atom

english atom
Helium atom
Helium atom ground state.
An illustration of the helium atom, depicting the nucleus (pink) and the electron cloud distribution (black). The nucleus (upper right) in helium-4 is in reality spherically symmetric and closely resembles the electron cloud, although for more complicated nuclei this is not always the case. The black bar is one angstrom (10−10 m or 100 pm).
Classification
Smallest recognized division of a chemical element
Properties
Mass range 1.67×10−27 to 4.52×10−25 kg
Electric charge zero (neutral), or ion charge
Diameter range 62 pm (He) to 520 pm (Cs) (data page)
Components Electrons and a compact nucleus of protons and neutrons

ringkasan

  • sekeping kecil apa-apa
  • komponen terkecil dari unsur yang mempunyai sifat kimia unsur tersebut

Gambaran keseluruhan

Atom adalah unit penyusun terkecil dari bahan biasa yang merupakan unsur kimia. Setiap pepejal, cair, gas, dan plasma terdiri daripada atom neutral atau terion. Atom sangat kecil; ukuran tipikal adalah sekitar 100 picometer (1 × 10 m, sepersepuluh milimeter, atau 1 / 254,000,000 inci). Mereka begitu kecil sehingga dapat meramalkan tingkah laku mereka dengan tepat menggunakan fizik klasik - seolah-olah seperti bola biliar, misalnya - tidak mungkin. Ini disebabkan oleh kesan kuantum. Model atom semasa menggunakan prinsip kuantum untuk menjelaskan dan meramalkan tingkah laku ini dengan lebih baik.
Setiap atom terdiri daripada nukleus dan satu atau lebih elektron terikat pada nukleus. Inti dibuat dari satu atau lebih proton dan sejumlah neutron. Hanya jenis hidrogen yang paling biasa yang tidak mempunyai neutron. Proton dan neutron dipanggil nukleon. Lebih daripada 99.94% jisim atom berada di dalam nukleus. Proton mempunyai muatan elektrik positif sedangkan elektron mempunyai muatan elektrik negatif. Neutron tidak mempunyai cas elektrik. Sekiranya bilangan proton dan elektron sama, maka atomnya adalah elektrik secara neutral. Sekiranya atom mempunyai lebih banyak atau lebih sedikit elektron daripada proton, maka ia mempunyai muatan negatif atau positif secara keseluruhan. Atom ini dipanggil ion.
Elektron atom tertarik ke proton dalam inti atom oleh daya elektromagnetik. Proton dan neutron dalam nukleus saling tertarik oleh kekuatan nuklear. Daya ini biasanya lebih kuat daripada daya elektromagnetik yang menghalau proton bermuatan positif antara satu sama lain. Dalam keadaan tertentu, daya elektromagnetik penolakan menjadi lebih kuat daripada daya nuklear. Dalam kes ini, nukleus hancur dan meninggalkan unsur-unsur yang berbeza. Ini adalah sejenis kerosakan nuklear. Semua elektron, nukleon, dan nukleus adalah zarah subatom. Tingkah laku elektron dalam atom lebih dekat dengan gelombang daripada zarah.
Bilangan proton dalam nukleus, yang disebut nombor atom , menentukan unsur kimia mana atom tersebut. Sebagai contoh, setiap atom tembaga mengandungi 29 proton. Bilangan neutron mentakrifkan isotop unsur. Atom boleh melekat pada satu atau lebih atom lain dengan ikatan kimia untuk membentuk sebatian kimia seperti molekul atau kristal. Keupayaan atom untuk bersekutu dan berpisah bertanggungjawab untuk sebahagian besar perubahan fizikal yang diperhatikan di alam. Kimia adalah disiplin yang mengkaji perubahan ini.

Bahan asas jirim. Awalnya dianggap sebagai yang terkecil, abadi, tidak dapat dipisahkan, ia dinyatakan pada awal abad ke-20 bahawa ia terdiri daripada nukleus dan elektron. Juga ditemukan bahwa keadaan dalam atom dapat berubah dengan berbagai cara, dan kemudian menjadi jelas bahawa inti terdiri dari proton dan neutron. Apabila nukleus berkelajuan tinggi bertembung dengan nukleus lain, nukleus tersebut boleh pecah dan berubah menjadi inti jenis lain. Oleh itu, hari ini, atom bukanlah zarah utama dalam erti kata yang ketat.

