	Уровень: Глоссарии:

Элементарные частицы, атомы и молекулы

Все, что нас окружает, и вблизи, и в дали космических глубин, все, что составляет основу наблюдаемых нами свойств, связей и форм движения, или по-другому, бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, объединяется термином " 1 материя ". Материя несотворима и неуничтожима, вечна и бесконечна. Неотъемлемым атрибутом материи является движение. Последнее представляет собой не только перемещение тел относительно друг друга (механическое движение), но и любое изменение свойств, состояний, связей и т. п.

Всеобщие объективные формы бытия материи - это пространство и время. Одним из самых универсальных свойств материи является ее способность отражаться в нашем сознании.

Современной науке известны следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи:2 элементарные частицы , поля, атомы^* , 3 молекулы , макроскопические тела, геологические системы, 1 планеты , звезды, внутригалактические системы, Галактика^* , системы галактик. Особым типом материальных систем является живое вещество , т. е. множество организмов. Последние отличаются от других материальных объектов прежде всего своей способностью размножаться.

По современным представлениям, "кирпичиками", из которых складывается материя, являются так называемые элементарные частицы. Это - мельчайшие известные на сегодня составляющие материи. Но способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неразложимые " кирпичики ".

Число частиц, называемых современной наукой " элементарными " , очень велико: к настоящему времени их открыто около 300. Каждая элементарная частица за исключением абсолютно нейтральных имеет свою античастицу^* .

Множество элементарных частиц делится на две группы: адроны^*^* и лептоны^* . Одна частица - фотон^*^* - не входит ни в одну из этих групп. Указанное деление производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют частицы на основе законов сохранения ряда физических величин.

Различают следующие типы фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз и проявляется на расстояниях порядка 10^-15 м. Слабое взаимодействие, наоборот, гораздо слабее электромагнитного, но неизмеримо сильнее гравитационного.

Адроны^* участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные. Адроны делятся на барионы и мезоны. К числу барионов относятся гипероны и нуклоны. Нуклоны - общее название протонов^* и нейтронов^* , являющихся основными составляющими атомных ядер.

Лептоны - это частицы, которые участвуют во всех 4 фундаментальных взаимодействиях , кроме сильного. К числу лептонов относятся электроны^* , мюоны, электронные и мюонные нейтрино.

Термин "элементарные частицы " в значительной мере условен, так как не существует четкого критерия элементарности частицы. В частности, уже установлено, что адроны имеют сложную внутреннюю структуру и, как предполагают, состоят из так называемых кварков.

По времени возможного существования в свободном состоянии все элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся: фотоны^*, электронное и мюонное нейтрино, электроны^* , протоны^* и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10³ с для свободных нейтронов^* до 10^-22-10^-24 с для частиц, называемых резонансами.

К элементарным частицам, из которых состоят окружающие нас объекты, относятся электроны^*, протоны^* и нейтроны^*. Электроны представляют собой 5 стабильные отрицательно заряженные элементарные частицы массой около 9*10^-31 кг каждая. Электроны участвуют в электромагнитном , слабом и гравитационном взаимодействиях и, следовательно, относятся к лептонам^* . Электроны - один из основных структурных элементов вещества: электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные, химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.

Протоны^* также, как и электроны^*, относятся к 5 стабильным элементарным частицам, масса каждого из них превышает массу электрона в 1836 раз. Протон относится к барионам и представляет собой ядро легкого изотопа атома водорода (протия).

Нейтроны являются нейтральными элементарными частицами. Масса нейтрона немного превышает массу протона. Нейтроны относятся к барионам. В свободном состоянии они нестабильны и имеют время жизни около 16 минут. Вместе с протонами нейтроны образуют атомные ядра, причем, находясь в них, нейтроны стабильны.

Мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства, называется атомом. В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов и, следовательно, заряжено положительно. О числе протонов в ядре атома судят по порядковому номеру элемента в 6 периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева: число протонов в ядре атома какого-либо элемента равно его порядковому номеру в таблице.

Вокруг ядра атома движутся электроны^* Число электронов в каждом атоме равно числу протонов^* в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра). Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней 7 оболочке.

Электроны, входящие в состав атома располагаются на различных расстояниях от его ядра, движутся по орбитам разной формы, имеют различные скорости и, главное, различные энергии.

