Հնության ժամանակաշրջանից մինչև 18-րդ դարի կեսերը գիտության մեջ գերակշռում էր այն գաղափարը, որ ատոմը նյութի մասնիկ է, որը հնարավոր չէ բաժանել: Անգլիացի գիտնականը, ինչպես նաև բնագետ Դ. Դալթոնը, ատոմը սահմանել են որպես քիմիական տարրի ամենափոքր բաղադրիչ։ Մ. Վ. Լոմոնոսովն իր ատոմային և մոլեկուլային տեսության մեջ կարողացավ սահմանել ատոմը և մոլեկուլը: Նա համոզված էր, որ մոլեկուլները, որոնց նա անվանել է «մարմիններ», կազմված են «տարրերից»՝ ատոմներից և գտնվում են մշտական շարժման մեջ։
Դ. Ի. Մենդելեևը կարծում էր, որ նյութական աշխարհը կազմող նյութերի այս ենթամիավորումը պահպանում է իր բոլոր հատկությունները միայն այն դեպքում, եթե չի ենթարկվում տարանջատման։ Այս հոդվածում մենք կսահմանենք ատոմը որպես միկրոաշխարհի օբյեկտ և կուսումնասիրենք նրա հատկությունները։
Ատոմի կառուցվածքի տեսության ստեղծման նախադրյալներ
19-րդ դարում ատոմի անբաժանելիության մասին հայտարարությունը ընդհանուր ընդունված էր։ Գիտնականների մեծ մասը կարծում էր, որ մի քիմիական տարրի մասնիկները ոչ մի դեպքում չեն կարող վերածվել մեկ այլ տարրի ատոմների: Այս գաղափարները ծառայեցին որպես հիմք, որի վրա հիմնված էր ատոմի սահմանումը մինչև 1932 թ. 19-րդ դարի վերջին գիտությունը պատրաստեցհիմնարար բացահայտումներ, որոնք փոխեցին այս տեսակետը։ Առաջին հերթին 1897 թվականին անգլիացի ֆիզիկոս Ջեյ Ջեյ Թոմսոնը հայտնաբերեց էլեկտրոնը։ Այս փաստը արմատապես փոխեց գիտնականների պատկերացումները քիմիական տարրի բաղկացուցիչ մասի անբաժանելիության մասին։
Ինչպես ապացուցել, որ ատոմը բարդ է
Նույնիսկ էլեկտրոնի հայտնաբերումից առաջ գիտնականները միաձայն համաձայնեցին, որ ատոմները լիցքեր չունեն: Հետո պարզվեց, որ էլեկտրոնները հեշտությամբ ազատվում են ցանկացած քիմիական տարրից։ Դրանք կարելի է գտնել բոցի մեջ, էլեկտրական հոսանքի կրողներ են, ռենտգենյան ճառագայթման ժամանակ արտազատվում են նյութերից։
Բայց եթե էլեկտրոնները առանց բացառության բոլոր ատոմների մաս են կազմում և բացասական լիցքավորված են, ապա ատոմում կան որոշ այլ մասնիկներ, որոնք անպայման դրական լիցք ունեն, հակառակ դեպքում ատոմները էլեկտրականորեն չեզոք չեն լինի: Ատոմի կառուցվածքը պարզելու համար օգնեց այնպիսի ֆիզիկական երևույթ, ինչպիսին ռադիոակտիվությունն է: Այն տվել է ատոմի ճիշտ սահմանումը ֆիզիկայում, այնուհետև քիմիայում։
Անտեսանելի ճառագայթներ
Ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ա. Բեկերելն առաջինն էր, ով նկարագրեց որոշ քիմիական տարրերի, տեսողականորեն անտեսանելի ճառագայթների ատոմների արտանետման ֆենոմենը: Նրանք իոնացնում են օդը, անցնում նյութերի միջով, առաջացնում լուսանկարչական թիթեղների սևացում։ Հետագայում Կյուրիները և Է. Ռադերֆորդը պարզեցին, որ ռադիոակտիվ նյութերը վերածվում են այլ քիմիական տարրերի ատոմների (օրինակ՝ ուրանը՝ նեպտունիում):
Ռադիոակտիվ ճառագայթումը կազմով անհամասեռ է՝ ալֆա մասնիկներ, բետա մասնիկներ, գամմա ճառագայթներ։ ԱյսպիսովԱյսպիսով, ռադիոակտիվության ֆենոմենը հաստատեց, որ պարբերական համակարգի տարրերի մասնիկները բարդ կառուցվածք ունեն։ Հենց այս հանգամանքն էլ պատճառ դարձավ ատոմի սահմանման մեջ կատարված փոփոխությունների։ Ի՞նչ մասնիկներից է բաղկացած ատոմը՝ հաշվի առնելով Ռադերֆորդի ստացած նոր գիտական փաստերը: Այս հարցի պատասխանը եղել է գիտնականի առաջարկած ատոմի միջուկային մոդելը, ըստ որի էլեկտրոնները պտտվում են դրական լիցքավորված միջուկի շուրջ։
