atom - Atom


Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

hel atomu
Hel stan atom masą.
Ilustracją helu atomu przedstawiający jądro (różowe) i chmura elektronów dystrybucję (czarny). Jądro (górny prawy) w hel-4 jest rzeczywiście sferycznie symetryczne i przypomina chmura elektronów, ale w przypadku bardziej skomplikowanych jąder nie zawsze ma to miejsce. Czarny słupek jest angstremów ( 10 -10  m lub 100  pm ).
Klasyfikacja
Najmniejsza rozpoznawane oddziałem pierwiastka
Nieruchomości
Zakres masa 1,67 x 10 -27 do 4,52 x 10 -25  kg
Ładunek elektryczny zerowej (zero) lub jonowy ładunek
średnica zakres 62 pm ( On ) do 520 pm ( Cs ) ( Dane )
składniki Elektrony i zwarta jądro z protonów i neutronów

Atom jest najmniejszą jednostką składową zwykłej materii , który ma właściwości pierwiastka . Każdy stały , ciekły , gazem , a plazma składa się z obojętnych lub zjonizowanego węgla. Atomy są bardzo małe; Typowe rozmiary około 100  picometers (dziesięć billionth miernika w krótkiej skali ).

Atomy są na tyle małe , że próbując przewidzieć ich zachowanie za pomocą fizyki klasycznej - jak gdyby były kule bilardowe , na przykład - daje zauważalnie błędnych prognoz ze względu na efekty kwantowe . Poprzez rozwój fizyki, modele atomowe zostały włączone zasady kwantowe , aby lepiej wyjaśnić i przewidzieć takie zachowanie.

Każdy atom składa się z pierścienia i jednego lub więcej elektronów związany, do jądra. Jądro jest wykonany z jednego lub więcej protonów i zwykle podobna liczba neutronów . Protony i neutrony są nazywane nukleony . Więcej niż 99,94% atomu w masie znajduje się w jądrze komórkowym. Protony mają dodatni ładunek elektryczny , elektrony mają ujemny ładunek elektryczny i neutrony nie ładunek elektryczny. Jeśli liczba protonów i elektronów są równe, to atomu jest elektrycznie obojętny. Jeśli atom ma mniej lub więcej elektronów niż protonów, to ma całkowity ładunek dodatni lub ujemny, odpowiednio, i jest nazywany jonów .

Elektrony atomu pociąga protonów w jądra atomowego przez to siłę elektromagnetyczną . Protony i neutrony jądra są ze sobą wzajemnie połączone za pomocą innego siły nacisku, siły jądrowej , która jest zwykle większa niż siła elektromagnetyczna hydrofobowość dodatnio naładowane protony od siebie. W pewnych okolicznościach, odpychające siły elektromagnetyczne się większa niż siła jądrowego i nukleony można wyjąć z jądra, pozostawiając inny element: rozpadu promieniotwórczego w wyniku transmutacja .

Liczba protonów w jądrze określa, do jakiego pierwiastka atom należy, na przykład, wszystkie miedzi węgla zawiera 29 protonów. Liczba neutronów określa izotopy tego elementu. Ilość elektronów wpływa na magnetyczne właściwości atomu. Węgla, można dołączyć do jednego lub więcej innych atomów przez wiązania chemiczne z wytworzeniem związki chemiczne , takie jak cząsteczki . Zdolność atomów skojarzyć i dysocjacji jest odpowiedzialny za większość zmian fizycznych występujących w naturze i jest przedmiotem dyscypliny chemii .

Historia teorii atomowej

Atomy w filozofii

Idea, że materia składa się z odrębnych jednostek jest bardzo stary pomysł, występując w wielu starożytnych kultur, takich jak Grecja i Indiach. Słowo „atom” ( grecki : ἄτομος ; Atomos ), co oznacza „uncuttable” został ukuty przez starożytnych filozofów greckich Leukippos i jego uczeń Demokryt ( ok. 460 - ok. 370 pne). Demokryt nauczał, że atomy są nieskończone liczby, stworzonym i wieczne, i że w wyniku cech obiektu od rodzaju atomów, które ją tworzą. Atomizm Demokryta została udoskonalona i opracowany przez późniejszego filozofa Epikura (341-270 pne). Podczas wczesnego średniowiecza , Atomizm została zapomniana głównie w Europie Zachodniej, ale przetrwała wśród niektórych grup islamskich filozofów. Podczas XII Atomizm stała się znana w Europie Zachodniej ponownie poprzez odniesienia do niej w nowo odnalezionych pism Arystotelesa .

W XIV wieku, odkrycie najważniejszych dzieł opisywaniu nauk atomista, w tym Lukrecjusz „s De rerum natura i Diogenes Laertios ” s Lives i opinie wybitnych filozofów , uczonych doprowadziły do zwiększonej uwagi na ten temat. Niemniej jednak, ponieważ Atomizm wiązało się z filozofią epikureizm , która zaprzeczyła ortodoksyjnych nauk chrześcijańskich, wiara w atomach nie było uznane za dopuszczalne. Francuski ksiądz katolicki Pierre Gassendi (1592-1655) reaktywowana Epicurean atomizm z modyfikacjami, twierdząc, że atomy zostały stworzone przez Boga i, choć bardzo liczne, nie są nieskończone. Gassendi za zmodyfikowana teoria atomów została spopularyzowana we Francji przez lekarza François Bernier (1620-1688) oraz w Anglii przez filozof Walter Charletona (1619-1707). Chemik Robert Boyle (1627-1691) i fizyk Izaak Newton (1642-1727) zarówno bronił atomizm, a pod koniec XVII wieku, stało się akceptowane przez części społeczności naukowej.

Po pierwsze teoria oparta na dowodach

Różne atomy i cząsteczki, jak pokazano na John Dalton jest nowy system filozofii Chemical (1808).

Na początku 1800 roku, John Dalton wykorzystał koncepcję atomów wyjaśnić dlaczego elementy zawsze reagują w stosunku niewielkich liczb całkowitych (The prawa wielu proporcjach ). Na przykład, istnieją dwa rodzaje tlenku cyny : pierwsza 88,1% cyny i 11,9% tlenu, a drugi oznacza 78,7% cyny i 21,3% tlenu ( cyny (II), tlenek i cyny dwutlenek odpowiednio). To oznacza, że 100 g cyny będzie łączyć albo z 13,5 g lub 27 g tlenu. 13,5 i 27 tworzą w stosunku 1: 2, a stosunek małej liczby całkowite. Ten wspólny wzorzec chemii sugeruje Dalton, że elementy reakcji w wielokrotnościach jednostek odrębnych - innymi słowy węgla. W przypadku tlenków cyny, jeden atom cyny połączą się z jednym lub dwoma atomami tlenu.

Dalton Uważa się również teoria atomowa mogłaby wyjaśnić, dlaczego woda absorbuje różnych gazów w różnych proporcjach. Na przykład, okazało się, że woda absorbuje dwutlenek węgla znacznie lepsze niż absorbuje azotu . Daltonów hipotezę, to ze względu na różnice w masie i konfiguracji odpowiednich Cząstki GAZÓW i cząsteczki dwutlenku węgla (CO 2 ) są cięższe i większe niż cząsteczki azotu (N 2 ).