Bahan yang wujud secara semula jadi terdiri daripada 92 jenis atom, dan telah disahkan bahawa terdapat lebih dari selusin jenis atom yang berumur pendek yang dibuat secara buatan. Atom kira-kira berbentuk sfera dengan jejari 10⁻ 1 0 m. Terdapat nukleus di tengah atom, dan terdapat beberapa elektron di sekelilingnya. Nukleus dalam bentuk sfera, jejari urutan 10⁻ 1 5 hingga 10⁻ 1 4 m. Oleh kerana jisim elektron jauh lebih kecil daripada nukleus atom, jisim atom hampir berjisim nukleus atom. Oleh kerana nukleus terdiri daripada proton dan neutron, dan jisim proton dan jisim neutron hampir sama, jisim inti hampir dengan jisim proton atau neutron dikalikan dengan jumlah proton dan neutron. Jumlah proton dan neutron disebut bilangan jisim nukleus dan diwakili oleh A. Sekiranya cas proton dan e, cas elektron adalah - e, neutron tidak mempunyai cas. Sekiranya bilangan proton dalam nukleus adalah Z dan bilangan neutron adalah N , maka Z + N adalah nombor jisim A. Cas nukleus adalah Ze , dan ada elektron Z di sekelilingnya, maka atom itu elektrik secara neutral .

Atom mempunyai nama seperti hidrogen dan oksigen. Nama-nama ini telah digunakan sebagai nama unsur bahkan sebelum keberadaan atom disahkan. Unsur adalah bahan yang tidak boleh dibahagikan kepada dua atau lebih jenis bahan. Bilangan proton Z kadang-kadang digunakan untuk menentukan jenis atom, dalam hal ini Z disebut nombor atom. Sebagai contoh, untuk atom hidrogen, Z = 1, jadi nombor atom adalah 1, dan untuk atom oksigen, Z = 8, jadi nombor atom adalah 8.

Nukleus atom dengan nombor muatan Z yang sama dan nombor jisim yang berbeza A disebut isotop, dan atom dengan inti seperti itu disebut isotop. Oleh kerana isotop mempunyai sifat kimia yang hampir sama, mereka dipanggil dengan nama unsur yang sama. Untuk membezakan isotop dengan nombor jisim di bahu kiri simbol unsur sebagai 1 6 O, 1 7 O. Banyak isotop radioaktif.

Apabila satu atau dua atau lebih elektron dalam atom dipancarkan, ia menjadi ion positif, dan sebaliknya, apabila elektron dibawa ke atom neutral, ia menjadi ion negatif. Secara amnya, molekul terbentuk apabila dua atau lebih atom terikat. Keadaan elektronik dalam ion, molekul, dan lain-lain tidak sama dengan keadaan elektronik dalam atom neutral, tetapi bahagian dalam atom tidak banyak berubah, dan bahagian luarnya terlibat dalam ikatan kimia. Apabila atom disusun mengikut urutan nombor atom, atom dengan sifat kimia yang serupa muncul dalam jangka masa tertentu. Ini dipanggil undang-undang berkala. Dalam jadual berkala, atom homolog mempunyai struktur kulit luar yang serupa dan dengan itu menunjukkan sifat kimia yang serupa. Isotop diletakkan pada kedudukan yang sama dalam jadual berkala.

Sekiranya kita menganggap elektron dan nukleus dalam atom sebagai titik jisim, mereka membentuk satu sistem titik jisim, dan menurut mekanik Newtonian, gerakan pusat graviti dan gerakan relatif dipisahkan. Cukup dengan mempertimbangkan kes di mana pusat graviti tidak bergerak. Oleh kerana nukleus mempunyai jisim yang jauh lebih besar daripada elektron, kedudukan pusat graviti atom hampir bertepatan dengan kedudukan nukleus. Oleh itu, fakta bahawa pusat graviti adalah pegun hampir sama dengan fakta bahawa inti pegun, dan elektron berputar di sekelilingnya. Ini serupa dengan Bumi, Marikh, Saturnus, dan lain-lain yang mengorbit Matahari. Walau bagaimanapun, pada kenyataannya, ini dijelaskan oleh fenomena difraksi sinar elektron oleh kristal bahawa elektron mempunyai sifat gelombang dan bukan titik jisim. Oleh itu, mekanik Newton tidak cukup untuk menggambarkan keadaan elektron dalam atom, dan mekanik kuantum. Adalah diperlukan. Menurut mekanik kuantum, elektron wujud dalam keadaan awan elektron dalam atom. Iaitu, setiap elektron menyebar seperti awan. Terdapat banyak korespondensi antara mekanik Newton dan mekanik kuantum, dan mekanik Newton sering berguna dalam memahami intipati teori mekanik kuantum. Atas sebab ini, penggambaran elektron bergerak dalam orbit bulat atau orbit elips dalam atom juga merupakan model atom yang berguna.