Ռադերֆորդի մոդելի հակասությունները
Գիտնականի տեսությունը, չնայած իր ակնառու բնավորությանը, չի կարող օբյեկտիվորեն սահմանել ատոմը: Նրա եզրակացությունները հակասում էին թերմոդինամիկայի հիմնարար օրենքներին, որոնց համաձայն միջուկի շուրջ պտտվող բոլոր էլեկտրոնները կորցնում են իրենց էներգիան և, ինչպես որ դա կարող է լինել, վաղ թե ուշ պետք է ընկնեն դրա մեջ: Ատոմը այս դեպքում ոչնչացվում է։ Դա իրականում տեղի չի ունենում, քանի որ քիմիական տարրերը և մասնիկները, որոնցից դրանք կազմված են, գոյություն ունեն բնության մեջ շատ երկար ժամանակ: Ռեզերֆորդի տեսության վրա հիմնված ատոմի նման սահմանումը անբացատրելի է, ինչպես նաև այն երևույթը, որն առաջանում է, երբ տաք պարզ նյութերն անցնում են դիֆրակցիոն ցանցով։ Ի վերջո, ստացված ատոմային սպեկտրները ունեն գծային ձև: Սա հակասում էր Ռադերֆորդի ատոմի մոդելին, ըստ որի սպեկտրը պետք է շարունակական լիներ։ Ըստ քվանտային մեխանիկայի հասկացությունների՝ ներկայումս միջուկում էլեկտրոնները բնութագրվում են ոչ թե որպես կետային առարկաներ, այլ որպես էլեկտրոնային ամպի ձև։
Նրա ամենաբարձր խտությունը միջուկի շուրջ տարածության որոշակի վայրում ևհամարվում է մասնիկի գտնվելու վայրը տվյալ պահին: Պարզվել է նաև, որ ատոմում էլեկտրոնները դասավորված են շերտերով։ Շերտերի թիվը կարելի է որոշել՝ իմանալով այն ժամանակաշրջանի թիվը, որում տարրը գտնվում է Դ. Ի. Մենդելեևի պարբերական համակարգում։ Օրինակ՝ ֆոսֆորի ատոմը պարունակում է 15 էլեկտրոն և ունի 3 էներգիայի մակարդակ։ Էներգիայի մակարդակների քանակը որոշող ցուցիչը կոչվում է հիմնական քվանտային թիվ։
Փորձնական կերպով պարզվել է, որ միջուկին ամենամոտ էներգիայի մակարդակի էլեկտրոններն ունեն ամենացածր էներգիան։ Յուրաքանչյուր էներգետիկ թաղանթ բաժանված է ենթամակարդակների, իսկ նրանք, իրենց հերթին, ուղեծրերի։ Տարբեր ուղեծրերում տեղակայված էլեկտրոններն ունեն նույն ամպի ձևը (s, p, d, f):
Ելնելով վերը նշվածից՝ հետևում է, որ էլեկտրոնային ամպի ձևը չի կարող կամայական լինել։ Այն խստորեն սահմանված է ըստ ուղեծրային քվանտային թվի։ Մենք նաև ավելացնում ենք, որ մակրոմասնիկի մեջ էլեկտրոնի վիճակը որոշվում է ևս երկու արժեքով՝ մագնիսական և սպին քվանտային թվերով։ Առաջինը հիմնված է Շրյոդինգերի հավասարման վրա և բնութագրում է էլեկտրոնային ամպի տարածական կողմնորոշումը` հիմնված մեր աշխարհի եռաչափության վրա: Երկրորդ ցուցանիշը սպինի թիվն է, որն օգտագործվում է էլեկտրոնի պտույտն իր առանցքի շուրջ ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ կամ հակառակ ուղղությամբ:
Նեյտրոնի հայտնաբերում
Շնորհիվ Դ. Չադվիքի աշխատանքին, որն իրականացվել է 1932 թվականին, տրվել է ատոմի նոր սահմանումը քիմիայի և ֆիզիկայի մեջ։ Իր փորձերում գիտնականն ապացուցել է, որ պոլոնիումի պառակտման ժամանակ առաջանում է ճառագայթում, որն առաջանում է.1,008665 զանգված ունեցող մասնիկներ, որոնք լիցք չունեն։Նոր տարրական մասնիկը կոչվեց նեյտրոն։ Նրա հայտնաբերումն ու հատկությունների ուսումնասիրությունը սովետական գիտնականներ Վ. Գապոնին և Դ. Իվանենկոյին թույլ տվեց ստեղծել պրոտոններ և նեյտրոններ պարունակող ատոմային միջուկի կառուցվածքի նոր տեսություն։
