Атомная оболочка

Электронная оболочка (серый) из гелия атома (увеличенный прибл. 400 миллионов раз) с атомным ядром (красная точка, еще раз увеличена в 100 раз). Ядро схематично показано вверху справа, снова увеличенное в 40 раз. На самом деле он сферический .

Атомная оболочка или электронная оболочка состоит из электронов , которые св заны с помощью атомного ядра и обычно окружают его на расстояние порядка 10 ^-10  м ( атомный радиус ). Атомное ядро ​​и атомная оболочка вместе образуют атом , при этом ядро ​​имеет диаметр от 20 000 до 150 000 раз меньше, чем оболочка, в зависимости от химического элемента , но содержит от 99,95% до 99,98% общей атомной массы . Таким образом, свойства атома, доступные извне, помимо массы, почти исключительно определяются оболочкой. Помимо размера атома, сюда входят различные возможные типы химической связи , возможности образования молекулы или кристаллического твердого тела , испускание и поглощение электромагнитного излучения определенных длин волн в инфракрасном , видимом и ультрафиолетовом диапазонах. и рентгеновские диапазоны . Следовательно, атомная физика , которая в значительной степени занимается этими явлениями, в значительной степени является физикой атомной оболочки.

Число из электронов в атомной оболочке нейтрального атома определяется размером положительного электрического заряда на атомном ядре. также является химическим порядковым номером элемента, к которому принадлежит атом. Атомы с большим или меньшим количеством электронов заряжены отрицательно или положительно и называются ионами . ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$

Были разработаны различные атомные модели строения электронной оболочки . Первой частично очень успешной моделью была атомная модель Бора 1913 года (после Нильса Бора ), которая до сих пор является основой многих популярных представлений. Начиная с 1925 года, на смену им пришли гораздо более полные и точные квантово-механические модели атома, которые до сих пор составляют теоретическую основу атомной физики.

Свойства всей оболочки

Связующая энергия

Оболочка атома состоит из электронов, которые связаны с положительным атомным ядром из-за своего отрицательного электрического заряда. Полная энергия связи электронов в оболочке примерно равна (более точное приближение ) для нейтрального атома . Таким образом, средняя энергия связи, приходящаяся на один электрон, увеличивается с увеличением числа частиц , от at до at . Такое поведение контрастирует с ситуацией в ядре, где средняя энергия связи на нуклон резко возрастает только при малых числах частиц примерно до 16 нуклонов ( ), но остается близкой к 8 МэВ в остальном мире. Эти различия объясняются свойствами преобладающего взаимодействия. В остове как сила, так и эффективное насыщение энергии связи основаны на сильном взаимодействии между двумя нуклонами, которое создает сравнительно очень прочную связь, но также имеет очень короткий радиус действия, так что она едва ли выходит за пределы непосредственно соседних нуклоны могут притягивать другие нуклоны. Напротив, оболочка связана электростатическим притяжением ядра, которое увеличивается пропорционально , сравнительно намного слабее, чем ядерные силы, но благодаря своему большому радиусу действия достигает всех электронов во всем атоме. ${\ displaystyle Z}$${\ Displaystyle 13 {,} 6 \; Z ^ {7/3} \ mathrm {эВ}}$${\ displaystyle 13 {,} 6 \; Z ^ {7/3} \ left [1 + {\ tfrac {1} {2}} (1-Z ^ {- 1/3}) ^ {2} \ right ] \, \ mathrm {эВ}}$${\ displaystyle Z ^ {4/3}}$${\ Displaystyle 13 {,} 6 \, \ mathrm {эВ}}$${\ Displaystyle Z = 1}$${\ Displaystyle 5 {,} 6 \, \ mathrm {кэВ}}$${\ displaystyle Z = 92}$${\ displaystyle Z = 8}$${\ displaystyle Z}$

В простейшей модели атомной оболочки можно было бы ожидать несколько более сильного увеличения энергии связи на электрон, если исходить из атомной модели Бора и предполагать, что, во-первых, каждый электрон сохраняет свои квантовые числа при добавлении большего количества электронов, а во-вторых, что не работает взаимное электростатическое отталкивание. Потому что каждый из электронов будет иметь возрастающую энергию связи, потому что не только увеличивается заряд ядра , но и его орбита в несколько раз ближе к ядру . Более слабый рост с вместо с примерно объясняется тем фактом, что с увеличением числа электронов более жестко связанные орбиты в соответствии с принципом Паули уже полностью заняты, а вновь добавленные электроны должны занимать менее жестко связанные орбиты . Напротив, их взаимное электростатическое отталкивание менее важно. Увеличение энергии связи, приходящейся на один электрон, является результатом рассмотрения электронной оболочки как ферми-газа, состоящего из электронов, которые связаны в протяженной потенциальной яме ( модель Томаса-Ферми ) и, помимо общего электростатического отталкивания, не взаимодействуют с ней. Другой. Дополнительный поправочный коэффициент указанного более точного приближения, по существу, связан с тем, что связь самых внутренних электронов также рассматривается отдельно. Они расположены вблизи пикового минимума потенциала в области ядра, что недостаточно учитывается в модели Томаса-Ферми. ${\ displaystyle Z ^ {2}}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z ^ {2}}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z ^ {4/3}}$${\ displaystyle Z ^ {2}}$${\ displaystyle Z ^ {4/3}}$

Форма и размер

Оболочка атома не имеет четко очерченной поверхности, но демонстрирует примерно экспоненциальное уменьшение электронной плотности во внешней области. Размер и форма атома обычно определяются минимально возможной площадью поверхности, которая содержит большую часть (например, 90%) общей электронной плотности. Эта поверхность в большинстве случаев имеет почти сферическую форму, за исключением атомов, которые химически связаны в молекулу или некоторые кристаллические решетки , или после специальной подготовки в виде ридберговского атома . Вся оболочка может вибрировать относительно сердечника, частота z. Б. в атоме ксенона с 54 электронами составляет около 10 ¹⁷ Гц (или энергия возбуждения около 100 эВ).