Ruchy Browna

W 1827 roku, botanik Robert Brown użył mikroskopu patrzeć ziaren pyłu unoszące się w wodzie i odkrył, że przeniósł się o chaotycznie, fenomen, który stał się znany jako „ ruchy Browna ”. Czy ta uważana za spowodowane przez cząsteczki wody pukanie ziarna około. W 1905 roku Albert Einstein udowodnił rzeczywistość tych cząsteczek i ich ruchów produkując pierwsze Fizyka statystyczna analiza ruchów Browna . Francuski fizyk Jean Perrin wykorzystywane do prac Einsteina doświadczalnie określić masę i rozmiary atomów, co niezbicie weryfikacji teorii atomowej Daltona .

Odkrycie elektronu

Eksperyment Rutherforda
Góra: Oczekiwane wyniki: cząstki alfa przechodzących pudding modelu śliwki atomu z nieznacznym ugięcia.
Spód: Obserwowane wyniki: mała część cząstki odchylane przez stężonego dodatni ładunek jądra.

Fizyk JJ Thomson mierzono masę promieniowaniem katodowym , pokazując były wykonane z cząstek, ale było około 1800 razy lżejszy niż najlżejszych atomu wodoru . W związku z tym nie były one atomy, ale nowa cząstka, pierwszy subatomowych cząstek na odkrycie, który pierwotnie zwany „ ciałko ”, ale został później nazwany elektron po cząstek postulowanych przez George Johnstone Stoney w roku 1874. Pokazał również były identyczne cząstki wydzielane przez optycznych materiałów promieniotwórczych. Jest szybko zauważyć, że są to cząstki, które niosą prądów elektrycznych drutów metalowych, i niosą ujemny ładunek elektryczny w węgla. Thomson otrzymał 1906 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za tę pracę. Tak więc przewrócił się przekonanie, że atomy są niepodzielne, ostateczny cząstki materii. Thomson również nieprawidłowo Postuluje się, że mała masa ujemnie naładowane elektrony rozłożone atomu jednolicie morzu ładunek dodatni. Ten stał się znany jako modelu pudding śliwkowy .

Odkrycie jądra

W 1909 Hans Geiger i Ernest Marsden , zgodnie z kierunkiem Ernest Rutherford , bombardowane folii metalowej z cząstkami alfa , aby zauważyć, w jaki sposób rozproszony. Oczekuje się, że wszystkie cząstki alfa przechodzić prosto z niewielkim odkształceniem, ponieważ wzór Thomsona, że ładunki na atomie są tak, że ich pola rozproszenia elektryczne nie mogą wpływać na wiele cząstek alfa. Jednakże, Geiger i Marsden dostrzeżone cząstki alfa odchylane kątami większymi niż 90 ° C, który ma być możliwe w zależności od modelu Thomsona. Aby to wyjaśnić, Rutherford, zaproponowano, że dodatni ładunek atomu zatęża się w małe jądra w środku atomu.

Odkrycie izotopów

Podczas eksperymentowania z produktami rozpadu promieniotwórczego , w 1913 radiochemist Frederick Soddy odkryli, że wydawało się, że więcej niż jeden rodzaj atomu w każdym miejscu na okresowym . Określenie izotopów zostało wprowadzone przez Margaret Todd jako odpowiedni nazwy różnych węgla, które należą do tego samego elementu. JJ Thomson stworzył technikę rozdzielania izotopów poprzez pracę nad zjonizowanych gazów , które następnie doprowadziły do odkrycia stabilnych izotopów .

Model Bohra

Bohra model atomu elektronoakceptorową co „chwilowych skoków kwantową” z jednej orbity do drugiego. Model ten jest już nieaktualny.

W 1913 roku fizyki Niels Bohra zaproponowano model, w którym założono elektronów atomu, aby obracać się z jądra, ale może to zrobić jedynie w ograniczonym zestawie orbit i może przeskoczyć między tymi orbity tylko w nieciągłych zmian energii odpowiadające absorpcji lub promieniowanie fotonu. Kwantyzacja ta została wykorzystana w celu wyjaśnienia dlaczego elektrony orbity są stabilne (ponieważ normalnie koszty na przyspieszenie, kołową ruchu tracić energii kinetycznej emitowanego promieniowania elektromagnetycznego patrz promieniowania synchrotronowego ) i dlatego elementy pochłaniania i emitowania promieniowania elektromagnetycznego w widmie dyskretnej ,

Później w tym samym roku Henry Moseley dostarczyła dodatkowych dowodów eksperymentalnych na korzyść teorii Nielsa Bohra . Wyniki te rafinowany Ernest Rutherford „S Antonius Van den Broek ” System S, w którym zaproponowano, że atom zawiera w swoim jądrze wielu dodatnich ładunków jądrowych równą jej (liczby atomowej) w układzie okresowym. Dopóki te eksperymentach liczbie atomowej nie było wiadomo, że wielkość fizyczną i eksperymentalny. Że jest równa atomowej za jądrowej pozostaje przyjęty model atomowy dzisiaj.

Wiązanie chemiczne wyjaśnione

Wiązania chemiczne między atomami zostały objaśnione przez Gilbert Newton Lewis, 1916, ponieważ oddziaływania pomiędzy ich elektronów składowych. Ponieważ chemiczne były znane z wielu elementów, które powtarzają się w dużym stopniu w zależności od prawa okresowego , 1919 American chemik Irving Langmuira sugerują, że można to wyjaśnić tym, że elektrony z atomem lub skupione były połączone w pewien sposób. Grupy elektronów uważano zajmują zestaw elektronowych powłok o jądrze.

Dalszy rozwój w fizyce kwantowej

Sterna Gerlach eksperyment 1922 dostarczyły dalszych dowodów kwantowej natury właściwości atomowych. Gdy wiązka atomów srebra przepuszczono przez specjalnie ukształtowanego pola magnetycznego, wiązka podzielono w taki sposób, skorelowane z kierunkiem pędu atomu, albo wirowanie . Ponieważ kierunek wirowania jest początkowo losowo, można by się spodziewać wiązka odchylić w losowym kierunku. Natomiast belka była podzielona na dwie kierunkowych elementów, odpowiednio do atomu wirowania są skierowane do góry lub w dół w stosunku do pola magnetycznego.

W 1925 roku Werner Heisenberg opublikował pierwszą spójną postulaty mechaniki kwantowej ( Mechanics Matrix ). Rok wcześniej, w 1924 roku, Louis de Broglie zaproponował, że wszystkie cząstki zachowują się w takim stopniu, jak fale, a w 1926 roku Erwin Schrödinger użył tego pojęcia do opracowania modelu matematycznego atomu (mechanika mikrofalowa), że opisany elektrony jako trzy- wymiarowe przebiegi zamiast cząsteczek punktowych.

Konsekwencją pomocą przebiegów opisać cząstek jest to, że jest to matematycznie możliwe do uzyskania dokładnych wartości zarówno dla położenia i pędu cząstki w danym punkcie w czasie; ten stał się znany jako zasada nieoznaczoności , sformułowana przez Wernera Heisenberga w 1927 roku W tej koncepcji, dla danej dokładności pomiaru położenia można jedynie uzyskać wartości z zakresu prawdopodobnych do pędu, i vice versa. Model ten był w stanie wyjaśnić obserwacje zachowań atomowej, że poprzednie modele nie dało, takie jak pewne strukturalne i spektralnych wzorów większych niż atomy wodoru. Tak więc, planetarny model atomu odrzucono za ten, który opisano Orbital strefy wokół jądra, gdzie dany elektronów najprawdopodobniej należy przestrzegać.