Menentukan kewujudan atom dan meneroka struktur atom

Sejak Yunani kuno, telah diperdebatkan apakah suatu zat dapat dibahagi seberapa banyak yang mungkin, atau apakah ia mencapai satuan terkecil yang tidak dapat dibagi lagi, iaitu sebuah atom. Democritus menyokong atomisme bahawa materi terdiri daripada atom, dan Aristoteles menganjurkan teori berterusan. Namun, perbahasan era ini tidak melampaui pemikiran filosofis, dan keberadaannya disahkan hanya pada zaman moden (). Atomisme ). Sekitar tahun 1800, J. Dalton menemui undang-undang pelbagai bahagian. Menurutnya, apabila dua jenis unsur membentuk beberapa jenis sebatian, nisbah jisim satu unsur dengan sejumlah unsur yang lain menjadi nisbah bilangan bulat sederhana. Hukum pelbagai bahagian dapat difahami secara wajar dengan mempertimbangkan bahawa suatu zat terdiri dari zarah halus dengan jisim tertentu, iaitu atom. Atas sebab ini, hukum pelbagai bahagian menjadi asas yang kuat untuk teori atom. Selanjutnya, tekanan yang diberikan oleh gas ketika gas disegel dan dipanaskan atau dimampatkan adalah Teori kinetik gas Dijelaskan dengan cemerlang oleh, yang mengurangkan ruang untuk meragukan kewujudan atom.

Pada awal abad ke-20, keberadaan elektron diketahui oleh eksperimen pada sinar katod, dan didapati oleh eksperimen ini bahawa elektron dikeluarkan dari pelbagai bahan. Saya berfikir bahawa ia akan berlaku. Selanjutnya, struktur atom secara beransur-ansur diperjelas menggunakan spektrum atom sebagai petunjuk, dan keberadaan atom menjadi pasti. Pada masa kini, adalah mungkin untuk memotret susunan atom dalam kristal dengan mikroskop elektron.

Terdapat inti atom

Sejak penemuan elektron, meneroka struktur atom telah menjadi masalah besar. Oleh kerana atom adalah elektrik elektrik, jika elektron adalah salah satu komponen atom, mesti ada komponen lain dengan muatan positif di dalam atom. Pada tahun 1903, JJ Thomson mengemukakan model atom di mana elektron berputar pada selang waktu yang tetap pada satu lilitan dalam satu muatan positif yang diedarkan secara sfera. Sebagai tindak balas, pada tahun yang sama, Hantaro Nagaoka mengemukakan model atom di mana elektron berputar seperti cincin Saturnus di luar muatan positif. Sebelas tahun kemudian, E. Rutherford menyatakan bahawa sebilangan sinar alfa berubah arah apabila tersebar oleh daun logam. Apabila zarah alfa memasuki atom, elektron sangat ringan sehingga dilemparkan ke dalam zarah alfa, sehingga zarah alfa hampir tidak dibengkokkan oleh elektron. Zarah alfa terutamanya dibengkokkan oleh muatan positif dalam atom. Walau bagaimanapun, jika cas positif mempunyai penyebaran melebihi tahap tertentu, zarah α tidak menerima daya yang sangat besar di luar atau di atas penyebaran itu, dan oleh itu jalan zarah α tidak membengkok banyak. Pada hakikatnya, kerana terdapat zarah-zarah α yang lenturnya sangat kuat, maka dijelaskan dari ini bahawa cas positif hampir tidak menyebar, dan bahagian cas positif yang hampir dengan muatan titik ini telah disebut inti atom. ..

Model atom hidrogen Bohr

Keteraturan yang signifikan dalam spektrum pelepasan atom hidrogen ditemui oleh JJ Balmer et al. Dari akhir abad ke-19 hingga awal abad ke-20. Maksudnya, panjang gelombang λ dari garis spektrum atom hidrogen adalah
Ia dinyatakan dengan formula. Walau bagaimanapun, R h adalah pemalar Rydberg atom hidrogen, dan n dan n ′ adalah bilangan bulat.