Из-за нечеткого края атомной оболочки размер атомов четко не установлен (см. Атомный радиус ). Табличные значения получены из длины связи , которая является энергетически наиболее выгодным расстоянием между атомными ядрами в химической связи. В целом, с увеличением атомного номера наблюдается приблизительно периодическое изменение размера атома, что хорошо согласуется с периодическим изменением химического поведения. В периодической таблице элементов действует общее правило: за один период, то есть в одну строку системы, заполняется определенная чаша. Размер атомов уменьшается слева направо, потому что заряд ядра увеличивается и, следовательно, все оболочки притягиваются сильнее. Если некоторая оболочка заполнена прочно связанными электронами, атом принадлежит к благородным газам . Со следующим электроном оболочка начинает заполняться следующей более высокой энергией, что связано с большим радиусом. Таким образом, внутри группы, то есть столбца периодической таблицы, размер увеличивается сверху вниз. Соответственно, самый маленький атом - это атом гелия в конце первого периода с радиусом 32 пм, в то время как один из самых больших атомов - это атом цезия , первый атом 5-го периода. Он имеет радиус 225 пм.

плотность

Вопреки многим популярным представлениям, атомная оболочка ни в коем случае не является пустым пространством. Скорее, средняя электронная плотность оболочки колеблется от 0,01 до 0,1 кг / м ^{3, в} зависимости от элемента . Для сравнения: воздух имеет такую ​​плотность при давлении от 10 до 100 мбар. Идея оболочки как (почти) пустого пространства возникла бы, если бы в любой момент времени электроны были почти идеальными массовыми точками в определенных точках пространства. Однако представление об электронах, локализованных таким образом в атоме, недопустимо с точки зрения квантовой механики.

Угловой момент

Атомная оболочка свободного атома имеет определенный момент количества движения на каждом уровне энергии . Обычно его величина обозначается квантовым числом, а компонент произвольно выбранной оси z - магнитным квантовым числом с . В электронных оболочках с четным числом электронов - целым числом , с нечетным числом электронов - полуцелым числом . Величина углового момента определяется выражением z, а компонент z - выражением . Вот уменьшенный квант действия Планка .${\ displaystyle {\ vec {J}}}$ ${\ displaystyle J}$ ${\ displaystyle m}$${\ Displaystyle | м | \ leq J}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle J \ geq 0}$${\ displaystyle J \ geq {\ tfrac {1} {2}}}$${\ displaystyle {\ sqrt {\ langle J ^ {2} \ rangle}} = \ hbar {\ sqrt {J (J + 1)}}}$${\ displaystyle \ langle J_ {z} \ rangle = \ hbar m}$${\ displaystyle \ hbar}$

Экспериментальные методы исследования атомной оболочки

Размер атомной оболочки в основном определяется в контексте кинетической теории газа и анализа кристаллической структуры (см. Атомный радиус ). Методы выяснения структуры атомной оболочки объединены термином методы атомной физики . Подробно они представлены в собственных статьях. Типичные примеры (хотя список ни в коем случае не является исчерпывающим):

• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS): поглощение кванта высокоэнергетических рентгеновских лучей в фотоэлектрическом эффекте генерирует свободный электрон с кинетической энергией, которая возникает из разницы между энергией поглощенного кванта и энергией связи, которая электрон ранее находился в оболочке. Электроны с самой низкой кинетической энергией имели самую высокую энергию связи и выходили из K-оболочки. Затем с энергией связи примерно трех близко расположенных энергий связи L-оболочки и т. Д. Ясно показана энергетическая оболочечная структура оболочки, примерно включая расщепление в соответствии со структурой в соответствии с jj-связью .${\ displaystyle E_ {K}}$${\ Displaystyle E_ {L} \ приблизительно {\ tfrac {1} {4}} E_ {K}}$${\ displaystyle Z = 10}$

• Атомно- эмиссионная спектрометрия и атомно-абсорбционная спектрометрия : спектральное исследование электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого атомными оболочками, в зависимости от их длины волны , особенно в областях видимого света , ультрафиолетового и инфракрасного излучения , дает информацию о разнице энергий между различными уровнями энергии. атома. Во многих случаях эти энергии можно интерпретировать как изменение всего одного электрона с одной орбитали на другую (светящийся электрон). Это внесло значительный вклад в исследование атомной оболочки и, таким образом, в открытие квантовой механики. Спектры излучения и поглощения характерны для рассматриваемого элемента и используются для химического анализа. Таким образом, оптическая спектроскопия - самый старый из упомянутых здесь методов. Другими важными результатами измерений являются интенсивность (особенно по отношению к различным спектральным линиям) и поляризация излучения.

• Рентгеновская спектроскопия : такая же, как и оптическая спектроскопия, описанная выше, но в диапазоне энергий рентгеновских лучей и, следовательно, спектрометры другой конструкции. Сила поглощения резко возрастает с увеличением энергии рентгеновских квантов каждый раз, когда энергия связи орбитали превышается ( край поглощения ). Это было первое экспериментальное доказательство размера и количественной оценки энергий связи внутренних электронов в атоме. Излучение рентгеновских лучей, вызванное поглощением, показывает простой линейчатый спектр, характерный для каждого элемента ( характеристическое рентгеновское излучение , рентгенофлуоресцентный анализ ). Тот факт, что он возникает только тогда, когда внутренний электрон был выбит, был первым признаком того, что более слабосвязанный электрон может перепрыгнуть на более низкий уровень, только если там есть свободное пространство («дырочное состояние»).

