Секреты мироздания

Характеристикой атома, обусловливающей его принадлежность к определенному элементу, является заряд ядра. Число протонов в ядре, определяющее заряд ядра, называется атомным номером, который совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Масса атома пропорциональна общему числу протонов и нейтронов в ядре и возрастает с увеличением числа протонов в ядре.

Строение электронных оболочек атома, прежде всего его внешней оболочки, и связанные с этим химические и большинство физических свойств (оптические, электрические, магнитные, механические) определяются в основном электромагнитными взаимодействиями электронов с ядром и электронов друг с другом.

Нуклоны связаны в ядре благодаря ядерным силам, которые значительно превосходят силы электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерные силы являются проявлением самых интенсивных из всех известных в физике взаимодействий. Для расщепления ядра на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны) требуется преодолеть эти силы, то есть затратить энергию. Соединение нуклонов с образованием ядра, наоборот, сопровождается высвобождением энергии связи ядра. Это — максимальная энергия, которая может выделиться. Энергия связи ядра складывается из энергии притяжения нуклонов друг к другу под воздействием ядерных сил и энергии электростатического отталкивания протонов. Ядерная энергия, высвобождающаяся при ядерных превращениях, может выделяться при слиянии легких ядер (реакция синтеза ядер — используется в ядерной энергетике, термоядерных бомбах) или при расщеплении тяжелых ядер (деление ядер, лежащее в основе взрыва ядерной бомбы).

Так как общий центр масс ядра и электронов располагается вблизи ядра, а само ядро обладает малыми размерами, большой массой и незначительной скоростью перемещения относительно центра масс, то атом можно рассматривать как систему электронов, движущихся вокруг неподвижного притягивающего центра. Полная энергия такой системы равна сумме кинетических энергий всех электронов и потенциальной энергии притяжения их ядром и отталкивания электронов друг от друга. Поскольку атом является квантовой системой, то есть подчиняется квантово-механическим законам, то его основная характеристика — полная внутренняя энергия — квантуется, то есть может принимать дискретный (прерывный) ряд значений, соответствующих устойчивым, стационарным состояниям атома. Промежуточные значения эта энергия принимать не может. Она может изменяться только скачкообразно путем квантового перехода из одного стационарного состояния в другое (иными словами, с одного уровня энергии на другой).

Самый нижний (основной) уровень, отвечающий минимальному значению энергии, соответствует наиболее устойчивому, нормальному состоянию атома, в котором атом, не подверженный внешним воздействиям, может находиться неограниченно долго. Все остальные уровни соответствуют возбужденному состоянию атома, в которых атом обладает большей энергией. В возбужденном состоянии атом может находиться очень кратковременно (~ 10^–8 с — для свободного атома). При переходе из возбужденного в основное состояние атом испускает фотон, энергия которого равна разности энергий верхнего и нижнего уровней. При обратном переходе с нижнего уровня на верхний атому должна быть сообщена энергия. Возбудить атомы можно различными способами: тепловым, когда благодаря нагреву усиливается молекулярное движение, и при соударении атомов электроны переходят на более высокие уровни; фотовозбуждением, когда электроны переходят на более высокие уровни за счет поглощения энергии падающих фотонов (флуоресценция, фосфоресценция); электрическим возбуждением, например, в газоразрядных лампах, где электроны и ионы двигаются с высокими скоростями и, соударяясь с атомами, переводят их в возбужденное состояние. Следует отметить, что видимый свет испускают только внешние электроны атома, возбужденные указанными способами.

Квантование энергии атома является следствием волновых свойств электрона, которыми он, как и другие частицы микромира, обладает (наряду с корпускулярными свойствами). Движению электрона в атоме соответствует стоячая волна длиной ~ 10^–8 см (то есть порядка линейных размеров атома). Поскольку для стоячей волны в ограниченном объеме возможны лишь определенные значения длины волны, то и энергия атома также может принимать только дискретный ряд значений. Свободное движение электрона, оторванного от атома, подобно распространению бегущей волны в неограниченном объеме, для которой возможны любые значения длины волны; его энергия при этом не квантуется и имеет непрерывный спектр. Наличие спина (собственного момента количества движения) у электрона позволяет рассматривать электрон как «вращающийся волчок» с собственным механическим и магнитным моментами. Учет спина у электронов позволил ученым объяснить порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах, а следовательно, и физические закономерности периодической системы элементов Д. И. Менделеева.