АТОМ (греческий atomos неделимый) — мельчайшая частица химического элемента. По современным представлениям, атом состоит из центральной части, называемой атомным ядром (см. Ядро атомное), и электронной оболочки, содержащей электроны (см. Электрон). Размеры атома составляют величину порядка 10-8 см, а его ядра — в 10—100 тысяч раз меньше. Хотя ядро занимает ничтожно малую часть объема атома, в нем сосредоточена почти вся масса атома.
Ядро атома имеет положительный электрический заряд, а электроны — отрицательный, причем заряд электронной оболочки равен заряду ядра, так что атом в нормальных условиях электрически нейтрален. Силы электрического притяжения электронов к атомному ядру обеспечивают устойчивость атома в целом.
Современная теория атомного строения вещества зародилась в начале 19 века, когда Дальтон (J. Dalton) изучил количественные соотношения между хим. элементами и выполнил первые измерения атомного веса элементов.
После открытия электрона в конце 19 века была создана первая модель атома в виде сплошного шарообразного тела из положительно заряженного вещества с вкраплениями отрицательно заряженных частиц (электронов), где сумма отрицательных зарядов всех этих электронов равнялась величине положительного заряда всего шара. Этим объяснялась нейтральность электрического заряда атома.
Внутреннюю структуру атома удалось выявить только после открытия явления радиоактивности. Используя ионизирующие излучения, возникающие при радиоактивном распаде некоторых ядер, для изучения строения атома, Резерфорд (Е. Rutherford) установил наличие в центральной части атома положительного ядра и пересмотрел модель атома, предложив так называемую планетарную модель. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов, удерживаемых в атоме благодаря электрическому притяжению к ядру.
Планетарная модель атома получила теоретическую основу в 1913 году, когда Бор (N. Bohr) создал теорию атома водорода.
В модели Бора используются два так называемых неклассических постулата. Первый из них утверждает, что электрон движется вокруг ядра, не теряя свою энергию на излучение, по вполне определенным дискретным орбитам. Согласно законам классической механики при движении по круговой орбите электрон испытывает центростремительное ускорение и поэтому должен непрерывно терять свою энергию посредством излучения, постепенно приближаясь к ядру атома.
Таким образом, первый постулат утверждает возможность стабильного существования атома при нахождении электрона на круговых боровских орбитах. Самая внутренняя, то есть наиболее близкая к ядру, боровская орбита расположена от него на расстоянии примерно 5•10-9 см. Второй постулат Бора сводится к следующему. При переходе с одной устойчивой орбиты на другую электрон излучает (или поглощает) определенную порцию энергии в виде кванта света. Переход электрона с внешней боровской орбиты на внутреннюю сопровождается испусканием кванта света. Для перехода с внутренней орбиты на внешнюю атом должен поглотить квант света. В любом случае энергия кванта света равна разности энергий электронов на этих двух орбитах. Таким образом, атом водорода (как и все остальные атомы) характеризуется своей способностью излучать или поглощать только кванты света определенной энергии или, другими словами, электромагнитное излучение определенной длины волны. Набор таких длин волн составляет спектр излучения атома водорода.
В нормальном или так называемом основном состоянии атома водорода электрон находится на самой внутренней боровской орбите и обладает минимально возможной энергией, составляющей 13,6 эв. Это количество энергии требуется затратить, чтобы удалить электрон из атома, то есть ионизировать атом водорода. Поэтому величина 13,6 эв называется ионизационным потенциалом атома водорода. Передавая атом водорода порции энергии (например, пропуская электрический ток через трубку, содержащую водород) менее 13,6 эв, можно перевести его в одно из промежуточных дискретных энергетических состояний, называемых возбужденными. Возвращаясь из возбужденного состояния в основное путем перехода электрона на основной уровень (ближайшая к ядру орбита), атом испускает квант света. Среднее время, которое электрон проводит на одном из возбужденных уровней атома, называется временем жизни возбужденного состояния. Обычное время жизни возбужденного состояния около 10-8 сек.
Теория Бора хорошо объясняла свойства атома водорода и других водородоподобных атомов (то есть атомов, лишенных всех электронов, кроме одного), а также спектры испускаемого такими атомами электромагнитного излучения. Однако эта теория оказалась непригодной для рассмотрения более сложных атомных структур. Вместе с тем она явилась существенным шагом в создании современной квантовой механики, успешно объясняющей свойства ядер и атома. Теория строения атома, созданная на этой основе, труднее поддается наглядной интерпретации по сравнению с теорией Бора. Вместо классического представления об электроне как о точечном заряде, занимающем в данный момент времени определенное положение на орбите вокруг ядра атома, в основе квантово-механической теории строения атома лежит идея о сферически симметричном электронном облаке, в центре которого находится ядро (см. Квантовая теория).
Согласно квантово-механической теории стационарные состояния электрона в атоме однозначно определяются так называемыми квантовыми числами, характеризующими полную энергию электрона в атоме (главное число), его орбитальный (орбитальное число) и магнитный (магнитное число) моменты и направление спина (спиновое число). Разные электроны в атоме должны иметь различные наборы из четырех квантовых чисел, то есть они не могут находиться в атоме в одинаковых состояниях (принцип Паули).
Принцип Паули определяет закономерности построения электронных оболочек. По мере увеличения числа электронов в атоме происходит заполнение все более удаленных от ядра электронных оболочек, соответствующих более высоким энергетическим уровням. Эти закономерности лежат в основе построения Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (см. Периодическая система химических элементов).
Химические свойства элементов проявляются при атомных столкновениях, ведущих к образованию молекул. При таких столкновениях происходит взаимодействие электронных оболочек атома, поэтому химические особенности атома определяются строением его электронной оболочки. Полное число электронов в электронных оболочках атома равно заряду атомного ядра.
