до наибольшего 24,6 эв для атома гелия. Ионизационный потенциал атома водорода равен 13,6 эв.

Если рассматривать ионизационный потенциал атома как функцию его атомного номера, то оказывается, что эта функция имеет очень своеобразный периодический характер. Она более или менее монотонно возрастает в каждом периоде таблицы Менделеева, достигая наибольшего значения в атоме благородного газа, и затем резко падает к началу следующего периода. Это является одним из главных проявлений периодических свойств атомов, которые дали таблице атомов название периодической системы.

Величина ионизационного потенциала характеризует собой энергию связи внешних электронов в атоме. Электроны же внутренние, движущиеся в глубине оболочки атома, обладают значительно большими энергиями связи. Энергия, которую надо было бы затратить для удаления из

электронной оболочки наиболее глубоких электронов, достигает в тяжелых атомах 104—105 эв.

Наряду с положительно заряженными ионами могут существовать также отрицательные атомные ионы, т. е. ионы, в которых атом присоединяет к себе лишний электрон. Однако далеко не всякий изолированный атом способен образовать устойчивую систему при присоединении электрона; не все атомы обладают, как говорят, сродством к лишнему электрону. Могут образовывать отрицательные ионы лишь атомы элементов группы галоидов (F, 01, Br, I), включая водород, и элементов группы кислорода (0,S,Se,Te). Сродство к электрону у этих элементов различно — наибольшее у галоидов и наименьшее у водорода, где энергия связи в отрицательном ионе составляет всего около 0,1 эв.

Ионы принято обозначать символом химического элемента с индексами + или —, повторенными в числе, равном заряду иона: Н + , СР и т. п. (вместо индексов + и — иногда пишут точки и штрихи: Н', СГ).