Невозможно изобразить строение атома графически. Для наглядности можно представлять электроны в виде ярко светящихся шариков, которые кружатся каждый на своей орбите вокруг ядра с невообразимо огромными скоростями. При этом каждый электрон практически мгновенно очерчивает сверкающую эллиптическую кривую. Его орбита постоянно меняет свое положение относительно орбит других электронов, описывая сложную и причудливую объемную фигуру, сливаясь в мерцающее облако. Это облако в одних местах наблюдателю казалось бы более ярким (в них электронная плотность выше), в других - менее ярким (вероятность пребывания в них электронов меньше). Но в облаке никаких отдельных электронов наблюдатель различить бы не смог.

Современная физика так и представляет себе атом^* : тяжелое ядро^* с расположенным вокруг него электронным облаком сложной структуры. Это облако является сплошным и непрерывным. Определить, где, в каких его точках в данный момент находятся электроны, невозможно. Это связано с тем, что, во-первых, пока что нет средств для такого наблюдения, во-вторых, электроны внутри атома проявляют двойственную природу: будучи, с одной стороны, 8 элементарными частицами, они, находясь в составе атомов, ведут себя так же как волны.

Опыты и расчеты на основе законов квантовой механики показывают, что в каждом атоме^* может быть несколько групп электронов^* , различающихся между собой энергией и образующих вокруг атомного ядра^* так называемые электронные оболочки. Их можно представлять себе в виде концентрических сфер. На рис. 22 они условно изображены в виде окружностей. Максимальное число электронных оболочек в атоме равно семи. Оболочки обозначают буквами латинского алфавита: ближе всего к атомному ядру располагается K-оболочка, затем идут L-, M-, N-, O-, P- и Q-оболочки. От того, на какой из них находится электрон, зависит его энергия: на ближайшей к ядру K-оболочке энергия электрона минимальна.

Размеры электронных оболочек определяют размеры атома в целом. Они составляют не более 10^-6 м.

Если электрон^*, входящий в состав атома^* , переходит с какого-то уровня на более глубокий, то он излучает один квант^* лучистой энергии - фотон^*. Для характеристики этого явления каждой электронной оболочке приписывают так называемое главное квантовое число. Оно обозначается через n и равно одному из чисел натурального ряда от 1 до 7 (рис. 22). Главное квантовое число показывает максимально возможное число квантов, которое может испустить электрон, перемещаясь последовательно с одной орбиты на другую в направлении к ядру атома.^*

Электроны одной и той же оболочки могут двигаться по орбитам разного типа. Поэтому внутри каждой главной оболочки различают электронные подоболочки. Их число зависит от главного квантового числа n и равно ему. Каждый тип орбит, образующих подоболочку, характеризуется побочным квантовым числом l. Как и все квантовые числа, оно тоже является целым и может изменяться от 0 до n-1. Для электронных подоболочек используют обозначения буквами: s, p, d, f. Они соответствуют побочным квантовым числам: 0, 1, 2, 3. На рис. 23 в качестве примера условно изображены типовые орбиты всех подоболочек N-оболочки атома.

Каждая из электронных подоболочек состоит из нескольких одинаковых орбит, причем их число различно, хотя и однозначно соответствует каждому типу. Последнее зависит только от второго, побочного квантового числа и определяется так называемым "магнитным" квантовым числом m. Оно также является целым и может иметь 21+1 значений: от -l до +l. Это объясняется тем, что каждый электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, по существу, представляет собой виток обмотки, по которому проходит электрический ток. При этом возникает магнитное поле, позволяющее рассматривать каждую орбиту в атоме как плоский магнитный листок. При наложении на него внешнего магнитного поля каждая электронная орбита взаимодействует с ним и стремится занять в атоме определенное положение (рис. 24).

Каждый электрон^* , входящий в состав атома, еще и вращается, как планета на орбите, вокруг своей оси. Это свойство электрона называется "спин". В отличие от вращения тел в макромире, где возможны любые угловые скорости, угловая скорость электрона постоянна: ни замедлить, ни ускорить, ни остановить вращение электрона нельзя. Оно одинаково для всех электронов Вселенной. Единственно, чем могут различаться электроны, находящиеся в одном атоме, так это направлением вращения вокруг своей оси. Поэтому в атоме на каждой орбите может быть только или один, или два электрона (рис. 25).