Таким образом, химические свойства атома в конечном счете зависят от заряда атомного ядра, который равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Этим объясняется также совпадение химических свойств разновидностей атома одного и того же элемента, называемых изотопами (см.). Ядра атома изотопов имеют равные заряды, но отличаются по массе из-за разного количества нейтронов в ядре.
Номер группы периодической системы, в которую входит элемент, равен числу электронов на последней оболочке атома. Элементы одной группы обладают сходными химическими свойствами. Отсюда следует, что химические свойства атома определяются электронами его самой внешней электронной оболочки. Эти электроны менее сильно связаны с ядром атома и легче участвуют во взаимодействиях электронных оболочек разных атомов. Они получили название валентных электронов. Их число определяет валентность элемента. Периодичность химических свойств элементов обусловлена тем, что число валентных электронов, в основном определяющих эти свойства, периодически повторяется по мере заполнения внешних оболочек атома.
Изменения свойств атомов ограничиваются перегруппировкой внешних электронов. После таких изменений атом сравнительно легко восстанавливает свои первоначальные свойства. Отсюда следует, что атомы представляют собой очень прочные системы, значительно более стойкие по отношению к различным химическим и физическим воздействиям, чем составленные из атомов молекулы. Эта устойчивость связана с устойчивостью атомных ядер. Для преобразования свойств атома необходимо изменение заряда его ядра и связанное с этим изменение его электронной оболочки.
Заряды ядер атомов элементов, встречающихся в природе, изменяются от 1 до 92, если в качестве единицы заряда принять заряд ядра простейшего атома — протона (см.). Массы атомов природных элементов находятся в диапазоне от 1 до 238, если в качестве единицы массы взять массу протона.
Самым тяжелым атомом в природе является уран. Заряд ядра урана составляет 92. Это означает, что в ядре урана содержится 92 протона. Масса ядра атома урана, равная 238, заставляет предположить, что, кроме протонов, должны существовать еще другие составные части ядра, которые вносят вклад в его массу, не изменяя заряд. В ядре урана с массой 238 содержится только 92 протона. Поэтому остающиеся 146 эквивалентных протонных масс должны приходиться на долю других, электрически нейтральных составных частей атомного ядра. Длительное время продолжались поиски этих нейтральных частиц, пока в 1932 году их не открыл сотрудник Э. Резерфорда Чедвик (J. Chadwich). Новые частицы были названы нейтронами. Вскоре после открытия нейтрона (см.) советский ученый Д. Д. Иваненко предложил новую модель строения ядра атома.
Согласно этой модели ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра и место элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и называется атомным номером, а полное число протонов и нейтронов определяет его массу и называется массовым числом. По этой модели ядро атома элемента гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Сумма положительных зарядов ядра и число электронов в оболочке атома равны числу протонов — двум, масса всех протонов и нейтронов равна массовому числу элемента — четырем. Аналогично ядро лития содержит три протона, что определяет порядковый номер этого элемента в периодической системе, а сумма протонов и нейтронов равна шести, что соответствует массовому числу этого элемента.
Для частиц (протонов и нейтронов), входящих в состав атомного ядра, введено общее название — нуклоны. Массы протона и нейтрона отличаются незначительно, всего лишь на доли процента. Основные свойства этих частиц, кроме электрического заряда, почти одинаковы. Эти особенности позволяют рассматривать протон и нейтрон как два различных зарядовых состояния одной и той же частицы — нуклона. С этой точки зрения протон соответствует состоянию нуклона с зарядом + 1, нейтрон — состоянию нуклона с зарядом 0.
При определенных условиях возможны переходы нуклона из одного состояния в другое. Эти переходы приводят к существенному изменению структуры и свойств атомного ядра.
Взаимодействие между нуклонами в ядре носит особый характер. Сила взаимодействия между двумя ядерными частицами зависит не только от расстояния между ними, но и от скорости движения этих частиц относительно друг друга, а также от направления собственного вращения каждой из этих частиц. Вследствие особого характера сил, действующих между нуклонами в ядре, их назвали ядерными силами. Ядерные силы обладают свойствами, совершенно отличными от свойств сил гравитационного или электромагнитного происхождения. Помимо указанных выше особенностей, эти силы отличаются также большой степенью выраженности. Силы, действующие между нуклонами в ядрах, во много раз больше сил, действующих между орбитальными электронами атомов.
В отличие от гравитационных и электромагнитных сил, ядерные силы являются короткодействующими, то есть очень резко убывающими с увеличением расстояния. Ядерные силы обладают также свойством насыщения. Это означает, что нуклоны в ядре взаимодействуют только с ближайшими к ним нуклонами. Свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что плотность ядерного вещества оказывается примерно одинаковой для различных ядер.
Важнейшей особенностью ядерных сил является их так называемая зарядовая независимость. Установлено, что величина ядерных сил, в отличие от сил электромагнитного происхождения, не зависит от заряда взаимодействующих нуклонов. Ядерные силы между протоном и нейтроном те же, что и между двумя протонами или двумя нейтронами, если только эти частицы находятся в одинаковых условиях.
Указанные особенности ядерных сил позволяют объяснить строение атомных ядер.
Библиография: Бор Н. Три статьи о спектрах и строении атомов, пер. с нем., М., 1923; Борн М. Современная физика, пер. с нем., М., 1965; Бройль Л. Революция в физике, пер. с франц., М., 1963; Резерфорд Э. Строение атома и искусственное разложение элементов, пер. с англ., М.— Л., 1923; Шпольский Э. В. Атомная физика, т. 1, М., 1974.
E. Е. Ковалев.