• Электронная оже-спектроскопия (AES): возбужденный атом может испускать электрон вместо фотона ( эффект Оже ), если энергия возбуждения делает это возможным. Тогда эффект Оже, как правило, еще более распространен. В деталях, это основано на том факте, что электрон отсутствует на уровне с высокой энергией связи (дырочное состояние) и что два более слабосвязанных электрона оболочки совершают столкновение посредством своего электростатического отталкивания, так что один из них заполняет состояния дырки и энергии, полученной для него другого, достаточно, чтобы покинуть атом. Измеряются энергия и интенсивность испускаемых электронов. Они тоже зависят от элемента и используются для химического анализа самых тонких слоев.

• Рассеяние электронов : исследование энергии и интенсивности электронов, испускаемых атомными оболочками после столкновения энергичного электрона.

Идеи моделей для атомной оболочки

(См. Также список моделей атома и атом водорода )

Разделение атома на атомное ядро ​​и атомную оболочку восходит к Эрнесту Резерфорду , который показал в экспериментах по рассеянию в 1911 году, что атомы состоят из крошечного компактного ядра, окруженного гораздо более легкой оболочкой. Эта картина полностью контрастировала со всеми другими атомными моделями, обсуждавшимися до того момента. После успеха атомной модели Бора от 1913 года атомная модель понималась как модель атомной оболочки.

Атомная модель Бора и ее уточнения к 1925 г.

Иллюстрация модели Бора атома водорода (Z = 1) с электроном, прыгающим между фиксированными орбитами и испускающим фотон с определенной частотой f.

Радиальное распределение электронной плотности для гелия (1 оболочка), неона (2 оболочки), аргона (3 оболочки)

В 1913 году , основываясь на атомной модели ядра и оболочки Резерфорда, Нильс Бор впервые смог объяснить, как возникают спектральные линии в оптических спектрах чистых элементов , которые абсолютно характерны для соответствующего элемента ( спектральный анализ по Роберту Вильгельм Бунзен и Густав Роберт Кирхгоф 1859 г.). Бор предположил, что электроны могут оставаться только на определенных квантованных круговых орбитах, которые нумеруются основным квантовым числом при увеличении радиуса . Электроны также могут «прыгать» с одной из этих орбит на другую, но не могут оставаться между ними. Во время квантового скачка с внешней на внутреннюю орбиту электрон должен высвободить определенное количество энергии, которое проявляется в виде кванта света определенной длины волны. В эксперименте Франка-Герца в 1914 году удалось экспериментально подтвердить квантованное поглощение энергии и выход атомов ртути. Однако атомная модель Бора дала количественно правильные результаты только для систем с одним электроном (водород и ионизированный гелий). Хотя он принципиально не работает в атомных оболочках с несколькими электронами, он послужил основой для ряда уточнений, которые привели к качественному пониманию структуры электронных оболочек всех элементов в течение следующего десятилетия. Таким образом, модель атома Бора стала основой популярного образа атома как малой планетной системы.

В 1915 году Арнольд Зоммерфельд расширил модель атома Бора в модели атома Бора-Зоммерфельда . Он принял во внимание специальную теорию относительности , также разрешил эллиптические орбиты Кеплера и ввел два новых квантовых числа: вторичное квантовое число для различения электронных орбит с одним и тем же основным квантовым числом, но разной эллиптической формой, а также магнитное квантовое число , которое является конечным числом орбит для данного большого и младшего квантового числа. Число возможных пространственных ориентаций, пронумерованных последовательно. Поскольку энергия слабо зависит от двух новых квантовых чисел, это объясняет расщепление спектральных линий, которые в модели Бора все еще определялись одной энергией. В то же время возникла картина, что орбиты с одним и тем же главным квантовым числом образуют «оболочку», при которой разные оболочки пространственно проникают друг в друга. ${\ displaystyle \ ell}$ ${\ displaystyle m}$

В 1916 году Гилберт Ньютон Льюис пытался объяснить в химическую связь с учетом электрического взаимодействия электронов двух атомов в рамках модели атома Бора. Из наблюдений за характерными рентгеновскими лучами Вальтер Коссель пришел к выводу, что в каждом атоме есть только определенное количество мест для внутренних электронов, чтобы объяснить, почему электроны, находящиеся дальше извне, прыгают на внутренний путь только тогда, когда электрон выбивается. там было. Из-за периодических химических свойств элементов он далее подозревал в 1916 году, что существуют «электронные оболочки», которые «закрываются» после поглощения 8 электронов и затем образуют благородный газ. Это число соответствует удвоенному количеству различных комбинаций одного и того же главного квантового числа . Это было далее развито Нильсом Бором к 1921 году в « принцип построения », согласно которому с увеличением атомного номера каждый дополнительный электрон поглощается электронной оболочкой с наименьшей энергией атомной оболочки, которая все еще имеет свободное пространство, без электронов. настоящее время значительно перестраивается. Это привело Вольфганга Паули к открытию принципа исключения Пауля в 1925 году , согласно которому каждая орбита, характеризуемая тремя квантовыми числами, может быть занята максимум двумя электронами. После открытия спина электрона , для которого было введено четвертое квантовое число только с двумя возможными значениями, принцип Паули был определен таким образом, что каждое состояние, определяемое четырьмя квантовыми числами, может быть занято только одним электроном. ${\ displaystyle \ ell}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle m_ {s}}$

Квантово-механические модели атомной оболочки

Орбитальная модель атома: представление атомных орбиталей первой (2 электрона) и второй (8 электронов) электронной оболочки.