Pada tahun 1913, NHD Bohr membuat teori berikut mengenai struktur atom hidrogen untuk menjelaskan keteraturan spektrum atom hidrogen. Atom hidrogen terdiri daripada satu elektron dan satu proton (iaitu, nukleus hidrogen). Bohr menganggap bahawa elektron berada dalam gerakan bulat halaju tetap di sekitar proton. Sekiranya jisim elektron adalah m , jejari bulatan adalah r , dan kecepatan putaran sudut adalah ω, daya sentrifugal adalah mr ω 2 . Sebaliknya, tarikan Coulomb antara elektron dan proton adalah e 2 / r 2 (teori atom sering menggunakan sistem unit yang tidak rasional, jadi kita mengikutinya di sini). Apabila daya sentrifugal dan daya Coulomb cuba mengimbangkan, mr ω 2 = e 2 / r 2 . Momentum sudut elektron adalah m ω r 2 , tetapi di sini kita cuba membuat keadaan kuantum bahawa momentum sudut suatu elektron mestilah gandaan tak terpadu ħ (ħ ialah pemalar h Planck dibahagi dengan 2π). Apabila dikenakan, m ω r 2 = n ħ. Walau bagaimanapun, n = 1, 2, 3, ..., yang dipanggil nombor kuantum. Dari dua persamaan di atas, r = n 2 ħ 2 / me 2 , dan kelajuan elektron adalah v = ω r = e 2 / n ħ. Sekarang, tenaga kinetik elektron adalah 1/2 mv 2 = me 4/2 n 2 ħ 2, dan tenaga berpotensi daya Coulomb - e 2 / r = - a me 4 / n 2 ħ 2. Bersama-sama ditambahkan padanya, sebagai keadaan tenaga elektron bagi nombor kuantum n - dapatkan saya 4/2 n 2 ħ 2 . Namun, secara tegas, tidak betul untuk menganggap bahawa proton tidak bergerak, jadi jika titik ini diperbetulkan, tenaga elektron dalam keadaan nombor kuantum n akan menjadimenjadi 00502101. M adalah jisim proton.

Biarkan ν menjadi frekuensi cahaya yang dipancarkan ketika beralih dari keadaan nombor kuantum n ′ ke keadaan n ( di mana n ′> n ), dan cahaya yang dipancarkan pada masa itu dipancarkan sebagai satu foton. Apabila boleh, kerana tenaga foton adalah h [nu, E n undang-undang pemuliharaan tenaga -E n = h ν. Dengan mengandaikan bahawa kelajuan cahaya adalah c , ada hubungan νλ = c antara frekuensi ν cahaya dan panjang gelombang λ, jadi persamaan di atas adalahOleh itu, ia mempunyai bentuk yang sama persis dengan formula panjang gelombang di atas (1). Selanjutnya, bahagian di luar tanda kurung di sebelah kanan Persamaan. (2) sama persis dengan R h Persamaan. (1). Dengan cara ini, teori Bohr berjaya memberikan frekuensi garis spektrum atom hidrogen dengan betul, sehingga tujuan teori tersebut tercapai.

AJ Sommerfeld memperluas teori Bohr ke atom lain dan juga mengambil kira teori relativiti. Walau bagaimanapun, penerangan atom yang betul memerlukan teori yang merangkumi sifat gelombang elektron, iaitu mekanik kuantum, dan teori Bohr-Sommerfeld tidak lengkap dalam hal ini. Oleh itu, teori Bohr disebut model Bohr.

Mekanik dan atom kuantum Sifat gelombang elektron

Walaupun elektron adalah zarah, namun diungkapkan oleh difraksi sinar elektron oleh kristal bahawa mereka menunjukkan sifat gelombang. Dari ini, perlu difikirkan bahawa elektron bukan zarah keras tetapi boleh ubah bentuk, dan umumnya mempunyai tahap tertentu, dan bahawa terdapat gelombang dalam penyebaran (penyebaran elektron pada dasarnya). Ia boleh tumbuh semaksimum mungkin, tetapi keadaan penyebarannya tidak berkaitan langsung dengan pemerhatian, dan apabila kedudukan elektron diukur, elektron berkontraksi menjadi satu titik). Sudah tentu, apabila elektron bergerak dalam tiub sinar katod, elektron boleh dianggap sebagai titik jisim yang dicas. Namun, ketika mempertimbangkan pergerakan elektron di dunia kecil seperti atom, tidak betul untuk mengabaikan penyebaran elektron. Dengan kata lain, adalah penting setiap elektron dalam atom menyebar seperti awan. Awan elektron ini disebut awan elektron, dan ada gelombang di dalamnya.