Odkrycie neutronu

Rozwój spektrometru pozwoliło na masę atomów mierzone ze zwiększoną dokładnością. Urządzenie wykorzystuje magnes zginać trajektorii wiązki jonów, a ugięcie określa się na podstawie stosunku masy atomu, aby rozładować. Chemik Francis William Aston stosować ten instrument, aby pokazać, że izotopy mają różne masy. Masa atomowa tych izotopów różniły ilościach całkowitych, zwany cały Zasada numer . Wytłumaczeniem tych różnych izotopów oczekiwany odkrycie neutronu , naładowanej cząsteczki o masie podobny do protonu , przez fizyków James Chadwick w 1932 Izotopy następnie objaśniony za elementy o tej samej liczbie protonów, lecz różne liczby neutronów w jądrze.

Rozszczepienie, fizyka wysokich energii i skondensowane sprawa

W 1938 roku niemiecki chemik Otto Hahn , uczeń Rutherford, skierowany na atomy uranu neutronami spodziewających się dostać transuranowców . Zamiast tego, jego eksperymenty chemiczne wykazały baru jako produkt. Rok później, Lise Meitner i jej siostrzeńca Otto Frisch sprawdzeniu, że wynik Hahna były pierwsze eksperymentalne rozszczepienia jądrowego . W 1944 Hahn otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Pomimo wysiłków Hahna, wkładów Meitner i Frisch nie zostały rozpoznane.

W 1950 roku, rozwój ulepszonych akceleratorów cząstek i detektorów cząstek pozwoliło naukowcom na zbadanie oddziaływania atomów poruszających się przy wysokich energiach. Neutrony i protony okazały się hadronów lub kompozyty mniejszych cząstek zwanych kwarkom . Standardowy model fizyki cząstek został opracowany, że do tej pory nie udało wyjaśnione właściwości pod względem jądra tych cząstek sub-atomowych i sił, które rządzą ich interakcji.

Struktura

Cząstki elementarne

Jeśli słowo atom pierwotnie oznaczały cząstki, które nie może być cięty na mniejsze cząstki, w nowoczesnych użycia naukowej atom składa się z różnych cząsteczek subatomowymi . Cząstki składowe atomu są elektronów The protonowej i neutronów ; wszystkie trzy są fermionami . Jednakże, wodór 1 atomu ma neutronów i jonów Hydron ma elektrony.

Elektron jest zdecydowanie najmniej masowe tych cząstek na 9,11 x 10 -31  kg , z ujemnym ładunkiem elektrycznym i rozmiarze, które są zbyt małe, aby mierzyć stosując dostępne techniki. Było to najlżejszy cząstek z dodatnim reszty masy mierzonych, do odkrycia neutrinowym masy. W zwykłych warunkach elektrony związana z dodatnio naładowaną jądra przez przyciąganie utworzonego z przeciwnych ładunkach. Jeśli atom ma mniej lub więcej elektronów niż ich liczbie atomowej, a następnie staje się odpowiednio ujemnie i dodatnio naładowane jako całości; naładowany atom nazywany jonów . Elektrony są znane od końca 19 wieku, głównie dzięki JJ Thomsona ; zobacz historię fizyki subatomowych o szczegóły.

Protony mają ładunek dodatni i masę 1,836-krotnie większa od elektronu w 1.6726 x 10 -27  kg . Liczba protonów atomu nazywa swoje liczbę atomową . Ernest Rutherford (1919) zaobserwowali, że azot pod alfa bombardowanie cząstkami wyrzuca co wydawało się jąder wodoru. Do 1920 r, którą przyjmuje się, że jądro wodoru odrębne cząstki w atomu i nazwano go protonowej .

Neutrony nie ładunek elektryczny i mają wolny masę 1,839 krotność masy elektronu lub 1.6929 x 10 -27  kg , najcięższe trzech cząstki składowe, ale może być zmniejszona o energii wiązania atomowego . Neutrony i protony (zbiorczo określane jako nukleony ) mają porównywalne wymiary-on rzędu 2,5 x 10 -15  m -Mimo określenia „powierzchnia” tych cząstek nie jest wyraźnie zdefiniowane. Neutron została odkryta w 1932 roku przez angielskiego fizyka James Chadwick .

W Modelu Standardowego fizyki, elektrony są naprawdę cząstki elementarne bez struktury wewnętrznej. Jednak oba protony i neutrony są cząstki kompozytowe składające się z cząstek elementarnych zwanych twarogi . Istnieją dwa typy kwarkach w atomach, z których każdy posiada częściowo ładunek elektryczny. Protony składają się z dwóch się kwarkach (każde za + 2 / 3 ) i jeden twarogu w dół (z ładunkiem - 1 / 3 ). Neutrony składają jeden kwark górny i dwa kwark dolny. Ta różnica stanowi różnicę w masie i ładunku pomiędzy dwiema cząstkami.

Kwarki są utrzymywane razem przez silne oddziaływania (lub dużej siły), które pośredniczą gluonami . Protony i neutronów z kolei są utrzymywane ze sobą w jądrze przez siły jądrowego , który jest pozostałość z dużą siłą, która ma nieco inny przedział-właściwościach (patrz artykuł w życie jądrowego dla informacji). Gluonu jest członkiem rodziny bozonów wzorcowych , które to cząstki elementarne, które pośredniczą siły fizyczne.

Jądro

Energia wiązania potrzebne do nukleon uciec z jądra, z różnych izotopów

Cały związany protony i neutrony atomu tworzą mały rdzeń atomowy , i są zbiorowo nazywane nukleony . Promień pierścienia jest w przybliżeniu równa 1,07  3A  fm , gdzie oznacza całkowitą liczbę nukleony. To jest znacznie mniejszy niż promień atomu, który jest rzędu 10 5  fm. W nukleony są ze sobą połączone za pomocą krótkiego wahał atrakcyjnym potencjale zwanej resztkowa silny siłą . W odstępach mniejszych niż 2,5 fm siła ta jest znacznie bardziej skuteczne, niż siły elektrostatyczne , które powoduje dodatnio naładowanej protonów do odpychają.

Atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów, zwana liczba atomowa . W obrębie jednego elementu, liczba neutronów może być różna, ustalania izotopu tego pierwiastka. Całkowita liczba protonów i neutronów określenia radionuklidu . Liczba neutronów w stosunku do protonów określa stabilność jądra pewne izotopy trakcie rozpadu radioaktywnego .

Proton elektron i neutronów są klasyfikowane jako fermionami . Fermionami przestrzegać zakaz Pauliego , który zabrania identycznych fermionów, jak wielu protonów, zajmowały ten sam stan kwantowy w tym samym czasie. W ten sposób, każdy protonowej jądra muszą zajmować stan kwantowy różni się od wszystkich innych protonów, to samo stosuje się do wszystkich neutronów jądra i wszystkie elektrony z chmurą elektronową.

Jądro, który ma różną liczbę protonów, neutronów niż potencjalnie może spaść do dolnej stanie energetycznym przez rozpad radioaktywny, który powoduje liczbę protonów, neutronów i bardziej zbliżonych. W wyniku tego atomy z dopasowania liczby protonów, neutronów i są trwałe pod względem rozkładu. Jednakże, wraz ze wzrostem liczby atomowej wzajemne odpychanie protonów, wymaga coraz większej części neutronów, aby utrzymać stabilność jądra, które nieznacznie modyfikuje ten trend równej liczby protonów neutronów.

Ilustracja procesu syntezy jądrowej, tworzy jądro deuteru, składający się z protonu i neutronu z dwóch protonów. Pozyton (e + ) -an antymateria elektronów jest emitowane wraz z elektronowego neutrinem .