На основе материальной волны, постулированной Луи де Бройлем в 1924 году , Эрвин Шредингер разработал волновую механику в 1926 году . Он описывает электроны не как точки массы на определенных орбитах, а как трехмерные волны, которые деформируются силовыми полями, например электростатическим потенциалом атомного ядра. Как следствие этого описания, недопустимо, среди прочего, приписывать электрону как положение, так и импульс в данный момент с точными значениями. Этот факт был сформулирован в 1927 году Вернером Гейзенбергом в принципе неопределенности . В соответствии с этим вместо движения по определенным траекториям могут быть даны только распределения вероятностей для диапазонов значений положения и импульса, идея, которую трудно проиллюстрировать. Стоячая волна или « атомная орбиталь » соответствует квантованной орбите модели Бора , которая сосредоточена около атомного ядра и описывает распределение материи. Орбиталь атома указывает, среди прочего, точную форму вероятности нахождения электрона в космосе.

Изначально модель была разработана для атомной оболочки с одним электроном в поле точечного заряда ( водородная проблема ). Он предоставил энергии орбит Бора в зависимости от главного квантового числа, а также квантовые числа для углового момента, введенного Зоммерфельдом, последний с правильным отсчетом от нуля вверх (вместо того, чтобы начинать с 1, как у Бора). В отличие от модели Бора-Зоммерфельда, волново-механическую модель можно однозначно и успешно распространить на атомные оболочки с несколькими электронами, переформулируя запрет Паули в правило об антисимметрии волновой функции, когда два электрона меняются местами. Описание свойств атомов с этим было намного лучше, чем с предыдущими моделями. Электроны первоначально классифицируются один за другим на орбиталях, пренебрегая их электростатическим отталкиванием, для основного состояния атомной оболочки на состояние с наименьшей энергией, для возбужденных состояний на один или несколько электронов выше. Отталкивание, хотя и сила между каждыми двумя электронами, приблизительно определяется с учетом экранирования электронным облаком соответствующим экранированным электростатическим потенциалом. В результате орбитали связаны тем слабее, чем выше их орбитальный угловой момент. Результатом является разделение энергии внутри каждой основной оболочки от n = 2: энергия орбиталей увеличивается с увеличением вторичного квантового числа. Например, если 3p-оболочка заполнена (Z = 18, аргон), 3d-оболочка уже энергетически выше 4s-оболочки и, следовательно, будет заполнена только электронами после этого (от Z = 21, скандий) (3d- переходные металлы ). Модель не только дает подробное объяснение периодической таблицы, но также дает очень реалистичную картину пространственного и энергетического распределения электронов в оболочке. За исключением двух самых внутренних оболочек, оболочки четко не отделены друг от друга ни в пространственном, ни в энергетическом смысле, а скорее сильно перекрываются (см. Иллюстрацию). Описание структуры атомной оболочки с пространственной и энергетической точки зрения также определяет точные возможности образования состояний, связанных с атомной оболочкой других атомов. Поэтому орбитальная модель широко используется для описания в химии . Все основные и большинство состояний возбуждения оболочки могут быть хорошо представлены, поэтому модель может также объяснить оптические спектры, рентгеновские спектры и оже- спектры .

В случае атома с более чем одним электроном орбитальная модель может быть описана физически как приближение, потому что каждому отдельному электрону назначена определенная орбиталь. Сформированное таким образом состояние атомной оболочки называется чистой конфигурацией . В квантовой механике это один из простейших видов многочастичных состояний. Более точные модели учитывают, что оболочка также может находиться в состоянии, которое состоит из суперпозиции различных конфигураций, то есть когда разные электронные конфигурации одновременно присутствуют с разными амплитудами вероятности, что называется смешиванием конфигураций. Эта модель позволяет наиболее точно рассчитывать уровни энергии и реакции атомов. Дальнейшие уточнения касаются релятивистской трактовки электрона ( уравнение Дирака ) и точного учета конечного диаметра ядра и его магнитных и электрических ядерных моментов, а также поправок на излучение в соответствии с квантовой электродинамикой ( смещение Лэмбса ). Поскольку для этого требуются математические усилия, по возможности все еще используются более простые атомные модели. Здесь следует упомянуть модель Томаса-Ферми , в которой электронная оболочка рассматривается как идеальный электронный газ ( ферми-газ ), связанный в потенциальной яме , плотность которого, в свою очередь, определяет форму потенциальной ямы.

Простейший подход к волновой функции чистой конфигурации для определенного числа электронов получается с помощью метода Хартри-Фока . Остается одночастичное приближение, в котором каждому электрону назначается определенная орбиталь, но форма орбиталей соответствующим образом изменяется из-за присутствия всех других электронов. Для этого ищутся те формы орбиталей, при которых энергия всей конфигурации достигает минимума, с учетом сил отталкивания, которые зависят от формы занятых орбиталей. Таким образом, орбитали определяются самосогласованным образом таким образом, чтобы в результате получилась стабильная во времени конфигурация. Результатом остается чистая конфигурация, только состояния отдельных электронов, находящихся в ней, изменены по сравнению с орбиталями, известными из водородной проблемы. ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z-1}$

Теория функционала плотности приводит к тому же типу самосогласованного приближенного решения . Здесь мы начинаем с зависящего от местоположения распределения полной плотности электронов и из этого составляем уравнение Шредингера для одного электрона, в котором даются эффекты антисимметрии многочастичной волновой функции и электрон-электронного отталкивания. с помощью дополнительного члена, который зависит только от общей плотности, может учитываться с приблизительной скоростью. Полная плотность снова рассчитывается из орбиталей отдельных электронов, определенных таким образом. Если она не согласуется удовлетворительно с первоначально установленной общей плотностью, ее изменяют для достижения лучшего согласования.