Omong-omong, terdapat pelbagai gelombang di sekitar kita dalam kehidupan seharian kita, tetapi gelombang dan gelombang elektron ini (gelombang di awan elektron) serupa dalam beberapa aspek dan berbeza dalam beberapa aspek. Sebagai contoh, gelombang satah di permukaan air diwakili oleh fungsi sin (kx −ω t ) (k = 2π / λ, ω = 2 sm, λ adalah panjang gelombang, ν adalah frekuensi, x adalah koordinat kedudukan, t adalah waktu) . Gelombang elektromagnetik juga digambarkan menggunakan fungsi dalam bentuk yang sama, tetapi menurut mekanik kuantum, dalam hal elektron, jika paksi-x diambil dalam arah perjalanan gelombang, keadaan gelombang satah (gelombang satah dalam tiga -dimensi ruang) adalah exp { i. Ia diwakili oleh fungsi kompleks ( kx- ω t)}. Bentuk fungsi kompleks ini tidak dapat digunakan dalam teori gelombang elektromagnetik, tetapi digunakan untuk tujuan komputasi dan tidak memiliki makna substantif. Sebaliknya, menurut mekanik kuantum, kuadrat dari nilai mutlak fungsi kompleks yang mewakili gelombang elektron mewakili ketumpatan elektron (lebih tepatnya, ketumpatan kebarangkalian kewujudan), dan dalam hal ini, ia mempunyai makna substantif . ing.

Namun, kerana gelombang pesawat di atas exp { i ( kx -ω t )} tersebar di seluruh ruang, ia tidak boleh dikatakan mewakili keadaan elektronik yang sebenarnya. Keadaan elektronik yang sebenarnya adalah keadaan di mana gelombang hanya ada di kawasan ruang terbatas, dan gelombang tersebut disebut paket gelombang. Apabila tidak ada daya yang bertindak pada elektron, paket gelombang seperti itu membuat gerakan laju halaju malar, dan apabila ini diperhatikan sebagai zarah, momentumnya adalah p = ħ k , halaju v = p / m , dan tenaganya (kinetik tenaga) adalah. E = 1/2 mv 2 . Telah diketahui bahawa terdapat hubungan ω = E / ħ antara ω dan E.

Dalam atom hidrogen, jika gelombang elektron seperti yang dijelaskan di atas diletakkan cukup jauh dari proton (inti), dalam hal ini bundel gelombang mengalami gerakan melengkung di bawah pengaruh daya dari proton, dan gerakan melengkung adalah sebuah elektron. Ia hampir sama dengan latihan ketika titik massa berada. Walau bagaimanapun, jika paket gelombang elektron bertindih dengan proton, pergerakan gelombang seterusnya tidak dapat digambarkan dengan mudah. Dalam kes ini, jarak antara setiap bahagian awan elektron dan proton berbeza, jadi persamaan dengan mekanik klasik (mekanik Newtonian) semakin lemah. Termasuk kes seperti itu, keadaan elektronik umumnya diwakili oleh satu fungsi gelombang ψ ( x , y , z , t ) ( x , y , z adalah koordinat kedudukan). Apabila udara bergetar dalam tiub, gelombang berdiri dapat dihasilkan. Menurut mekanik kuantum, ada juga gelombang berdiri untuk gelombang elektron dalam atom, dan ketika gelombang berdiri ada, keadaan itu disebut keadaan stabil. Sekiranya sistem satu elektron seperti atom hidrogen, fungsi gelombang pegun ψ ( x , y , z , t ) mempunyai bentuk ψ ( x , y , z , 0) · exp { -iEt / ħ} ( Di mana E adalah tenaga elektron dalam keadaan itu). Sama seperti frekuensi gelombang getaran udara yang stabil mengambil nilai diskrit, tenaga E tetap elektron dalam atom juga diskrit. Oleh kerana fungsi gelombang pegun mempunyai bentuk di atas, ketumpatan elektron | ψ ( x , y , z , t ) | 2 tidak berubah dengan masa. Oleh kerana E adalah tenaga yang ada di dalam atom, ia boleh disebut tenaga atom.

