Атомның құрамы мен құрылысы

Атом құрамы мен құрылысы

Атом бүтіндей алғанда зарядсыз, бейтарап бөлшек. Ол ортасында өзінен радиусы 10⁴ -10⁵ есе кіші көлемді алып жатқан оң зарядты ядродан және оны айнала қозғалып жүрген теріс зарядты электрондардан тұрады. Атом өзінің сыртқы бір немесе бірнеше электрондарын жоғалтқанда оң, ал сырттан электрон қосып алғанда теріс ионға айналады. Атомның сызықтық өлшемдері ~ 10^-8 см, көлденең қимасының ауданы ~10^-16 см², көлемі ~10^-24 см³. Борлық атом теориясында ең қарапайым атом – сутегі атомы. Оның радиусының дәл белгілі бір мәні бар және ол мүмкін болатын ең кіші айналу орбитасының радиусы шамасына тең: a=0.53 * 10⁻⁸ см (дәлірек, 0.52917*10^-8 см). Атомның массасы, негізінен оның ядросының массасына тең және ол массалық санға (А), яғни протондар мен нейтрондардың жалпы санына (нуклондардың жалпы санына) пропорционал болып ұлғаяды. Өйткені атомдағы электронның массасы (0.91*10^-20 г) бір протонның немесе нейтронның массасынан (1.67*10^-24 г) 1.840 есе аз. Сондықтан атомның ауырлық орталығы ядроға дәлдей келеді. Атом массасы ядро массасымен ондағы электрондар массаларының дәл қосындысына тең емес. Олардың арасындағы айырым атомның байланыс энергиясын анықтайды. Атомның ішкі энергиясының тек дискретті (үздікті) мәндері болады. Оның ең төменгі деңгейі атомның негізгі күйі E₁ (ол ең тұрақты, шексіз ұзақ өмір сүретін күйі), ал жоғарғы энергия деңгейлері қозған күйлер Е_і (і=2, 3, …) деп аталады, (ол аз өмір сүреді). Қозған күйден ~10^-8 сек. ішінде атом негізгі күйге ауысып отырады. Осындай ауысу кезінде атомға осы екі деңгейінің айырымына тең (hν=E_ν-E₁, мұндағы h – Планк тұрақтысы, ν – ұшып шыққан сәуле квантының жиілігі) сырттан энергия берілуі не шығарылуы шарт. Атом энергиясының дискретті квантталуы оның құрамындағы бөлшектердің толқындық қасиетінің болуынан. Атомның осындай қасиеттерін кванттық теория ғана толық түсіндіре алады. Бұл теория бойынша атомдағы электронның күйі 4 кванттық санмен анықталады. Олар: электрон энергиясын анықтайтын бас кванттық сан (n), атомның осындай импульс моментін анықтайтын орбиталық кванттық сан (l), ал (l)-дың берілген оське түсірілген проекциясын анықтайтын магниттік кванттық сан (m) және электронның ішкі спинін анықтайтын кванттық сан (m_s).^[1]

Осы 4 кванттық сан мен Паули принципі атомдағы электрондардың барлық күйлерін сипаттайды. Сонымен бірге кванттық теорияда микробөлшектердің сол 4 кванттық сан анықтайтын күйлерін толқындық функциямен (φ) өрнектейді. Ол функцияның квадраты (|φ|²) бөлшектердің кеңістік нүктелерінде болу ықтималдығын білдіреді. Кеңістіктегі электрон бұлтының тығыздығы осы ықтималдыққа пропорционал. Кванттық сандардың мәндеріне сәйкес атомдардағы қабықшалар мен қабаттар рет-ретімен толтырылып отырады. Осылайша элементтердің Менделеев кестесіндегі орны анықталады. Алдымен ең кіші n=1 қабат толтырып, онда болғаны 2 электрон ғана орналасады. Онан кейін n=2 қабат толтырылғанда ядроның заряды өсуіне сәйкес қабаттар ядроға жақындай түседі. 1-қабат 1s қабықшадан, 2-қабат 2s, 2p қабықшалардан, 3-қабат 3s, 3p, 3d қабықшалардан, т.с.с. тұрады. Әр қабат элементтің периодын анықтайды. Осы период элементтердің химиялық, оптикалық, электрлік және магниттік қасиеттерінің қайталану периоды болып табылады. Осы периодтылық атомның ең сыртқы электрон қабықшаларының қасиетімен анықталады. Мұндай периодтылық иондар қасиетінде де сақталады.

Атомның орбиталарында 2 не одан да көп электрондар қозғалып жүрсе, онда мұндай күрделі атомдардағы электрондардың өзара әсерлесуін де еске алу керек. Ол әсерлесулер тек электр статикалық ғана емес, орбиталық магниттік моменттер мен бөлшектердің өзінің ішкі магниттік моменттері де өзара әсерлесуі мүмкін. Мысалы, гелий атомындағы 2 электронның негізгі күйдегі әсерлесу энергиясы 78.98 эВ. Көп электронды атомдар құрылысын зерттегенде бұларды есепке алып отырады. Сонымен бірге әр электронның орбита бойымен қозғалысында туатын электр магниттік өрісі мен электронның ішкі магниттік моменттерінің әсерлесуі де қосымша байланыс энергиясын тудырады. Осының нәтижесінде атом спектрлерінде нәзік түзілісті, ал электрон мен ядроның магниттік моменттерінің өзара әсерлесуінен аса нәзік түзілісті көреміз. Қазіргі замандағы кванттық электр динамикасында атом электрондарының вакуум құрамындағы виртуалды бөлшектермен әсерлесуін де есептеп атом құрылысының мұнан да күрделі екеніне көз жеткізуге болады.

Атом құрылысы

Периодтық жүйе периодтық заңның құрылымдық кескіні. Ол 7 периодтан 8 топтан тұратын кесте. Периодтар үлкен және кіші болып бөлінеді. Алғашқы үш период кіші периодтар, олар бір қатардан ғана тұрады, ал үлкен периодтар екі қатардан тұрады.

Бір периодта орналасқан элементтердің энергетикалық деңгейлерінің саны бірдей болғанымен, олардың ядро зарядтарының артуына байланысты ядроның электронды тарту күші артады, сондықтан атом радиустары солдан оңға карай кемиді.

Периодтарда солдан оңға қарай сыртқы қабаттағы электрондар саны біртіндеп артады, бұл металдық қасиеттің біртіндеп әлсіреп, бейметалдық қасиеттің артуына әкеп соғады.

Атом өте ұсақ бөлшек болғандықтан, ондағы электронның қозғалысы микродүниенің қозғалу заңдылықтарына бағынады. Электрондар ядро сыртындағы кеңістікті біртіндеп толтырады, электрондардың орналасу заңдылықтарын білу элементтің физикалық және химиялық қасиеттерін анықтау үшін қажет. Электрон ядроны одан белгілі бір қашықтықта (энергия қорының шамасына қарай) айналып жүру мүмкіндігі ең жоғары кеңістіктің бөлігі орбиталь - электрондық бұлт деп аталады. Қозғалыстағы электрон бұлтының пішіні әр түрлі болады: шар тәрізді, олар s әрпімен белгіленеді. р-электрондар гантель тәрізді, олардан басқа d - деңгейшелері де болады.