Интерпретация некоторых основных свойств атомов в контексте оболочечной модели

Оболочечная модель рассматривается здесь в ее простейшей сферически-симметричной форме, тогда как направленная зависимость электронной плотности только добавляется в орбитальной модели. Затем оболочечная модель позволяет нам понять зависимость силы и расстояния между двумя атомами. Они определяются практически исключительно двумя оболочками. Среди прочего, это основа химической связи, а также изменения физического состояния, механической стабильности и многих других свойств макроскопических материалов.

достопримечательности

На больших расстояниях, превышающих диаметр атома, возникают слабые притягивающие силы Ван-дер-Ваальса , потому что две атомные оболочки поляризуют друг друга. Это означает, что оболочки и ядра минимально перемещаются друг относительно друга, так что два атома становятся слабыми электрическими диполями, которые, если они правильно ориентированы, притягиваются друг к другу электростатически . В газообразном состоянии эти силы притяжения обычно вызывают лишь незначительные отклонения от поведения идеального газа , но также вызывают конденсацию газа в жидкость , то есть изменение физического состояния .

отказ

При приближении, как только оболочки двух атомов заметно перекрываются в пространстве, возникает сильная сила отталкивания. Он основан, прежде всего, на принципе Паули , который исключает попадание электронов одного атома на занятые орбитали другого атома, если они уже заняты парой электронов. Следовательно, они должны быть размещены на энергетически более высоких орбиталях, что требует затрат энергии. Напротив, электростатическое отталкивание двух облаков отрицательных электронов и двух положительных ядер почти не играет роли. Эта сила отталкивания может во многом объяснить чрезвычайно низкую сжимаемость конденсированных сред (жидкостей и твердых тел ).

Химическая связь

Минимум их взаимный потенциал лежит энергию в хорошо определенном расстоянии , при котором притяжение и отталкивание двух атомов находятся в равновесии (см рисунок- здесь ). Это объясняет гомеополярную химическую связь, которая типична между атомами одного и того же элемента (например, в двухатомном газе). В случае атомов разных элементов, которые легко образуют положительные или отрицательные ионы, аналогичная кривая потенциала применяется между двумя противоположно заряженными ионами. Затем сила притяжения увеличивается за счет электростатического притяжения ионов, но в то же время кривая поднимается из-за разницы между энергией ионизации для положительного иона и сродством к электрону для отрицательного. Если минимум потенциальной энергии остается отрицательным, имеется ионная связь (например, Na ⁺ Cl ^- ). Простая модель оболочек недостаточна для объяснения дальнейших тонкостей химических связей. Затем необходимо использовать орбитальную модель (например, для пространственного расположения атомов в многоатомных молекулах), если отдельный квантово-механический расчет даже не требуется (например, для металлов).

Молекулы также притягиваются друг к другу через оболочки своих атомов. Твердое тело создается , когда многие молекулы связываются друг с другом, а потому , что это энергетически выгодно, поддерживать фиксированный механизм. Если это расположение правильное, образуется кристаллическая решетка . В результате этой связи твердое тело не только в значительной степени несжимаемо, как жидкость, но, в отличие от этого, гораздо труднее деформируется и, следовательно, также устойчиво к растяжению . Особенности металлических твердых тел, в частности их более легкая деформируемость, высокая электрическая и теплопроводность , металлический блеск, можно объяснить только металлической связью .

Объяснение атомных свойств в контексте орбитальной модели

Электронные оболочки, на которых основана оболочечная модель, являются результатом квантования энергии отдельного электрона в силовом поле атомного ядра в соответствии с правилами квантовой механики . Вокруг ядра образуются различные атомные орбитали , которые представляют собой нечеткие распределения вероятностей возможных пространственных состояний электронов. Согласно принципу Паули, каждая орбиталь может быть заполнена максимум двумя электронами, электронной парой . Орбитали, которые теоретически имели бы одинаковую энергию, если бы не учитывать взаимное отталкивание электронов и тонкую структуру , образуют оболочку. Оболочки пронумерованы последовательно основным квантовым числом или последовательно обозначены буквами K, L, M, .... Более точные измерения показывают, что начиная со второй оболочки не все электроны в оболочке имеют одинаковую энергию. В этом случае некоторая подоболочка идентифицируется вторичным квантовым числом или квантовым числом углового момента .

Если орбитали, начиная с самого низкого энергетического уровня, заполнены электронами до такой степени, что общее количество электронов равно количеству протонов в ядре, атом нейтрален и находится в основном состоянии. Если один или несколько электронов в атоме перемещаются на орбитали с более высокими энергетическими уровнями, атом находится в возбужденном состоянии . Энергии возбужденных состояний имеют четко определенные значения для каждого атома, которые образуют его термальную схему . Возбужденный атом может отдавать свою избыточную энергию посредством столкновений с другими атомами, испускания одного из электронов ( эффект Оже ) или испускания фотона , то есть посредством генерации света или рентгеновских лучей. При очень высокой температуре или в газовых разрядах атомы могут при ударе электроны терять (см. Ионизация ), это создает плазму , например. Б. в горячем пламени или в звезде.

Линии поглощения в спектре Солнца. Из падающего света, который имеет непрерывный спектр, поглощается излучение на определенных длинах волн, что приводит к появлению черных линий.