Նոր տեսության համաձայն՝ նյութի ատոմի սահմանումը հետևյալն էր. այն քիմիական տարրի կառուցվածքային միավոր է, որը բաղկացած է պրոտոններ և նեյտրոններ պարունակող միջուկից և նրա շուրջը շարժվող էլեկտրոններից։ Միջուկում դրական մասնիկների թիվը միշտ հավասար է պարբերական համակարգի քիմիական տարրի ատոմային թվին։
Ավելի ուշ պրոֆեսոր Ա. Ժդանովն իր փորձերում հաստատեց, որ կոշտ տիեզերական ճառագայթման ազդեցության տակ ատոմային միջուկները բաժանվում են պրոտոնների և նեյտրոնների։ Բացի այդ, ապացուցվեց, որ այդ տարրական մասնիկները միջուկում պահող ուժերը չափազանց էներգատար են։ Նրանք գործում են շատ կարճ հեռավորությունների վրա (մոտ 10-23 սմ) և կոչվում են միջուկային։ Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, նույնիսկ Մ. Վ. Լոմոնոսովը կարողացավ ատոմի և մոլեկուլի սահմանում տալ՝ հիմնվելով իրեն հայտնի գիտական փաստերի վրա:
Ներկայումս ընդհանուր առմամբ ճանաչված է հետևյալ մոդելը. ատոմը բաղկացած է միջուկից և էլեկտրոններից, որոնք շարժվում են նրա շուրջը խիստ սահմանված հետագծերով՝ ուղեծրերով: Էլեկտրոնները միաժամանակ ցուցադրում են ինչպես մասնիկների, այնպես էլ ալիքների հատկությունները, այսինքն՝ ունեն երկակի բնույթ։ Նրա գրեթե ամբողջ զանգվածը կենտրոնացած է ատոմի միջուկում։ Այն կազմված է միջուկային ուժերով կապված պրոտոններից և նեյտրոններից։
Ատոմը կարելի՞ է կշռել
Պարզվում է, որ յուրաքանչյուր ատոմ ունիզանգվածային. Օրինակ՝ ջրածնի համար այն 1,67x10-24գ է: Դժվար է նույնիսկ պատկերացնել, թե որքան փոքր է այս արժեքը։ Նման օբյեկտի քաշը գտնելու համար նրանք օգտագործում են ոչ թե կշեռք, այլ տատանող, որը ածխածնային նանոխողովակ է։ Ատոմի և մոլեկուլի քաշը հաշվարկելու համար ավելի հարմար արժեք է հարաբերական զանգվածը։ Այն ցույց է տալիս, թե քանի անգամ է մոլեկուլի կամ ատոմի քաշը մեծ ածխածնի ատոմի 1/12-ից, որը կազմում է 1,66x10-27 կգ: Քիմիական տարրերի պարբերական համակարգում տրված են հարաբերական ատոմային զանգվածները և չունեն միավորներ։
Գիտնականները լավ գիտեն, որ քիմիական տարրի ատոմային զանգվածը նրա բոլոր իզոտոպների զանգվածային թվերի միջինն է: Պարզվում է, որ բնության մեջ մեկ քիմիական տարրի միավորները կարող են ունենալ տարբեր զանգվածներ։ Միևնույն ժամանակ, նման կառուցվածքային մասնիկների միջուկների լիցքերը նույնն են։
Գիտնականները պարզել են, որ իզոտոպները տարբերվում են միջուկում նեյտրոնների քանակով, և նրանց միջուկների լիցքը նույնն է։ Օրինակ՝ 35 զանգված ունեցող քլորի ատոմը պարունակում է 18 նեյտրոն և 17 պրոտոն, իսկ 37 զանգվածով՝ 20 նեյտրոն և 17 պրոտոն։ Շատ քիմիական տարրեր իզոտոպների խառնուրդներ են: Օրինակ՝ այնպիսի պարզ նյութեր, ինչպիսիք են կալիումը, արգոնը, թթվածինը, պարունակում են 3 տարբեր իզոտոպներ ներկայացնող ատոմներ։
Ատոմականության սահմանում