Liczba protonów i neutronów jądra atomowego może być modyfikowane, ale może to wymagać bardzo wysoką energię, ze względu na dużą siłą. Syntezę jądrową występuje, gdy wiele cząstek atomowych, łączą się tworząc cięższe jądro, taki jak za pomocą energicznego zderzenia dwóch jąder. Na przykład, w rdzeniu protonów Sun wymaga energii 3-10 keV przezwyciężyć wzajemnego odpychania-na barierę kulomb -I zespalać w jednym pierścieniu. Rozszczepienia jądrowego jest odwrotny proces, powodując jądro podzielić na dwie mniejsze jąder-zwykle poprzez rozpad promieniotwórczy. Jądro można również modyfikować poprzez bombardowanie cząstek elementarnych o wysokiej energii lub fotonów. Jeśli to modyfikuje liczbę protonów w jądrze, atom zmienia się w różnych pierwiastków chemicznych.

Jeżeli masa jądra po reakcji syntezy jest mniejsza niż suma mas poszczególnych cząstek, a różnica pomiędzy tymi dwiema wartościami może być wysyłany jako rodzaj energii do użytku (takich jak promień gamma lub energii kinetycznej z cząstek beta ), jak opisano przez Einsteina jest masa energii równoważności wzorze, e  =  mc 2 , gdzie m jest utrata masy, a c jest prędkością światła . Deficyt ten jest częścią energii wiązania nowego pierścienia, a to jest nie do odzyskania straty energii, co powoduje, że stopione cząstki pozostają ze sobą w takim stanie, że wymaga to energia do oddzielania.

Fuzja z dwóch zarodków, które tworzą większe jądra o mniejszej liczbie niż atomowych żelaza i niklu -a ogółu nukleon około 60 zwykle jest procesem egzotermicznym , który uwalnia więcej energii, niż jest to wymagane do dostosowania ich razem. Jest to proces uwalniania energii sprawia, że fuzję jądrową gwiazdek samo-podtrzymania reakcji. Dla cięższych jąder, energia wiązania na nukleon w jądrze zaczyna się zmniejszać. Oznacza to, że proces fuzji wytwarzające jąder mających liczby atomowej powyżej około 26 i masę atomową większą niż około 60, jest procesem endotermicznym . Te cięższe zarodki nie ulegają reakcji syntezy wytwarzania energii, które może wytrzymać hydrostatyczne równowagi gwiazdy.

Chmura elektronowa

Potencjalny dobrze widoczne, według mechaniki minimalna energia V ( x ) konieczne do osiągnięcia każdego położenia X . Klasycznie, cząstki o energii E jest ograniczony do zakresu pozycji pomiędzy X 1 i x 2 .

Elektronów w atomie są przyciągane do protonów w jądrze przez siłę elektromagnetyczną . Siła ta wiąże elektronów wewnątrz elektrostatycznego potencjalnego odwiertu otaczającym mniejszy rdzeń, co oznacza, że potrzebne jest zewnętrzne źródło energii do elektronów w celu ucieczki. Im bliżej elektronów jest do jądra, większa siła przyciągania. Stąd elektrony związane blisko centrum studni potencjału wymaga więcej energii, aby uciec niż na większych rozdziałów.

Elektrony, jak inne cząstki mają właściwości zarówno cząstek stałych i fal . Chmura elektronów jest obszar wewnątrz potencjalnego studzience, w której każdy elektron tworzy rodzaj trójwymiarowej fali stojącej postaci fali -a, że nie przemieszcza się w stosunku do pierścienia. To zachowanie określa się przez Orbital , funkcja matematyczna, która charakteryzuje się prawdopodobieństwo, że elektron pojawia się w określonym miejscu, gdy jego pozycja jest mierzone. Tylko dyskretny (lub kwantowane ) zbiór tych orbitali występować wokół jądra, ponieważ inne możliwe wzory falowe szybko rozpadają się w bardziej trwałą postać. Orbit mogą mieć jedną lub więcej struktur pierścieniowych lub węzłów, i różnią się od siebie pod względem wielkości, kształtu i rozmieszczenia.

Funkcje falowe pierwszych pięciu orbitali atomowych. Trzy 2p orbitale Każdy ekran pojedynczy prostokątny węzła , który ma orientację i minimalna w środku.
Jak atomy zbudowane są z orbitali elektronowych i linku do okresowego.

Każdy atomowe odpowiada orbitalnych do określonego poziomu energetycznego elektronu. Elektronów może zmieniać swój stan na wyższym poziomie energetycznym przez pochłania fotony o energii wystarczającej do pobudzenia go do nowego stanu kwantowej. Podobnie, przez spontaniczną emisję elektron w wyższym stanie energetycznym może spaść do niższego stanu energetycznego napromieniowując nadmiar energii, fotonu. Te charakterystyczne wartości energii, określone przez różnice w energie stanów kwantowych, są odpowiedzialne za atomowych linii widmowych .

Ilość energii potrzebną do usuwania lub dodawania elektronowym z energii wiązania elektronów -jest zdecydowanie niższa niż energia wiązania nukleony . Na przykład, wymaga tylko 13,6 eV do paska do stanu podstawowego elektron z atomu wodoru, w porównaniu z 2,23  milionów eV rozdzieleniu deuteru jądra. Atomy są elektrycznie obojętne, gdy mają taką samą liczbę protonów i elektronów. Atomy, które mają deficyt albo nadmiar elektronów nazywane są jony . Elektrony są najdalej od jądro może być przenoszone do innych pobliskich węgla lub dzielone między atomami. Według tego mechanizmu, atomy są w stanie związać się cząsteczkami i innych typów związków chemicznych takich jak jonowe i kowalencyjne sieci kryształów .

Nieruchomości

własności atomowe

Z definicji, dwa dowolne atomy o takiej samej liczbie protonów w jądrze należą do tego samego pierwiastka . Atomy z równej liczby protonów, ale o różnej ilości neutronów różne izotopów tego samego pierwiastka. Na przykład, wszystkie atomy wodoru przyznać dokładnie jeden proton, a izotopy istnieć bez neutronów ( wodór-1 , jak dotąd najbardziej rozpowszechnioną formą, zwany również Protium), jednego neutronu ( deuter ), dwóch neutronów ( trytu ) i więcej niż dwa neutrony , Znane elementy tworzą zbiór liczb atomowych, od jednego elementu protonów wodoru aż do elementu 118 protonów oganesson . Wszystkie znane izotopy pierwiastków o liczbie atomowej większej niż 82 są radioaktywne, chociaż poziom radioaktywności elementu 83 ( bizmutu ) jest tak niewielkie, aby być praktycznie bez znaczenia.

Około 339 nuklidy występują naturalnie na Ziemi , z czego 254 (75%) nie zaobserwowano na próchnicę i są określane jako „ stabilnych izotopów ”. Jednak tylko 90 z tych izotopów są odporne na wszelkiego rozpadu, nawet w teorii . Innym 164 (co w sumie do 254) nie zaobserwowano na próchnicę, chociaż teoretycznie jest to możliwe energicznie. Są one również oficjalnie klasyfikowane jako „stabilny”. Dodatkowe 34 nuklidy promieniotwórcze mają pół-żyje dłużej niż 80 mln lat i są długowieczne wystarczy być obecne od narodzin Układu Słonecznego . Ten zbiór 288 nuklidów są znane jako pierwotnych nuklidów . Wreszcie, dodatkowe 51 krótkotrwałe nuklidy są znane występują naturalnie, jako produktów pochodnych pierwotnej rozpadu nuklidu (takich jak radu od uranu ), albo jako produkty naturalne energetycznych procesów na Ziemi, takich jak promieniowania kosmicznego bombardowania (na przykład, węgiel-14).