Поскольку энергии квантов испускаемого излучения различаются в зависимости от атома или молекулы и двух задействованных состояний, тип источника обычно можно четко идентифицировать с помощью спектроскопии этого излучения. Например, отдельные атомы в газах показывают свой оптический линейчатый спектр, зависящий от элемента . Линия D натрия известна, например , как двойная линия в желтом спектральном диапазоне при 588,99 нм и 589,59 нм. Их свечение указывает на присутствие возбужденных атомов натрия, будь то на солнце или над пламенем печи в присутствии натрия или его солей. Поскольку это излучение может также передавать ту же энергию атому посредством поглощения, спектральные линии элементов могут наблюдаться как в спектрах поглощения, так и в спектрах излучения. На рисунке напротив этот дублет обозначен D-1 и указывает на присутствие атомов натрия во внешней фотосфере Солнца. Эти спектральные линии также можно использовать для очень точного измерения частот, например, для атомных часов .

Хотя электроны электростатически отталкиваются друг от друга, до двух дополнительных электронов могут быть связаны, если есть орбитали с дополнительными свободными местами при наивысшей энергии занятых электронов (см. Сродство к электрону ). Химические реакции , d. ЧАС. Связь нескольких атомов с молекулой или большого числа атомов с твердым телом объясняется тем, что один или два электрона с одной из внешних орбиталей атома ( валентные электроны ) полностью перемещаются в свободное место в пространстве. орбитали соседнего атома ( ионная связь ) или есть определенная вероятность, что вы будете там ( ковалентная связь через связывающую пару электронов ). Электроотрицательность элементов определяет , при каком атоме электроны имеют больше шансов быть. Как правило, химические связи образуются таким образом , что атомы получают на электронную конфигурацию в благородном газе ( благородный газ правило ). Форма и заполнение его орбиталей имеют решающее значение для химического поведения атома. Поскольку они определяются исключительно числом протонов, все атомы с одинаковым числом протонов, то есть изотопы элемента, демонстрируют почти одинаковое химическое поведение.

Если два атома приближаются еще ближе за пределы химической связи, электроны одного атома должны переместиться на свободные, но энергетически невыгодные орбитали другого атома из-за принципа Паули, что приводит к увеличению потребности в энергии и, следовательно, к силе отталкивания.

литература

Электронная оболочка атома подробно описана во многих вводных книгах по атомной физике. Примеры:

• Вольфганг Демтредер: экспериментальная физика 3 - атомы, молекулы и твердые тела . 4-е издание. Springer, 2010 г., ISBN 978-3-642-03910-2 , DOI : 10.1007 / 978-3-642-03911-9 . 
• Герман Хук и Ганс К. Вольф: атомная и квантовая физика . 8-е издание. Springer, 2004 г., ISBN 3-540-02621-5 . 