Teori atom hidrogen oleh mekanik kuantum

Fungsi gelombang keadaan atom hidrogen dan tenaganya dapat diperoleh dengan tepat oleh mekanik kuantum, dan atom hidrogen ditentukan dengan cara ini. Tahap tenaga Tepat dengan tahap tenaga yang diperoleh oleh model atom Bohr. Dari atom hidrogen Keadaan tanah (Keadaan stabil dengan tenaga terendah) disebut keadaan 1s untuk alasan yang dijelaskan kemudian, dan fungsi gelombang adalah, kecuali faktor exp { -iEt / ħ}, yang bergantung pada waktu t.sebagai 00502301. Walau bagaimanapun,mewakili jarak dari asal (kedudukan proton). a adalah jejari orbit bulat n = 1 dalam model Bohr , iaitu, a = ħ 2 / me 2 . Jejari Bohr Dipanggil. Nilainya adalah a = 0.53 × 10⁻ 1 0 m. Secara kebetulan, awan elektron 1s diedarkan secara bulat simetri mengenai asal, walaupun penyebaran susunan jejari a, nilai rata-rata jarak r antara awan elektron dan asalnya tidak sama dengan a .. Pada. sebaliknya, nilai purata 1 / r adalah tepat 1 / a .

Menurut mekanik kuantum, tenaga elektron dalam keadaan 1s bertepatan dengan tenaga keadaan n = 1 dalam model atom Bohr. 1 in 1s bermaksud n = 1. Omong-omong, dalam model atom Bohr, n adalah nombor kuantum yang berkaitan dengan momentum sudut, tetapi titik ini perlu dipertimbangkan semula. Seperti yang telah disebutkan, ketika paket gelombang elektron dan proton cukup terpisah, perbezaan antara mekanik klasik dan mekanik kuantum kecil, dan konsep momentum sudut juga umum bagi mekanik klasik dan mekanik kuantum. Apabila awan elektron bertindih dengan proton seperti pada keadaan 1s di atas, korespondensi antara mekanik klasik dan mekanik kuantum tidak baik. Menurut mekanik kuantum, momentum sudut adalah 0 dalam keadaan simetri sfera seperti persamaan di atas. Secara umum, keadaan stabil adalah keadaan gelombang berdiri, dan gelombang berdiri mempunyai antinod dan nod, dan beberapa nod adalah sfera sepusat. Dalam mekanik kuantum, bilangan l satah nod selain sfera sepusat adalah nombor kuantum yang mewakili besarnya momentum sudut. Juga, jumlah jumlah satah nod ditambah 1 sama dengan bilangan kuantum n model atom Bohr. Oleh itu, mekanik kuantum dan model Bohr tidak sesuai sepenuhnya. Iaitu, dalam model Bohr, keadaan n = l dipertimbangkan, tetapi dalam mekanik kuantum, hanya keadaan mantap n > l yang ada. n adalah nombor kuantum utama, l adalah nombor kuantum momentum sudut, atau nombor kuantum azimuthal. Terdapat konvensyen bahawa saya mewakili keadaan 0, 1, 2, ... dengan simbol s, p, d, ... dengan asal spektroskopi, dan s dari 1s disebabkan oleh ini (untuk ini, < Spektrum atom > Dihuraikan secara terperinci).

Keadaan stabil selain dari keadaan tanah disebut keadaan teruja, dan khususnya, keadaan teruja dengan tenaga terendah disebut keadaan teruja pertama. Tenaga keadaan teruja pertama atom hidrogen bertepatan dengan tenaga keadaan n = 2 model atom Bohr. Dalam mekanik kuantum, terdapat empat jenis tahap tenaga, 2s, 2p1, 2p0, dan 2p-1. 2 dari 2s, 2p1, 2p0, 2p-1 mewakili n = 2, dan s dan p mewakili l = 0 dan 1, masing-masing. Selain itu, 1,0, dan -1 dari 2p1, 2p0, dan 2p-1 menunjukkan bahawa komponen z dari momentum sudut masing-masing adalah ħ, 0, dan -ħ.