Do 80 pierwiastków chemicznych, co najmniej jeden stabilny izotop istnieje. Z reguły, jest tylko kilka stabilnych izotopów w każdym z tych elementów, przy czym średnia będącego 3,2 izotopów na element. Dwadzieścia sześć elementy mają tylko jeden izotopowego, a największą liczbę stabilnych izotopów obserwowane dla każdego elementu jest ten, dla elementu cyny . Elementy 43 , 61 i wszystkie elementy numerowane 83 lub wyższej mają żadnych stabilnych izotopów.

Stabilność izotopów zależy od stosunku protonów do neutronów, a także obecnością pewnych „magicznych liczb” neutronów lub protonów, które reprezentują zamknięte i wypełnione muszli kwantowe. Te kwantowe powłoki odpowiada zestaw poziomy energii w tym modelu płaszcza jądra; wypełnione powłoki, takie jak powłoki 50 wypełnionej protonów cyny, nadaje niezwykłą odpornością na izotopu. Spośród 254 znanych stabilnych izotopów, tylko cztery zarówno nieparzystą liczbę protonów i nieparzystej liczby neutronów: wodór-2 ( deuter ), litowo-6 , bor 10 i azot-14 . Ponadto, tylko cztery naturalnie występujące, radioaktywne izotopy nieparzyste nieparzyste mają okres półtrwania ponad miliard lat: potasu i 40 , wanad 50 , lantan, 138 i tantal-180 mln . Większość jąder nieparzyste nieparzyste są wysoce niestabilne pod względem rozpadu beta , ponieważ produkty rozpadu są nawet nawet, a zatem są silniej związani ze względu na efekty parowania jądrowych .

Masa

Znaczna większość masy atom pochodzi od protonów i neutronów, które go tworzą. Całkowita liczba tych cząstek (zwany „nukleony”) w danym atomie jest nazywany liczbę masową . Jest dodatnią liczbą całkowitą, bezwymiarowe (zamiast wymiar masy), ponieważ ekspresja zliczania. Przykładem zastosowania liczby masowej jest „węgiel-12”, który zawiera 12 nukleony (sześć protonów i sześć neutronów).

Rzeczywista masa atomu w spoczynku jest często wyrażone w jednostka masy atomowej (u), zwany również daltonów (Da). Ta jednostka jest zdefiniowana jako dwunasty masy wolnego obojętnym atomem węgla-12 , która wynosi około 1,66 x 10 -27  kilogramów . Wodór 1 (najlżejszy izotopy wodoru, który jest również nuklidem o najmniejszej masie) ma masę atomową 1.007825 u. Wartość tej liczby nazywana jest masa atomowa . Dany atomów ma masę atomową w przybliżeniu równe (do 1%), aby jego ilość razy masowej jednostek masy atomowej (np masę azot-14 jest około 14 U). Jednak liczba ta nie będzie dokładnie liczbą całkowitą z wyjątkiem węgla-12 (patrz niżej). Najcięższe stabilny atom jest prowadzony i 208, o masie 207.976 6521  u .

A nawet bardzo masywne atomy są zbyt lekkie pracować bezpośrednio chemicy zamiast wykorzystywać jednostkę moli . Jeden mol atomów każdy element ma zawsze tę samą liczbę atomów (około 6,022 x 10 : 23 ). Liczbę tę dobiera się tak, że jeśli element ma masę atomową 1 u, jeden mol atomów tego elementu ma masę blisko jeden gram. Ze względu na definicji jednostka masy atomowej , każdy atom węgla 12 ma masę atomową dokładnie w 12 kształcie litery U, a więc mol 12 atomów węgla waży dokładnie 0,012 kg.

Kształt i rozmiar

Atomy brak dobrze określoną granicę zewnętrzną, więc ich wymiary są zwykle opisywane w kategoriach promienia atomowego . Jest to miara odległości się chmura elektronów, który rozciąga się od jądra. Jednakże ten zakłada atomem mają kształt kulisty, co jest przestrzegane na tylko atomy w próżni lub wolnej przestrzeni. Promienie atomowe mogą pochodzić od odległości pomiędzy dwoma jąder gdy dwa atomy są połączone do wiązania chemicznego . Promień zmienia się wraz z położeniem atomu w układzie okresowym pierwiastków, typ wiązania chemicznego, liczba sąsiednich atomów ( liczba koordynacyjna ) i kwantowa mechaniczne właściwość znaną jako wirowania . Na tablicy okresowej pierwiastków, rozmiar atomu ma tendencję wzrostową, gdy przesuwa się w dół kolumny, ale zmniejszać przy przesuwaniu w poprzek rzędów (od lewej do prawej). W konsekwencji, najmniejszy atom jest hel o promieniu 32  pm , podczas gdy jeden z największych jest cezu w 225 pm.

Po poddaniu na siły zewnętrzne, takie jak pole elektryczne , kształt atomu może różnić się od kulistej symetrii . Odkształcenie zależy od natężenia pola, a rodzajem orbitalnej zewnętrznych elektronów powłoki, o czym grupy-teoretycznych rozważań. Asferyczne odchylenia mogą być wywoływane na przykład w kryształy , w których mogą pojawić się duże obszary krystaliczne elektrotechnicznej o niskiej symetrii miejscach sieci krystalicznej. Istotne elipsoidalne odkształcenia wykazano wystąpienie jonów siarki i tlenowce jonów pirytu związków typu a.

Wymiary atomowych tysiące razy mniejsze niż długości fal światła (400-700  nm ), tak, że nie może być oglądany z zastosowaniem mikroskopu optycznego . Jednakże poszczególne atomy mogą być obserwowane z użyciem skaningowego mikroskopu tunelowego . W celu uwidocznienia minuteness atomu pod uwagę, że typowa ludzkich włosów wynosi około 1000000 atomów węgla szerokości. Jedną kroplę wody, zawiera od około 2  sextillion ( 2 x 10 21 ) atomów tlenu i dwukrotnie liczbę atomów wodoru. Jeden karat diamentu o masie 2 x 10 -4  kg zawiera około 10 sextillion (10 22 ) atomów węgla . Jeśli jabłko zostały powiększone do rozmiarów Ziemi, wówczas atomy w Apple byłby w przybliżeniu wielkość oryginalnego jabłka.

rozpad promieniotwórczy

Wykres ten pokazuje okres półtrwania (t ½ ) różnych izotopów protonami Z i n neutronów.

Każdy element ma jeden lub więcej izotopów, które mają niestabilne jąder, które ulegają rozpadowi promieniotwórczego, powodując jądra do emitowania cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego. Radioaktywność może wystąpić, gdy promień jądra jest duża w porównaniu z promieniem silnej siły, która działa tylko na odległościach rzędu 1 fm.

Najczęstsze formy rozpadu promieniotwórczego są:

  • Rozpad alfa : proces ten jest spowodowany tym, że jądro emituje cząstki alfa, który jest jądro helu składającym się z dwóch protonów i dwóch neutronów. W wyniku emisji jest nowy element o mniejszej liczbie atomowej .
  • Rozpadu beta (i wychwytu elektronów ) Procesy te są regulowane przez słabych i wynikają z przekształcenia neutronu do protonu lub protonów w neutronu. Neutron do przejścia protonu towarzyszy emisja elektronów i antyneutrino , a proton przejścia neutronów (oprócz wychwytywania elektronów) powoduje emisję o pozyton i neutrinem . Emisje elektronów lub pozytonów nazywa się promieniowanie beta. Beta rozpadu albo zwiększa lub zmniejsza liczbę atomową jądra o jeden. Wychwytu elektronów jest bardziej powszechne niż emisyjnej, ponieważ wymaga mniej energii. W tego typu rozpad elektron jest pochłaniana przez jądra, zamiast pozyton emitowanego z jądra. Neutrino wciąż emitowane w tym procesie, a proton zmienia się neutronu.
  • Gamma rozpad : proces ten jest wynikiem zmiany w poziomie energetycznym jądra do niższego stanu, co prowadzi do emisji promieniowania elektromagnetycznego. Wzbudzony stan jądra, co powoduje emisję promieniowania gamma zazwyczaj występuje po emisji alfa lub cząstki beta. Tak więc, rozkład gamma zwykle następuje rozpad alfa lub beta.