Строение атомов изучают с помощью спектров. Оказывается, атом сам рассказывает о себе на языке спектральных линий света , испускаемого или поглощаемого атомом. Такая возможность связана с тем, что основной характеристикой атома является его энергия. Она может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие состояниям атомов, и изменяется только скачкообразно путем квантовых переходов. Поглощая порцию света, атом переходит на более высокий уровень энергии и становится возбужденным. Испустив в таком состоянии фотон^* , атом может перейти на более низкий уровень энергии. Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным. Изменения энергетических состояний атомов, или так называемые квантовые переходы, однозначно обусловливают соответствующие особенности спектров поглощения и испускания, которые абсолютно индивидуальны для всех атомов, имеющих одинаковую структуру.

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра образует химический элемент. В настоящее время известно 107 химических элементов. Из них 19, в том числе технеций, прометий, астат, франций, нептуний, плутоний были получены искусственно. Позже технеций, прометий и нептуний были обнаружены в земных породах, но лишь в ничтожных количествах. Наибольшее распространение на Земле имеют кислород, кремний, алюминий, железо, медь, натрий, калий, магний, титан, марганец. Они составляют 99,92% массы всей земной коры.

Тяжелые ядра являются неустойчивыми. Поэтому такие элементы, как америций и следующие за ним элементы в природе не обнаружены: их получают искусственно при ядерных реакциях.

Каждый атом 3.39 обозначается одной или двумя буквами латинского алфавита. Атом углерода обозначается C, кислорода - O, кальция - Ca, хлора - Cl. Для водорода, азота, серы приняты обозначения H, N, S. Атом натрия имеет обозначение Na, которое происходит от старого латинского названия поваренной соли natrium, а атом меди - Cu (от cuprum). Соединение одного атома кальция и одного атома кислорода - окись кальция (известь) обозначается CaO. Если же молекула какого-либо соединения содержит два одинаковых атома, то после их символа пишется индекс 2, например CO₂ или Н₂SO₄.

Распределение свойств у всех химических элементов подчинено строгой закономерности. Она была открыта в 1869 году Д.И.Менделеевым и сформулирована им в виде периодического закона химических элементов. Согласно этому закону свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер. При этом номер элемента в системе соответствует заряду ядра атома.

Периодическая система изображается обычно в виде таблицы элементов. Имеется много вариантов этих таблиц, но на практике наиболее часто используются две. Химические элементы располагаются в них в порядке возрастания зарядов ядер: водород, гелий, литий, бериллий и т. д., - образуя семь периодов: в первом - 2 элемента, во втором и третьем - по 8, в четвертом и пятом - по 18, в шестом - 32, в седьмом - 21 элемент.

Здесь Вы можете ознакомиться с периодической таблицей Д.И.Менделеева,^* а так же по каждому химическому элементу посмотреть его некоторые физические и химические свойства.

В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к инертным газам. Группы элементов, сходных по свойствам, образуют вертикальные столбцы. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно. Например, у щелочных металлов при переходе от лития к францию возрастает химическая активность. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением строения внешних электронных оболочек атомов. Последнее определяет химические и многие физические свойства элементов, а они однозначно задают положение элементов в системе.

Атомы^* , соединяясь друг с другом химически, образуют молекулы. Молекула представляет собой наименьшую частицу вещества, обладающую всеми его химическими свойствами. Каждая молекула состоит из атомов, соединенных химическими связями. Число атомов в молекуле химического соединения может быть различным: от двух до тысяч (например, в молекулах белков). Молекула полимера называется макромолекулой.

Количественный и качественный состав молекулы выражается химическими формулами. Для записи этих формул используются соответствующие химические знаки.

Различают формулы: эмпирические, или брутто-формулы, рациональные и структурные. Эмпирические формулы показывают общее число атомов в молекуле. В рациональных формулах выделяют группы атомов, характерные для данного класса соединений. Структурные формулы характеризуют расположение атомов в молекуле. Например, формулы этилового спирта имеют вид:

эмпирическая - C₂H₆O,

рациональная - C₂H₅OH,

структурная -

В основе современного учения о строении вещества лежат Периодический закон и Периодическая система химических элементов. Они играют первостепенную роль в изучении всего многообразия веществ и синтезе новых элементов.