Sebagai tambahan kepada tahap tenaga di atas n = 1, 2 untuk atom hidrogen, terdapat tahap tenaga n = 3, 4, 5, .... Pada tahap nombor kuantum utama n, nilai sudut yang mungkin dari momentum kuantum nombor l l = 0, 1, 2, ......, beberapa n n -1, nombor kuantum yang mewakili komponen z momentum sudut (The nilai yang mungkin bagi (diwakili oleh m) adalah m = l , l- 1, l- 2, ..., -l , 2 l + 1. Oleh itu, terdapat sejumlah n 2 keadaan dalam tahap tenaga nombor kuantum utama n. Apabila beberapa keadaan mempunyai tenaga yang sama dalam cara ini, tahap tenaga yang dikatakan merosot. Apabila medan magnet digunakan dalam arah z, perbezaan tenaga dicipta mengikut setiap nilai nombor kuantum atas m, jadi m dipanggil nombor kuantum magnet.

Apabila atom hidrogen beralih dari keadaan stabil tenaga tinggi ke keadaan stabil tenaga rendah, ia memancarkan cahaya, tetapi tahap tenaga keadaan tetap yang diperoleh oleh mekanik kuantum selaras dengan tahap tenaga dalam model atom Bohr. Oleh itu, frekuensi cahaya yang dipancarkan juga sama, yang selaras dengan hasil pengukuran spektrum atom hidrogen seperti yang telah disebutkan. Tegasnya, atom hidrogen tidak melompat secara tidak berterusan dari satu keadaan tetap ke keadaan yang lain, tetapi fungsi gelombang berubah secara berterusan dalam jangka masa yang singkat. Pengertian memerlukan kepakaran yang besar.

Dalam model Bohr, elektron bergerak dalam orbit bulat, tetapi dalam mekanik kuantum, keadaan elektron diwakili oleh fungsi gelombang.Kedua-dua teori ini berjauhan, tetapi saling berkaitan kerana mereka memberikan tahap tenaga yang sama. Terdapat juga titik umum bahawa elektron jauh dari proton dalam keadaan tenaga tinggi. Berfokus pada persamaan antara keduanya, gelombang berfungsi dalam keadaan 1s, 2s, 2p, dll. Fungsi orbit atom Selalunya disebut. Selain itu, ia mungkin disingkat dan hanya disebut sebagai orbit.

Atom am

Dalam atom umum, terdapat banyak elektron, dan setiap elektron menerima daya bukan sahaja dari inti atom tetapi juga dari elektron lain, yang menjadikan pengendalian mekanikal kuantum yang ketat sukar. Hal ini dapat dianggap bahawa elektron menyebar seperti awan, dan mereka wujud secara bertindih. Setiap elektron wujud di medan elektrik yang diciptakan oleh cas titik nukleus dan muatan awan elektron lain, tetapi dapat dianggap bahawa cas awan elektron lain diedarkan hampir secara bulat secara keseluruhan. Tidak hadir. Apabila elektron wujud di medan elektrik yang dibuat oleh cas titik nukleus dan cas sfera elektron lain di sekelilingnya, fungsi gelombang setiap elektron menjadi serupa dengan fungsi gelombang atom hidrogen, dan hidrogen. Seperti halnya atom, fungsi orbit atom yang mempunyai nombor kuantum utama n , momentum sudut kuantum l , dan nombor kuantum magnetik m dan tenaga elektron di orbit itu (tenaga elektron di negeri ini diwakili oleh fungsi orbital). ) Bertekad.

Dalam kes atom hidrogen, tenaga elektron di orbit yang sama dengan nombor kuantum utama n adalah sama, tetapi dalam kes atom umum, keadaannya sedikit berbeza kerana terdapat muatan negatif sfera di luar nukleus . Daya sentrifugal bertindak pada elektron dengan momentum sudut yang besar, dan kebarangkalian elektron wujud berhampiran nukleus adalah kecil. Oleh itu, daya tarikan dari nukleus disekat oleh cas negatif sfera pada kadar yang agak besar, dan akhirnya tenaga elektron dikurangkan. Ia semakin tinggi. Jadi, sebagai contoh, tenaga elektron dalam orbit 2p sedikit lebih tinggi daripada tenaga elektron dalam orbit 2s. Juga, tenaga elektron pada orbit 3d lebih tinggi daripada tenaga elektron pada orbit 4s. Apabila disusun mengikut urutan dari orbit dengan tenaga terendah, ia menjadi 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, dan seterusnya.