Այն ունի մի քանի մեկնաբանություն։ Նկատի առեք, թե ինչ է նշանակում այս տերմինը քիմիայում: Եթե որևէ քիմիական տարրի ատոմները գոնե կարճ ժամանակով կարողանում են առանձին գոյություն ունենալ՝ չձգտելով ձևավորել ավելի բարդ մասնիկ՝ մոլեկուլ, ապա ասում են, որ այդպիսի նյութերը ունեն.ատոմային կառուցվածքը. Օրինակ՝ մեթանի քլորացման մի քանի փուլային ռեակցիա: Այն լայնորեն կիրառվում է օրգանական սինթեզի քիմիայում՝ ստանալու հալոգեն պարունակող ամենակարեւոր ածանցյալները՝ դիքլորմեթան, ածխածնի տետրաքլորիդ։ Այն քլորի մոլեկուլները բաժանում է բարձր ռեակտիվ ատոմների: Նրանք կոտրում են սիգմա կապերը մեթանի մոլեկուլում՝ ապահովելով փոխարինման շղթայական ռեակցիա։
Արդյունաբերության մեջ մեծ նշանակություն ունեցող քիմիական գործընթացի մեկ այլ օրինակ է ջրածնի պերօքսիդի օգտագործումը որպես ախտահանիչ և սպիտակեցնող միջոց: Ատոմային թթվածնի որոշումը՝ որպես ջրածնի պերօքսիդի քայքայման արդյունք, տեղի է ունենում ինչպես կենդանի բջիջներում (կատալազ ֆերմենտի գործողության ներքո), այնպես էլ լաբորատոր պայմաններում։ Ատոմային թթվածինը որակապես որոշվում է իր բարձր հակաօքսիդանտ հատկություններով, ինչպես նաև ախտածին նյութերին` բակտերիաներին, սնկերին և դրանց սպորներին ոչնչացնելու ունակությամբ:
Ինչպես է աշխատում ատոմային թաղանթը
Արդեն ավելի վաղ պարզել ենք, որ քիմիական տարրի կառուցվածքային միավորն ունի բարդ կառուցվածք։ Էլեկտրոնները պտտվում են դրական լիցքավորված միջուկի շուրջ։ Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր Նիլս Բորը, հիմնվելով լույսի քվանտային տեսության վրա, ստեղծեց իր ուսմունքը, որում ատոմի բնութագրերն ու սահմանումը հետևյալն են. էլեկտրոնները միջուկի շուրջը շարժվում են միայն որոշակի անշարժ հետագծերով, մինչդեռ էներգիա չեն ճառագայթում: Բորի վարդապետությունն ապացուցեց, որ միկրոտիեզերքի մասնիկները, որոնք ներառում են ատոմներ և մոլեկուլներ, չեն ենթարկվում արդար օրենքներին.մեծ մարմինների համար՝ մակրոտիեզերական օբյեկտներ։
Մակրոմասնիկների էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքը ուսումնասիրվել է քվանտային ֆիզիկայի վերաբերյալ այնպիսի գիտնականների կողմից, ինչպիսիք են Հունդը, Պաուլին, Կլեչկովսկին: Այսպիսով, հայտնի դարձավ, որ էլեկտրոնները միջուկի շուրջ պտտվող շարժումներ են կատարում ոչ թե պատահական, այլ որոշակի անշարժ հետագծերով: Պաուլին պարզել է, որ իր s, p, d, f օրբիտալներից յուրաքանչյուրի մեկ էներգիայի մակարդակում էլեկտրոնային բջիջներում կարելի է գտնել ոչ ավելի, քան երկու բացասական լիցքավորված մասնիկներ՝ հակադիր սպիններով + ½ և - ½:
:
Հունդի կանոնը բացատրում է, թե ինչպես են նույն էներգիայի մակարդակով ուղեծրերը ճիշտ լցված էլեկտրոններով:
Կլեչկովսկու կանոնը, որը նաև կոչվում է n+l կանոն, բացատրում է, թե ինչպես են լրացվում բազմէլեկտրոնների ատոմների ուղեծրերը (5, 6, 7 պարբերությունների տարրեր): Վերոհիշյալ բոլոր օրինաչափությունները ծառայեցին որպես Դմիտրի Մենդելեևի ստեղծած քիմիական տարրերի համակարգի տեսական հիմնավորում:
Օքսիդացման վիճակ
Այն քիմիայի հիմնարար հասկացություն է և բնութագրում է ատոմի վիճակը մոլեկուլում: Ատոմների օքսիդացման վիճակի ժամանակակից սահմանումը հետևյալն է. սա մոլեկուլում ատոմի պայմանական լիցքն է, որը հաշվարկվում է այն գաղափարի հիման վրա, որ մոլեկուլն ունի միայն իոնային բաղադրություն։