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

1. ^ ^{A b c} Джулиан Швингер: Модель Томаса-Ферми: ведущая поправка . В кн . : Phys. Rev. A . Лента 22 , 1980, стр. 1827-1832 , DOI : 10.1103 / PhysRevA.22.1827 . 
2. ↑ Йорн Блек-Нойхаус: Элементарные частицы . От атомов к стандартной модели к бозону Хиггса. 2-е, переработанное издание. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , ISSN  0937-7433 , DOI : 10.1007 / 978-3-642-32579-3 .  С. 99.
3. ^ С. Лундквист, Г. Мухопадхьяй: Коллективные аспекты атомной динамики . В кн . : Physica Scripta . Нет. 21 , 1980, стр. 503-509 , DOI : 10,1088 / 0031-8949 / 21 / 3-4 / 043 . 
4. ↑ ^{a b} Марк Винтер: Ковалентный радиус. Проверено 12 марта 2014 года .  
5. ↑ атомная оболочка. В: Spektrum.de. Проверено 13 мая 2020 года . 
6. ↑ LibreTexts: радиальное распределение плотности. LibreTexts, доступ к 31 октября 2020 . 
7. ^ ^{A b} Дэвид П. Стерн: атомное ядро ​​и ранняя модель атома Бора. NASA Goddard Space Flight Center, 16 мая 2005, доступ к 2 марта 2014 .  
8. ^ ^{A b} Нильс Бор, Нобелевская премия по физике 1922 г., Нобелевская лекция. Нобелевский фонд, 11 декабря 1922, доступ к 2 марта 2014 .  
9. ^ ^{A b} Гилберт Н. Льюис: Атом и молекула . В: Журнал Американского химического общества . Лента 38 , нет. 4 , апрель 1916 г., стр. 762-786 , DOI : 10.1021 / ja02261a002 . 
10. ↑ ^{a b} Вальтер Коссель: О формировании молекул как вопросе атомной структуры. Annalen der Physik Vol. 49, 1916, стр. 229-362, DOI : 10.1002 / andp.19163540302 .
11. ^ ^{A b} Нильс Бор: Атомная структура . В кн . : Природа . Лента 107 , 1921, стр. 104-107 , DOI : 10.1038 / 107104a0 . 
12. ↑ ^{а б} Кевин Браун: Атом водорода. MathPages, 2007, доступ к 2 марта 2014 .  
13. ^ ^{A b} Дэвид М. Харрисон: Развитие квантовой механики. Университет Торонто, март 2000 года, доступ к 2 марта 2014 .  
14. ↑ ^{а б} Ю. Ральченко, А.Е. Крамида, J. ​​Читатель: База данных атомных спектров NIST. Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, 2008 г., по состоянию на 2 марта 2014 г. (версия 5).  
15. ^ Леонид И. Пономарев: Квантовые кости . 2-е издание. Издательство Inst. Of Physics, 1993, ISBN 0-7503-0251-8 , стр. 14-15 . 
16. ↑ Йорн Блек-Нойхаус: Элементарные частицы . От атомов к стандартной модели к бозону Хиггса. 2-е, переработанное издание. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , ISSN  0937-7433 , глава 1, DOI : 10.1007 / 978-3-642-32579-3 . 
17. ↑ Дик Терези: Утраченные открытия: Древние корни современной науки - от вавилонян до майя . Саймон и Шустер, 2003, ISBN 0-7432-4379-X , стр. 213-214 . 
18. ^ Роберт Зигфрид: от элементов к атомам: история химического состава . В: Труды Американского философского общества . Лента 92 , нет. 4 . Американское философское общество, 2002, ISBN 0-87169-924-9 , стр. 42-55 . 
19. ↑ Чарльз Киттель: Введение в физику твердого тела. 7-е издание 1988 г., Verlag R. Oldenbourg (Мюнхен), стр. 16.
20. ↑ Элементы химии Лавуазье. В кн . : Элементы и атомы. Ле Мойн Колледж, Химический факультет, доступ к 2 марта 2014 .  
21. ^ Чарльз Адольф Вюрц: атомная теория . Д. Эпплтон и компания, Нью-Йорк, 1881 г., стр. 1-2 . 
22. ^ Дж. Далтон: Новая система химической философии, часть 1 . С. Рассел, Лондон / Манчестер 1808. 
23. ^ Ф. Даннеманн: Естественные науки в их развитии и в их контексте. Том 3, Верлаг В. Энгельманн 1922, с. 198.
24. ↑ Лошмидт: О размере молекул воздуха. В кн . : Отчеты заседаний Императорской Академии наук в Вене. Том 52, 1866 г., Отдел II, стр. 395-413.
25. ↑ Альберт Эйнштейн: О движении частиц, взвешенных в покоящихся жидкостях, требуемом молекулярно-кинетической теорией тепла . В кн . : Анналы физики . Лента 322 , нет. 8 , 1905, стр. 549-560 , doi : 10.1002 / andp.19053220806 ( PDF ( памятная записка от 18 марта 2006 г. в Интернет-архиве ) [доступ 4 февраля 2007 г.]). О движении частиц, взвешенных в покоящихся жидкостях, в соответствии с требованиями молекулярно-кинетической теории тепла ( памятная записка от 18 марта 2006 г. в Интернет-архиве ) 
26. ^ Роберт М. Мазо: Броуновское движение: флуктуации, динамика и приложения . В кн . : Международная серия монографий по физике . Лента 112 . Oxford University Press, 2002, ISBN 0-19-851567-7 , стр. 1-7 . 
27. ^ YK Ли, Кельвин Хун: Броуновское движение. (Больше не доступны в Интернете.) Imperial College, London, 1995, архивируются с оригинала на 18 декабря 2007 года ; Доступ к 2 марта 2014 года .  
28. ^ Г. Паттерсон: Жан Перрен и триумф атомной доктрины . В: Endeavour . Лента 31 , вып. 2 , 2007, с. 50-53 , DOI : 10.1016 / j.endeavor.2007.05.003 . 
29. ^ Нобелевский фонд: JJ Thomson. Nobelprize.org, 1906, доступ к 2 марта 2014 .  
30. ^ Э. Резерфорд: Рассеяние α и β частиц веществом и структура атома . В: Философский журнал . Лента 21 , 1911, стр. 669-688 ( сканы [доступ 2 марта 2014 г.]). 
31. ↑ Фредерик Содди, Нобелевская премия по химии 1921 года. Нобелевский фонд, по состоянию на 2 марта 2014 года .  
32. ^ Джозеф Джон Томсон: Бейкерская лекция: Лучи положительного электричества . В: Труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического и физического характера . Лента 89 , нет. 607 , 1913, стр. 1–20 ( royalsocietypublishing.org [PDF; по состоянию на 2 марта 2014 г.]). 
33. ^ Фрэнсис В. Астон: Состав атмосферного неона . В: Философский журнал . Лента 39 , нет. 6 , 1920, с. 449-455 . 
34. ↑ Джеймс Чедвик: Нобелевская лекция: Нейтрон и его свойства. Нобелевский фонд, 12 декабря 1935, доступ к 2 марта 2014 .  