Seperti yang disebutkan di atas, tenaga elektron ditentukan untuk setiap set n dan l , tetapi ada juga bilangan kuantum magnetik m , dan m adalah 2 l + 1 dari l , l- 1, ..., - l. Walau bagaimanapun, tenaga elektron sama untuk orbital 2 l + 1 ini. Seperti disebutkan sebelumnya, mekanik klasik dan mekanik kuantum tidak selalu sesuai dengan baik, tetapi fakta bahawa tenaga tidak bergantung pada bilangan kuantum magnetik m dijelaskan secara klasik seperti berikut. Maksudnya, m adalah nombor kuantum yang menunjukkan seberapa besar momentum sudut dimiringkan dengan paksi-z, dan dalam medan elektrik simetri sfera, tenaga tidak relevan dengan arah momentum sudut, jadi nilai m adalah berbeza. Sekiranya n dan l sama, tenaga adalah sama.

Satu orbit ditentukan untuk setiap n , l , m, Prinsip Pauli Menurut ini, sehingga dua elektron dapat memasuki satu orbit, dan tidak ada lagi elektron yang dapat masuk. Elektron mempunyai putaran, dan putaran adalah putaran. Oleh kerana elektron mempunyai dua keadaan putaran (keadaan putaran), dua elektron dapat memasuki orbit yang sama. Dalam keadaan dasar atom, dua elektron terkandung dalam urutan dari orbit dengan tenaga terendah. Terdapat 2 l + 1 orbital dengan m yang berbeza untuk setiap set n dan l , dan 2 elektron dapat memasuki masing-masing, sehingga total 2 (2 l + 1) elektron dapat ditampung. ia boleh. Oleh itu, terdapat 2 elektron di orbit n s, 6 di orbit n p, 10 di orbit n d, dan sebagainya. Dengan memasukkan elektron mengikut urutan dari orbit dengan tenaga terendah, misalnya, konfigurasi elektron 1s 2 2s 2 2p 4 dapat diperoleh untuk atom oksigen. Walau bagaimanapun, nombor di bahu kanan 1s, 2s, dan 2p menunjukkan bilangan elektron. Menyenaraikan konfigurasi elektron keadaan tanah hingga nombor atom 10, hidrogen: 1s, helium: 1s 2 , litium: 1s 2 2s, berilium: 1s 2 2s 2 , boron: 1s 2 2s 2 2p, karbon: 1s 2 2s 2 2p 2 , nitrogen: 1s 2 2s 2 2p 3 , oksigen: 1s 2 2s 2 2p 4 , fluorin: 1s 2 2s 2 2p 5 , neon: 1s 2 2s 2 2p 6 . Untuk atom yang melebihi itu, misalnya, belerang: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 , klorin: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 . Dalam konfigurasi elektron seperti itu, apabila dua elektron terkandung dalam semua orbit satu set n dan l , seperti 1s 2, 2s 2 , dan 2p 6, shell disebut shell tertutup. .. Secara amnya, orbital dengan bilangan kuantum utama kecil berada di dalam atom, dan orbital dengan bilangan kuantum pokok besar berada di luar atom. Oleh itu, dapat dianggap bahawa atom terdiri dari beberapa cangkang yang disusun dari dalam ke luar dalam urutan nombor kuantum utama , dan sesuai dengan n = 1, 2, 3, ..., shell K, shell L, dan shell M, masing-masing. Sebut saja ... Ini adalah cangkang terluar yang terlibat dalam reaksi kimia, yang disebut cangkang luar, dan cengkerang lain disebut cangkang dalam. Sebagai contoh, untuk sulfur dan klorin, 1s, 2s dan 2p adalah cangkang dalam, dan 3s dan 3p adalah cangkang luar. Dalam Li hingga Ne, 1s adalah cangkang dalam dan 2s dan 2p adalah cangkang luar. Sebab mengapa atom unsur-unsur yang tergolong dalam keluarga yang sama dalam jadual berkala mempunyai sifat kimia yang serupa adalah bahawa struktur kulit luarnya serupa. Sebagai contoh, konfigurasi elektron dari shell luar atom oksigen adalah 2s 2 2p 4 , dan keluarga yang sama. Atom sulfur ialah 3s 2 3p 4 .
Nukleus atom
Takashi Ito