Օքսիդացման աստիճանը կարող է արտահայտվել որպես ամբողջ թիվ կամ կոտորակային թիվ՝ դրական, բացասական կամ զրո արժեքներով։ Ամենից հաճախ քիմիական տարրերի ատոմներն ունեն մի քանի օքսիդացման վիճակ: Օրինակ՝ ազոտն ունի -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5: Բայց այնպիսի քիմիական տարր, ինչպիսին ֆտորն է, իր ամբողջությամբմիացություններն ունեն միայն մեկ օքսիդացման վիճակ՝ հավասար -1: Եթե այն ներկայացված է պարզ նյութով, ապա նրա օքսիդացման աստիճանը զրո է։ Այս քիմիական քանակությունը հարմար է նյութերի դասակարգման և դրանց հատկությունները նկարագրելու համար: Ամենից հաճախ ատոմի օքսիդացման վիճակն օգտագործվում է քիմիայում՝ ռեդոքսային ռեակցիաների համար հավասարումներ կազմելիս։
Ատոմների հատկություններ
Քվանտային ֆիզիկայի հայտնագործությունների շնորհիվ ատոմի ժամանակակից սահմանումը, որը հիմնված է Դ. Իվանենկոյի և Է. Գապոնի տեսության վրա, լրացվում է հետևյալ գիտական փաստերով. Քիմիական ռեակցիաների ժամանակ ատոմի միջուկի կառուցվածքը չի փոխվում։ Միայն անշարժ էլեկտրոնային ուղեծրերը ենթակա են փոփոխության: Նրանց կառուցվածքը կարող է բացատրել նյութերի բազմաթիվ ֆիզիկական և քիմիական հատկություններ: Եթե էլեկտրոնը թողնում է անշարժ ուղեծրը և գնում դեպի ավելի բարձր էներգիայի ինդեքս ունեցող ուղեծիր, ապա այդպիսի ատոմը կոչվում է գրգռված։
Հարկ է նշել, որ էլեկտրոնները չեն կարող երկար մնալ նման անսովոր ուղեծրերում։ Վերադառնալով իր անշարժ ուղեծրին՝ էլեկտրոնն արձակում է էներգիայի քվանտ։ Քիմիական տարրերի կառուցվածքային միավորների այնպիսի բնութագրերի ուսումնասիրությունը, ինչպիսիք են էլեկտրոնների մերձեցումը, էլեկտրաբացասականությունը, իոնացման էներգիան, թույլ տվեց գիտնականներին ոչ միայն սահմանել ատոմը որպես միկրոտիեզերքի ամենակարևոր մասնիկ, այլև թույլ տվեց նրանց բացատրել ատոմների ձևավորման ունակությունը: նյութի կայուն և էներգետիկ առումով ավելի բարենպաստ մոլեկուլային վիճակ, որը հնարավոր է տարբեր տեսակի կայուն քիմիական կապերի ստեղծման շնորհիվ՝ իոնային, կովալենտբևեռային և ոչ բևեռային, դոնոր-ընդունիչ (որպես կովալենտային կապի տեսակ) և մետաղ. Վերջինս որոշում է բոլոր մետաղների ամենակարևոր ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները։
Փորձնական կերպով հաստատվել է, որ ատոմի չափը կարող է փոխվել։ Ամեն ինչ կախված կլինի նրանից, թե որ մոլեկուլում է այն ներառված։ Ռենտգենյան դիֆրակցիոն անալիզի շնորհիվ հնարավոր է հաշվարկել ատոմների միջև եղած հեռավորությունը քիմիական միացության մեջ, ինչպես նաև պարզել տարրի կառուցվածքային միավորի շառավիղը։ Իմանալով քիմիական տարրերի ժամանակաշրջանում կամ խմբի մեջ ներառված ատոմների շառավիղների փոփոխության օրինաչափությունները՝ հնարավոր է կանխատեսել դրանց ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները։ Օրինակ՝ ատոմների միջուկի լիցքի ավելացման ժամանակաշրջաններում դրանց շառավիղները նվազում են («ատոմի սեղմում»), ուստի միացությունների մետաղական հատկությունները թուլանում են, իսկ ոչ մետաղականները՝ մեծանում։
։
Այսպիսով, ատոմի կառուցվածքի իմացությունը թույլ է տալիս ճշգրիտ որոշել Մենդելեևի պարբերական համակարգում ընդգրկված բոլոր տարրերի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները։