35. ^ Лиз Мейтнер, Отто Роберт Фриш: Распад урана нейтронами: новый тип ядерной реакции . В кн . : Природа . Лента 143 , 1939, стр. 239 . 
36. ↑ Манфред Шредер: Лиз Мейтнер - К 125-летию твоего дня рождения . ( Интернет [доступ 2 марта 2014 г.]). Онлайн ( памятная записка от 19 июля 2011 г. в Интернет-архиве ) 
37. ^ Свен Кулландер: ускорители и лауреаты Нобелевской премии. Нобелевский фонд, 28 августа 2001, доступ к 2 марта 2014 .  
38. ↑ Персонал: Нобелевская премия по физике 1990 года Нобелевский фонд, 17 октября 1990, доступ к 2 марта 2014 .  
39. ↑ П. Домокос, Дж. Янски, П. Адам: Метод одноатомной интерференции для генерации фоковских состояний . В: Физическое обозрение . Лента 50 , 1994, стр. 3340-3344 , DOI : 10,1103 / PhysRevA.50.3340 . 
40. ^ Нобелевская премия по физике 1997 года Нобелевский фонд, 15 октября 1997, доступ к 2 марта 2014 .  
41. ↑ Мэрилин Джекокс, Дж. Уильям Гадзук: Сканирующий туннельный микроскоп. Национальный институт стандартов и технологий, ноябрь 1997 года, доступ к 2 марта 2014 .  
42. ^ Нобелевская премия по физике 1986 г. Нобелевский фонд, доступ осуществлен 11 января 2008 г. (на английском языке, в частности, лекция о присуждении Нобелевской премии Г. Биннигу и Х. Рореру).  
43. ↑ Дживун Парк и др. : Кулоновская блокада и эффект Кондо в одноатомных транзисторах . В кн . : Природа . Лента 417 , нет. 6890 , 2002, с. 722-725 , DOI : 10.1038 / nature00791 . 
44. ↑ Г. Ауди, О. Берсиллон, Дж. Блахот, А. Х. Вапстра: Оценка ядерных свойств и свойств распада с помощью NUBASE . В кн . : Ядерная физика . А 729, 2003 г., стр. 3–128 , DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 (на английском языке, in2p3.fr [PDF; доступ осуществлен 2 марта 2014 г.]). 
45. ↑ Запись об изотопах. В: Römpp Online . Георг Тиме Верлаг, доступ 2 февраля 2014 г.
46. ↑ Роджер Барретт, Дафна Джексон , Хабатва Мвин: Странный мир экзотического атома . В: New Scientist . Нет. 1728 , 1990, стр. 77–115 ( онлайн [доступ 2 марта 2014 г.]). 
47. ^ Пол Инделикато: Экзотические атомы . В кн . : Physica Scripta . Т112, 2004, с. 20-26 , DOI : 10,1238 / Physica.Topical.112a00020 . 
48. ↑ Барретт Х. Рипин: Недавние эксперименты с экзотическими атомами . Американское физическое общество, июль 1998 г. ( онлайн [доступ 2 марта 2014 г.]). 
49. ↑ Крейг Дж. Копи, Дэвид Н. Шрамм, Майкл С. Тернер: Нуклеосинтез Большого Взрыва и барионная плотность Вселенной . В кн . : Наука . Лента 267 , 1995, стр. 192-199 , DOI : 10.1126 / science.7809624 , PMID 7809624 . 
50. ↑ Брайан Эбботт: Микроволновая печь (WMAP) All-Sky Survey. (Больше не доступны в Интернете.) Hayden Planetarium, 30 мая 2007, в архиве с оригинала на 5 сентября 2008 года ; Доступ к 2 марта 2014 года .  
51. ↑ Д.К. Кнаут, С.Р. Федерман, Дэвид Л. Ламберт, П. Крейн: Недавно синтезированный литий в межзвездной среде . В кн . : Природа . Лента 405 , 2000, стр. 656-658 , DOI : 10.1038 / 35015028 . 
52. ↑ Майкл Бэнкс: Планк раскрывает «почти идеальную» вселенную. 21 марта 2013, доступ к 20 января 2014 .  
53. ↑ Масатака Фукугита, Джеймс Пиблз: Перечень космической энергии . 18 августа 2004 г., arxiv : astro-ph / 0406095 (англ.). 
54. ↑ Майкл Ричмонд: Межзвездная среда: Газ. Проверено 12 марта 2014 года .  
55. ↑ Артур Ф. Дэвидсен: Астрономия в дальнем ультрафиолете в миссии космического корабля Astro-1 . В кн . : Наука . Лента 259 , нет. 5093 , 1993, стр. 327-334 , DOI : 10.1126 / science.259.5093.327 , PMID 17832344 . 
56. ^ AGW Кэмерон: Изобилие элементов в солнечной системе . В: Обзоры космической науки . Лента 15 , 1970, стр. 121-146 . 
57. ↑ Джереми И. Пфеффер: Современная физика: вводный текст . Imperial College Press, 2000, ISBN 1-86094-250-4 , стр. 330-336 . 
58. ^ Татьяна Евремович: ядерные принципы в инженерии . Springer, 2005, ISBN 0-387-23284-2 , стр. 63 . 
59. ^ ER Cohen, et al. : Величины, единицы и символы в физической химии . 3. Издание. IUPAC & RSC Publishing, 2008, ISBN 978-0-85404-433-7 , стр. 88, 92 (на английском языке, онлайн [PDF; по состоянию на 28 апреля 2014 г.]). Онлайн ( памятная записка от 11 февраля 2014 г. в Интернет-архиве ) 
60. ^ Г. Ауди, А. Х. Вапстра, К. Тибо: оценка атомной массы Ame 2003 (II) . В кн . : Ядерная физика . A729, 2003, стр. 337-676 (на английском языке, онлайн [доступ 2 марта 2014 г.]). 
61. ↑ Вольфганг Демтредер: Experimentalphysik Vol. 4: Ядерная физика , частицы и астрофизика . 3. Издание. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-01597-7 , ISSN  0937-7433 , стр. 366-367 , DOI : 10.1007 / 978-3-642-01598-4 . 
62. ^ Эрвин В. Мюллер, Джон А. Паниц, С. Брукс Маклейн: Полевой ионный микроскоп с атомным зондом . В кн . : Обзор научных приборов . Лента 39 , нет. 1 , 1968, ISSN  0034-6748 , с. 83-86 , DOI : 10,1063 / 1,1683116 . 
63. ↑ Джим Лохнер, Мередит Гибб, Фил Ньюман: Что нам говорят Spectra? NASA / Goddard Space Flight Center, 30 апреля 2007, доступ к 2 марта 2014 .  
64. ↑ Марк Уинтер: Гелий. WebElements, 2007, доступ к 2 марта 2014 .  
65. ↑ Альберт Эйнштейн: Новое определение молекулярных размеров . Bern 1905 ( онлайн [PDF; дата обращения 25 марта 2014 г.]). 
66. ↑ Кристиан Винер: Объяснение атомистической природы состояния капельного жидкого тела и подтверждение того же посредством так называемых молекулярных движений . В кн .: Летопись Поггендорфа . Лента 118 , 1863, стр. 79-94 . 
67. ↑ Баур Г. и др.: Производство антиводорода. В: Physics Letters B . 368, № 3, 1996, стр. 251-258, DOI: 10.1016 / 0370-2693 (96) 00005-6 ; Препринт онлайн .