Innych rzadziej rodzaje rozpadu radioaktywnego obejmują wyrzucania neutronów lub protonów lub grup nukleony z jądra, lub więcej niż jedną cząstkę beta . Analogiem emisji gamma pozwala wzbudzone jądra tracić energii w inny sposób, to wewnętrzny konwersji proces -a który wytwarza elektronów o wysokiej prędkości, które nie są promieniami beta, a następnie produkcji fotonów o wysokiej energii, które nie są promieniami gamma. Kilka dużych jąder eksplodować na dwie lub więcej naładowanych fragmentów o różnych masach i kilku neutronów, w zaniku zwanego spontanicznego rozszczepienia jądrowego .

Każdy izotop promieniotwórczy ma charakterystyczny czas zaniku epoki z półtrwania -to jest określona przez ilość czasu potrzebnego do połowy próbki do rozpadu. To jest wykładniczy zanik proces stale zmniejsza proporcję izotopów pozostałych 50% co półtrwania. W związku z tym po dwóch półtrwania przekazywane tylko 25% izotopu jest obecny, i tak dalej.

Moment magnetyczny

Elementarne cząstki posiadają wewnętrzną kwantową własności mechaniczne zwany wirowania . Jest to analogiczne do momentu pędu obiektu, który obraca się wokół swojego środka ciężkości , ale ściśle mówiąc cząstki te są uważane za punktowych i nie mogą być uznane za w ruchu. Wirowanie jest mierzona w jednostkach zmniejszonym stałą Plancka, (h) i elektronów, protonów, neutronów i wszystkie posiadające wirowania ½ h, czyli „spin-pół”. W atomie, elektrony w ruchu wokół jądra posiadają orbitalnej pędu oprócz ich obrocie, podczas gdy sam rdzeń posiada pędu ze względu na spinu jądrowego.

Pole magnetyczne wytwarzane przez atomu jego moment magnetyczny -jest określona przez różne formy pędu, jak obracającej się naładowanej Przedmiotem klasycznie wytwarza pole magnetyczne. Jednakże wkład najbardziej dominującym pochodzi od spinu elektronów. Ze względu na charakter elektronów do przestrzegania zasad wykluczania Pauli , w którym żadne dwa elektrony mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowej , związany elektronów w pary ze sobą, przy czym jeden element z każdej pary spin się stan, a drugi w przeciwnie, spin w dół stan. Zatem te obroty wykluczają się wzajemnie, co zmniejsza całkowitą dipolowy moment magnetyczny do zera w niektórych z parzystą liczbą atomów elektronów.

W ferromagnetycznych elementów, takich jak żelazo, kobalt i nikiel, nieparzystej liczby elektronów prowadzi do niesparowany elektron i ogólnego momentu magnetycznego netto. Orbitale sąsiednich atomów zachodzą na siebie i niższy stan energii uzyskuje się, gdy obroty niesparowanych elektronów są wyrównane ze sobą, spontanicznej procesie znanym jako oddziaływanie wymiany . Kiedy momenty magnetyczne atomów ferromagnetycznych są ułożone materiał może powodować mierzalną pole makroskopowy. Materiałów paramagnetycznych mieć węgla z momentów magnetycznych wyściełających się w przypadkowych kierunkach, gdy pole magnetyczne nie jest obecny, ale momenty magnetyczne poszczególnych atomów w kolejce w obecności pola.

Jądro atomu będzie miał wirowania gdy nawet liczbę protonów i dwóch neutronów, ale w innych przypadkach numerach nieparzystych, jądro może spin. Zazwyczaj jądra z korkociągu są wyrównane w przypadkowych kierunkach z powodu równowagi termicznej . Jednak dla niektórych elementów (takich jak Xenon-129 ) możliwe jest spolaryzować znaczną część stanów spinu jądrowego tak, że są one ustawione w tym samym kierunku-stan zwany hiperpolaryzacji . Ma to istotne zastosowanie w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego .

Poziomy energii

Poziomy energii te elektronu (nie w skali), jest wystarczające dla stanów podstawowych zawiera do kadmu (5S 2 4d 10 ) włącznie. Nie zapominaj, że nawet górna część wykresu jest niższa niż niezwiązanego stanu elektronowego.

Potencjalna energia elektronu w atomie jest ujemna , uzależnienie od jego położenia osiąga minimum (najwyższą wartość bezwzględna ) w jądrze i znika, gdy odległość od jądra dąży do nieskończoności , w przybliżeniu w odwrotnie proporcjonalnie do odległości , W modelu mechaniki kwantowej, dołączanym elektron może zajmować tylko zbiór państw skupionych w jądrze, a każdy stan odpowiada określonym poziomie energetycznym ; patrz równanie Schrödingera niezależne od czasu dla teoretycznego wyjaśnienia. Stosowana gęstość energii może być mierzone przez ilość energii potrzebnej do rozwiązać elektron z atomu, i jest zwykle podawana w jednostkach elektronowolt (EV). Najniższa stan energetyczny elektronu związanego nazywa stanu podstawowego, to jest stan stacjonarny , podczas gdy przejście elektronów do wyższego poziomu powoduje w stanie wzbudzonym. Energia elektronu podnosi gdy n wzrasta ponieważ (średniej) odległości wzrasta jądra. Uzależnienie od energii £ -l nie jest spowodowany przez potencjału elektrostatycznego w jądrze, a w wyniku interakcji między elektronów.

Na elektron do przechodzenia pomiędzy dwoma różnymi stanami , np uziemiony stanu do pierwszego wzbudzony poziom ( jonizacja ), musi absorbować lub emitować foton o energii odpowiadającej różnicy energii potencjalnej tych poziomów według Niels Bohra modelu, co może dokładnie obliczyć z równania Schrödingera . Elektrony skok pomiędzy orbitali w sposób podobny do cząstek. Na przykład, w przypadku pojedynczego fotonu elektronów uderza tylko pojedynczy elektron zmiany stanów w odpowiedzi na fotonu; patrz właściwości Electron .

Energia wyemitowanego fotonu jest proporcjonalna do częstotliwości , więc te konkretne poziomy energetyczne się jako odrębne pasma w widmie elektromagnetycznym . Każdy element ma charakterystyczne widmo, które mogą zależeć od ładunku jądrowego podpowłok wypełnione elektronów interakcje elektromagnetycznego pomiędzy elektronami i innych czynników.

Przykładem linii absorpcyjnych w widmie

Gdy stosuje się ciągłą widmo energii jest przepuszczana przez gazu lub plazmy, niektóre fotonów są wchłaniane przez węgla, powodując elektrony do zmiany poziomu energii. Te wzbudzone elektrony pozostają związane z ich atom spontanicznie wydzielać energii jako fotonu podróży w przypadkowym kierunku, a więc powrotu do niższych poziomów energetycznych. Tak więc, atomy zachowuje się jak filtr, który tworzy szereg ciemnych pasm absorpcji w produkcji energii. (Obserwator oglądania węgla, z widokiem, który nie zawiera stałego widma w tle, natomiast widzi szereg linii emisyjnych z fotonów emitowanych przez atomy). Spektroskopowe pomiary wytrzymałości i szerokości atomowych prążków umożliwienia opracowania i właściwości fizyczne substancji w celu ustalenia.

Dokładne badanie linii widmowych ujawnia, że niektóre wyświetlić drobna struktura podziału. Dzieje się tak z powodu sprzężenia spinowo orbitalnej , który jest interakcja pomiędzy obrocie i ruchu elektronów peryferyjnych. Gdy atom znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym linie widmowe zostać podzielona na trzy lub więcej składników; zjawiskiem zwany efekt Zeemana . Jest to powodowane przez oddziaływanie pola magnetycznego momentu magnetycznego atomu i elektronów. Niektóre atomy mogą mieć wiele konfiguracji elektronów o tym samym poziomie energii, który w ten sposób jest widoczna w postaci pojedynczego prążka. Oddziaływanie pola magnetycznego z atomem przesuwa te konfiguracje elektronowe do nieznacznie różniących się poziomów energii, w wyniku czego wiele linii widmowych. Obecność zewnętrznego pola elektrycznego, może powodować porównywalne dzielenia i przesunięcia linii widmowych przez modyfikację poziomów energetycznych elektronów, to zjawisko nazywa się efektem Starka .

Jeśli granica elektronów znajduje się w stanie wzbudzonym, fotonów oddziałujące z odpowiedniej energii może powodować emisji wymuszonej fotonu o poziomie dopasowanie energii. Aby to nastąpiło, elektron może spaść do dolnej stanie energetycznym, który ma różnicy energii dopasowanie energii fotonów Interakcja. Emitowany fotonów i fotonów Interacting następnie poruszać się równolegle i dopasowania fazy. Oznacza to, że wzory falowe dwóch fotonów są zsynchronizowane. Ta właściwość fizyczna jest zastosowana do laserów , które mogą emitować spójnej wiązki energii świetlnej w wąskim paśmie częstotliwości.

Wartościowość zachowanie wiązania

Wartościowość jest połączenie zasilania elementu. Jest równa liczbie atomów wodoru, który może łączyć atom lub przemieścić do wytworzenia związków. Najbardziej zewnętrzna powłoka elektronowa atomu w stanie niezwiązanej jest znany jako powłoki wartościowości i elektrony w tej powłoki nazywa wartościowość elektronów . Ilość elektronów walencyjnych określa wiązania zachowanie innych atomów. Atomy zazwyczaj chemicznie reagować ze sobą w taki sposób, że wypełnia (lub opróżnia) ich osłonach zewnętrznych atomów. Na przykład, przekazywanie pojedynczego elektronu pomiędzy atomami jest użyteczne przybliżenie wiązań tworzących między atomami z jednego elektronu ponad wypełnionej powłoki, i inne, które są jednoelektronowe krótki pełnego powłoce, jak to ma miejsce w związku chlorek sodu i inne chemiczne soli jonowej. Jednakże wiele elementów wyświetlających wiele wartościowości lub tendencję do dzielenia się różne liczby elektronów w różnych związków. Tak więc, wiązanie chemiczne pomiędzy tymi elementami przybierać różne formy podziału elektronów, który jest więcej niż proste transferu elektronów. Przykłady obejmują atom węgla i związków organicznych .

Te pierwiastki chemiczne są często wyświetlane w okresowym , który jest rozmieszczony do wyświetlania powtarzające chemiczne właściwości i elementów o tej samej liczbie elektronów walencyjnych tworzą grupę, które są usytuowane w tej samej kolumnie tabeli. (Poziome rzędy odpowiadają napełniania kwantowej powłoki elektronów). Elementy na prawej tabeli mają ich zewnętrzne powłoki całkowicie wypełniona elektronami, co powoduje w znanych elementów chemicznie obojętnych jak gazy szlachetne .

Zjednoczone

Graficzny ilustrujący tworzenie się kondensatu Bosego-Einsteina

Ilości węgla znajdują się w różnych stanach skupienia, które zależą od warunków fizycznych, takich jak temperatura i ciśnienie . Zmieniając warunki, materiały mogą przechodzić przez ciała stałe , ciecze , gazy i osocza . W państwie, materiał może również występować w różnych allotropes . Przykładem tego jest stałe węgla, który może występować w postaci grafitu lub diamentu . Gazowe allotropes istnieją również takie jak tlen cząsteczkowy i ozon .

W temperaturze zbliżonej do zera absolutnego atomy może stanowić kondensat BEC , w którym to momencie kwantową mechaniczne, które normalnie są jedynie obserwowane w skali atomowej, staną się oczywiste w skali makroskopowej. Ten bardzo chłodzona zbiór atomów i zachowuje się jak pojedynczy Super atomu , który może umożliwić kontrole podstawowe kwantowej właściwości mechaniczne.

Identyfikacja

Skaningowego mikroskopu tunelowego obraz przedstawiający poszczególne atomy tworzące ten złoto ( 100 ) powierzchni. Atomy powierzchniowych odchyleń od objętościowej struktury krystalicznej i rozmieścić w kolumnach kilka atomów szeroki z wgłębień pomiędzy nimi (patrz rekonstrukcję powierzchni ).

Skaningowego mikroskopu tunelowego jest urządzenie do oglądania powierzchni na poziomie atomowym. Wykorzystuje się tunelowany kwantowo zjawiska, które umożliwia przejście cząsteczek przez barierę, która normalnie nie do pokonania. Elektrony tunel próżni dwóch płaskich elektrod metalowych, na każdej z których jest zaadsorbowany atom zapewnienie gęstości prądu tunelowym, który można zmierzyć. Skanowanie jeden atom (przyjęta jako wskazówka), jak przesuwa się po drugiej (próbki) wykreślanie umożliwia przemieszczenie końcówki porównaniu oddzielenia bocznego dla prądu stałego. Obliczenie przedstawia zakres, w którym obrazy skaningowego mikroskopu tunelowego, indywidualnej atomie są widoczne. To potwierdza, że na niskim uprzedzeń, obrazy mikroskopowe wymiary przestrzeni uśrednioną tych orbitali elektronowych w całym ściśle upakowanych poziomach-energia poziomu Fermiego lokalnej gęstości stanów .

Atom mogą być zjonizowane , usuwając jeden elektronów. Ładunek elektryczny powoduje trajektorii atomu wyginać, gdy przechodzi przez pole magnetyczne . Promień, w którym trajektoria ruchomej jonu obracany pola magnetycznego określa się przez masę atomu. Spektrometr masowy wykorzystuje tę zasadę do pomiaru stosunku masy do ładunku jonów. Jeśli próbka zawiera wiele izotopów, spektrometr masowy można określić udział każdego znacznika w próbce przez pomiar intensywności różnych wiązek jonów. Techniki do ogrzania węgla obejmują indukcyjnie sprzężonej plazmy spektroskopii emisji atomowej i indukcyjnie sprzężona ze spektrometrią masową osocza , w których użyto plazmy do odparowania próbki do analizy.

Bardziej sposób powierzchnia jest selektywny elektronów spektroskopii strat energii , w którym mierzy się stratę energii w wiązce elektronów w transmisyjnym mikroskopie elektronowym przy współdziała z częścią próbce. Tomograf atom sonda rozdzielczość sub nanometrów w 3-D i może identyfikować poszczególne atomy chemicznie za pomocą spektrometrii masowej czasu przelotu.

Widma stanów wzbudzonych mogą być wykorzystane do analizy składu atomowego odległych gwiazdek . Światłoczułość długości fal zawartych w badanej światła gwiazd można oddzielić i związanych z skwantowanych przejścia w wolnych atomów gazu. Te kolory mogą być powielane przy użyciu lamp wyładowczych zawierająca ten sam element. Helium została odkryta w ten sposób w spektrum promieniowania słonecznego 23 lat, zanim został znaleziony na Ziemi.

Pochodzenie i stan obecny

Atomy tworzą około 4% całkowitej gęstości energii do zaobserwowania Wszechświata o średniej gęstości około 0,25 atomami / m 3 . W ciągu galaktyce takich jak sposób Mlecznej atomów mieć znacznie wyższe stężenie, przy gęstości masy w międzygwiazdowej (ISM) w zakresie od 10 5 do 10 9 atomów / m 3 . Sun uważa się wewnątrz bańki lokalnego , obszar silnie zjonizowany gaz, więc gęstość w sąsiedztwie słonecznego jest o około 10 3 atomów / m 3 . Gwiazdy powstają z gęstych chmur w ISM, a procesy ewolucyjne gwiazd skutkować stałym wzbogacenia ISM z elementami bardziej masywne niż wodór i hel. Do 95% atomów Drogi Mlecznej są skoncentrowane wewnątrz gwiazd, a całkowita masa węgla stanowi około 10% masy galaktyki. (Pozostałą część masy jest nieznany ciemna materia ).

Tworzenie

Elektrony są uważane istnieć we Wszechświecie od wczesnych etapach Big Bang . Formy jąder atomowych nukleosyntezy reakcji. W około trzy minuty pierwotna nukleosynteza produkowane przez większość helu , litu i deuter we Wszechświecie, a być może niektóre z berylu i boru .

Ubiquitousness i stabilność węgla podnosi ich energię wiązania , co oznacza, że atom ma mniejszą energię niż niezwiązany systemie jądra i elektronów. W przypadku, gdy temperatura jest znacznie większa niż potencjał jonizacji sprawa istnieje w postaci osoczu gazu -a dodatnio naładowanych jonów (być nagie jąder) i elektronów. Gdy temperatura spada poniżej potencjału jonizacji atomów się statystycznie korzystne. Węgla (wraz z związanymi elektronami) stał się dominować nad pobierana cząstek 380,000 rok po Big Bang epoka zwane rekombinacji , gdy rozszerzający się Wszechświat chłodzi się na tyle, aby umożliwić elektrony mogły przyłączyć się do jąder.

Ponieważ Duży grupowy, który wytwarza nie węgla i cięższych pierwiastków , jądro atomowe zostały połączone w gwiazdek przez proces syntezy jądrowej, w celu wytworzenia większej ilości elementów helu , i (przez potrójne procesu alfa ) sekwencję elementów z węgla aż do żelaza ; zobacz gwiazdorską nukleosyntezy szczegóły.

Izotopami, takimi jak lit-6, jak również niektórych berylu i bor wytwarza się w przestrzeni przez promieniowania kosmicznego kruszenia . Dzieje się tak, gdy proton wysokiej energii uderza w rdzeń atomowy, powodując dużej liczby nukleony być wysunięta.

Elementy cięższe niż żelazo wytworzono w supernowych poprzez proces r i na AGB gwiazdek poprzez s-procesie , z których oba obejmujących wychwytywanie neutronów przez jąder atomowych. Elementy takie jak ołów utworzona głównie przez rozpad radioaktywny pierwiastków ciężkich.

Ziemia

Większość atomów składających się na Ziemię i jej mieszkańców były obecne w ich obecnej formie w mgławicy , który zawalił się z obłoku molekularnego w celu utworzenia Solar System . Reszta jest wynikiem rozpadu promieniotwórczego, a ich wzajemne proporcje mogą być wykorzystane do określenia wieku Ziemi przez radiometryczne randki . Większość helu w skorupie Ziemi (około 99% helu z odwiertów gazowych, jak pokazano w dolnej obfitości hel-3 ) jest produktem rozkładu alfa .

Istnieje kilka atomów ślad na Ziemi, które nie były obecne na początku (czyli nie „pierwotna”), ani nie są wynikiem rozpadu radioaktywnego. Węglowego 14 jest generowane w sposób ciągły za pomocą promieni kosmicznych w atmosferze. Niektóre atomy na Ziemi zostało sztucznie generowane celowo lub jako reaktorów jądrowych lub wybuchów produktów ubocznych. Spośród pierwiastków transuranowych -those o liczbach atomowych większych niż 92-tylko pluton i neptun występują naturalnie na Ziemi. Pierwiastków transuranowych mieć żywotność radioaktywne krótsze niż prąd wieku ziemi i w ten sposób zidentyfikowania ilości tych elementów od dawna zbutwiałe, za wyjątkiem śladowych ilości plutonu 244 może zdeponowanych pyłem kosmicznej. Złoża naturalne plutonu i neptun są produkowane przez wychwyt neutronów w rudzie uranowej.

Ziemia zawiera około 1,33 x 10 50 atomów. Mimo, że małe ilości niezależnych atomów gazy szlachetne występują, na przykład argon , neon i hel , 99% atmosferze podlega w postaci cząsteczek, w tym dwutlenku węgla i dwuatomowy tlenu i azotu . Na powierzchni ziemi, przytłaczająca większość węgla łączą się w różne związki, w tym wody , soli , krzemianów i tlenków . Atomy mogą tworzą materiały, które nie składają się z pojedynczych cząsteczek, w tym kryształów i ciekłych lub stałych metali . Ta kwestia atomowy tworzy warunki w sieci, które nie posiadają szczególnego typu małej skali przerwany rzędu powiązanych z masy cząsteczkowej.

Formy rzadkich i teoretyczne

elementy nadciężkiego

Podczas izotopy o liczbie atomowej większej niż przewodu (82) są znane radioaktywne, określenie „ wyspy stabilności ” jest proponowany dla niektórych pierwiastków o liczbie atomowej powyżej 103. Te superciężkich elementy mogą mieć rdzeń, który jest stosunkowo stabilny wobec rozpadu radioaktywnego. Najbardziej kandydatem stabilnego nadciężkiego atomu unbihexium ma 126 protonów i 184 neutrony.

egzotyczne sprawa

Każda cząstka materii posiada odpowiadający antymaterii cząstek o przeciwnym ładunku elektrycznego. Tak więc, pozytonowa oznacza dodatnio naładowany antielectron i antyprotonu jest ujemnie naładowany równoważnik protonu . Gdy materii i odpowiadających spotykają cząstek Antymateria one zniszczyć siebie. Z tego względu, a także z braku równowagi między ilością cząstek materii i antymaterii, te ostatnie są rzadkie w świecie. Pierwsze przyczyny tego braku równowagi nie są jeszcze w pełni poznane, choć teorie bariogeneza mogą oferować wyjaśnienie. W rezultacie żadne atomy antymaterii zostały odkryte w przyrodzie. Jednak w 1996 odpowiednik antymateria atomu wodoru ( Antywodór ) zsyntetyzowano w CERN laboratorium w Genewie .

Inne egzotyczne atomy zostały utworzone przez zastąpienie jednego, protonów, neutronów lub elektronów z innych cząsteczek, które mają taki sam ładunek. Na przykład, elektron może być zastąpione przez bardziej masywnego mion tworząc muonic atom . Te rodzaje węgla mogą być stosowane do badania podstawowe przewidywania fizyki.

Zobacz też

Uwagi

Referencje

źródła

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne