Атом – строеж – атомни модели

Атом е най-малката градивна частица на веществата, неделима по химичен път, която може в определeни случаи да съществува самостоятелно продължително време и е носител на свойствата на химичните елементи.

Материя

Когато се каже материя, най-простото обяснение, за което всеки се сеща, е нещо с маса и обем, пряко или косвено действащо на сетивата и причиняващо усещания. Тя е реалната същност на света и съществува обективно и независимо от нашите осезания и възприятия.

Атом

Телата и веществата, които ни заобикалят не са изградени от плътна хомогенна (еднородна) материя. Още в Древността един гръцки философ на име Демокрит допуснал, че веществата и телата като цяло са изградени от множество малки неделими частици и той ги нарекъл атоми. Атом буквално преведено от старогръцки означава „неделим„.

Така се зародила идеята за дискретен (прекъснат) строеж на веществата. Според тази идея, материята е организирана в атоми, които от своя страна изграждат заобикалящите ни тела. Първата атомна теория е създадена от Джон Далтон в началото на 19 век. Той допуснал, че всеки химичен елемент е представен от един-единствен уникален вид атоми в цялата Вселена.

През 1897 година Дж. Дж. Томпсън открил електрона и неговия заряд, след което му дал названието корпускула. Това довело до извода, че атомът не е неделим и било въведено ново понятие за онези най-малки частици, които действително са неделими –  елементарни частици .

През 1911 година Ъ. Ръдърфорд открил съществуването на атомното ядро. Той бил ученик на Томпсън и решил да „обстреля“ с положително заредени алфа-частици (хелиеви ядра) метален лист. Частиците преминавали свободно с някои изключения. Няколко от тях се отклонявали, а една на 10 000 се връщала обратно, което означавало, че тя срещала положителен заряд на пътя си. Ръдърфорд правилно предположил, че това е атомното ядро.

През 1913 година Томпсън открил изотопите, като прекарал поток от неонови йони през магнитно и ел. поле, удряйки с тях фотографска плака. Получили се две петна, което говорело за различно отклонение, а следователно и за различни маси на ядрата.

През 1913 година Ръдърфорд открил протона, а през 1932 година Джеймс Чадуик открил неутрона.

Атомни модели

Първият атомен модел е създаден от Ърнест Ръдърфорд. Моделът е известен като планетарен, защото ученият сравнявал устройството на атома със слънчевата система. Той изказал твърдението, че атомите имат положително заредено ядро, около което обикалят (по случайни орбити) отрицателно заредени електрони.

Както Земята обикаля по своята орбита около Слънцето, така и електронът се въртял около ядрото в представите на Ръдърфорд. Тази идея обаче имала и своите недостатъци. Някои опитни данни и по-точно дискретният характер на атомните емисионни спектри противоречали на модела.

Атомни емисионни спектри

Какво са емисионните спектри? Атомите на даден химичен елемент излъчват електромагнитни вълни с точно определена дължина на вълната. Когато се регистрират визуално се оказва, че те са прекъснати (линейни), а не непрекъснати, както би следвало от модела на Ръдърфорд. Линейният характер на атомните спектри свидетелства за дискретни енергетични нива в атомната структура. Получаването на различни линии е резултат от електронен преход в различно енергетично ниво.

Освен всичко казано досега, ако електроните в „Планетарния модел“ обикалят непрекъснато около ядрото, то те би трябвало да губят енергия и рано или късно да паднат, а атомът да се самоунищожи. Това на практика не се случва (атомите са стабилни ситеми освен тези с тежки ядра), което станало причина датският физик Нилс Бор да предложи „подобрение“ на „Планетарния модел“. За да направи това той се възползвал от квантовата теория на немският физик Макс Планк.

Квантовата теория

Всяко нагрято тяло излъчва енергия под форма на електромагнитни вълни и обратно: електромагнитна енергия се поглъща от телата и повишава тяхната температура. Телата могат да поглъщат само онези вълни, които са способни и да излъчват. Тялото, което може да поглъща и излъчва всички видове вълни се нарича абсолютно черно тяло. На практика такова не съществува, но то е идеализиран модел, който е удобен за използване във физиката и термодинамиката.

Според класическата физика, абсолютното черно тяло трябва да има непрекъснато електромагнитно излъчване, но на практика не е така. Макс Планк предлага обяснение за това с Квантовата теория. Според нея, енергията също има дискретен характер (прекъснат), т.е. тя се излъчва и поглъща на порции наречени кванти. „Порционираната“ енергия предполагала и наличието на дискретни енeргетични нива във всеки атом.

Модел на Бор

Нилс Бор предлага квантовия модел за описание на атомния строеж. Според него, електроните не обикаляли по произволни орбити около ядрото, а по точно определени квантувани орбити. Докато се намират на дадена орбита те не приемат и не излъчват енергия.

Енергийни промени се наблюдават само ако електронът преминава на друго енергетично ниво. Ако електронът прескочи на съседна орбита той ще „приеме“ или „отдаде“ една порция енергия, т.е. един квант. Всъщност, според тази хипотеза енергията не принадлежи на електрона, а на квантуваната орбита, на която се намира той.

Айнщайн предположил, че квантуването може да се приложи и към разпространяването и предаването на енергията. Той изказал идеята, че електромагнитното лъчение представлява поток от частици (фотони), всяка от които е носител на един квант енергия и се разпространява със скоростта на светлината в пространството. Фотонът е единствената неутрална частица, която няма съответстваща ѝ античастица.

Според теорията на Бор, орбитите, които се намират по-близо до ядрото са по-ниско енергетични. Ако електронът премине на съседна такава орбита от друга по-отдалечена, то тогава ще се излъчи един фотон, който ще бъде носител на един квант енергия. Обратното ще се случи, ако електрон премине от ниско енергетична орбита на съседна по-отдалечена от ядрото орбита.

Електроните не „приемат“ и не „излъчват“ енергия докато се намират на дадена квантувана орбита. След поредица от изчисления, Бор разбрал, че тъй като по-близките до ядрото орбити са по-нискоенергетични, на тях отговарят по-стабилни състояния за атома.

Квантови числа

Главно квантово число

За да опише състоянието на електрона на квантуваните орбити, Бор въвежда главното квантово число, което най-често се бележи с латинско n (ен). То може да приема само цели положителни стойности  n=1,2,3…,  като всяка стойност определя енергийно ниво, на което може да се намери електрона и това ниво се нарича  електронен слой.

Казано по друг начин, всяка стойност на n съответства на една от квантуваните орбити. Слоевете се отбелязват с латинските букви K, L, M, N, O, P, и Q, изброени в посока навън от ядрото. Познатите ни до днес атоми имат максимум 7 слоя. Атомите с малък брой слоеве са по-стабилни, защото имат и по леки ядра.

Орбитално квантово число

Както вече беше споменато, получаването на различни линии в емисионните спектри на атомите, е в резултат от прехода на електрон от енергетично по-богата стационарна орбита на друга с по-ниска енергия.

Самите спектрални линии се оказало, че имат фина структура, т.е. всяка от тях е изградена от няколко други близко разположени спектрални линии. За да се обясни този факт, е създаден векторният модел на атома и е въведено орбиталното квантово число. То се бележи с латинската буква l (ел) и характеризира енергията и формата на атомните орбити.

Стойностите на l са пряко свързани със стойностите на n: l = 0,1,2…(n-1) и всяка една отговаря на един електронен подслой  влизащ в структурата на съответния слой. Подслоевете се отбелязват с латинските букви s, p, d и f, изброени в посока навън от ядрото. Познатите ни до днес атоми имат запълнени максимум 4 подслоя от който и да е било слой. За да укажем на кой слой принадлежи подслоя, пред латинската буква се слага номера на слоя, който е равен на стойността на главното квантово число (например 1s, 2s, 2p, 3d и т.н.).

Магнитно квантово число

Под въздействие на външно магнитно поле атомните спектри се разцепват, което предполага взаимодействие на електрона с магнитното поле. За да се обяснят математически тези свойства на електрона, е въведено магнитното квантово число m (ем), което е свързано с пространствената насоченост на атомните орбитали по трите оси (x, y, z) на Декартовата координатна система.

Неговите стойности са зависими от стойностите на орбиталното квантово число и могат да бъдат в интервала:  m = (-l, … -2, -1, 0 , +1, +2, …+l). Трите квантови числа n, l и m описват напълно атомната орбита – нейната енергия, размери, форма и пространствена насоченост.

Спиново квантово число – спин

Освен, че електронът се движи по орбити се оказва, че той притежава и момент на количество на движението (спин), в резултат от въртенето около собствената му ос. Големината на спина на електрона се дава от спиновото квантово число s (ес), което има стойност s=-1/2.

Проекцията на спиновия момент върху дадена ос се описва с помощта на  магнитното спиново квантово число, което може да има стойности -1/2 или +1/2 (по-нататък ще го наричаме за кратко спиново квантово число, защото ще използваме само него от двете). Състоянието на електрона в атома може да бъде напълно определено, ако се знаят стойностите на 4-те квантови числа – n, l, m и s, всяко от които е постулирано.

Съвременни квантово-механични представи за атома

Следва един голям скок в нашия разказ, направо към съвременните квантово-механични представи за атома. За целта нека да разгледаме най-малкият измежду атомите. Най-грубото сравнение за водородния атом е една идеално кръгла черешка. Едно такова представяне е доста неточно, но за човек, който никога не се интересувал от строежа на атома, то ще е идеален фундамент за по-нататъшно му изучаване.

Нека костилката на черешката да бъде ядрото, а месестата част на плода –  мястото, където се намира електронът на водородния атом. Видно е, че вече не се говори за квантувани орбити, а за някакво триизмерно пространство около цялото ядро, което се характеризира с дадена плътност.

Електрон

Днес е известно, че всеки атом е делим – има ядро и обвивка от електрони. Оказва се, че и ядрото е делимо и се състои от още по-малки частици и т.н. В крайна сметка се достига до онези фундаментални частици, които изграждат атомната структура и не могат да бъдат разпаднати на по-малки от тях. Това са така наречените елементарни частици, за които вече стана дума в началото. Всъщност електронът е една от тях и носи относителен електричен заряд равен на -1.

Както всички частици той си има собствена, макар и пренебрежимо малка маса, но поведението му е подобно на вълна. Вълните са трептения, които се повтарят симетрично, отново и отново. Най-високата точка на вълната се нарича гребен, а най-ниската бразда.

Макар и да звучи абсурдно, фактите сочат, че електронът е едновременно и частица и вълна, т.е. той има двойствена природа  (дуализъм). До тази идея пръв достигнал Луи дьо Бройл. Според него всички движещи се микрочастици притежават и вълнови свойства. Ето защо, днес се смята, че електронът няма определена траектория, а съществува в  електронен облак около ядрото.

Атомни орбитали – определение и форма

Ако се използва отново сравнението с черешката, лесно можем да сравни месестата част от плода около костилката с електронния облак. При това сравнение, за читателя става ясно, в какво пространство около ядрото се намира електронът, но никога не може да определи точното му местонахождение, заради двойнствената му природа.

Oнази част от електронния облак, в която вероятността да бъде открит електронът е 90%, се нарича  атомна орбитала (АО). Вече не става дума за орбитите на Бор, а за обемни орбитали. Но когато те се изобразяват схематично на лист хартия, те ще изглеждат плоски досущ като окръжности. Въпреки това, читателят трябва да е наясно, че става дума за триизмерно пространство около ядрото.

Когато атомните орбитали имат сферична форма, те се наричат s-АО (подобно на горното изображение). Но те могат да притежават и формата на пространствена осморка или обемна детелина. Тогава се наричат съответно p-AO и d-AO. Най-сложна пространствена ориентация имат f-AO. Названията на атомните орбитали произлизат от подслоевете, на които се намират. И четирите вида може да бъдат видяни изобразени на долната картинка.

Атомна обвивка и енергия на орбиталите

Не трябва да се забравя, че когато се говори за атомни орбитали, става дума за част от пространството с определена елeктронна плътност. Тъй като атомната обвивка има слоест строеж, атомните орбитали принадлежат на даден слой и подслой. И след като е известно, че слоят и подслоят са енергийни нива и част от атомната обвивка, то следва, че всяка АО ще притежава определена енергия близка до тази на слоя и еднаква с тази на подслоя.

На най-близкия слой до ядрото (n=1) отговаря минимална енергия и той се наименова с латинско К. На него се намира само една s-AO (означава се като 1s-AO), на която може да се разполагат максимум 2 електрона.

Вторият слой навън от атомния център се бележи с латинско L и се състои от два подслоя. По-близкият от тях до ядрото има само една s-AO (означава се като 2s-AO) и тя може да бъде заета максимум от два електрона.

Във втория подслой има три p-AO (означава се като 2p-AO), които имат еднаква енергия, но са ориентирани по трите различни оси в пространството. Всяка от тези АО има формата на пространствена осморка и може да бъде заемана с не повече от два електрона. На една атомна орбитала може да има максимум два електрона. При това те трябва да са задължително с противоположни спинове (различни стойности на спиновото квантово число).

Третият слой има три подслоя, съответно с една 3s-AO, три 3p-AO и пет 3d-AO. Четвъртият слой притежава 4 подслоя със съответно една 4s-AO, три 4p-AO, пет 4d-AO и седем 4f-AO. Петият, шестият и седмият слоеве имат аналогично 5, 6 и 7 подслоя, но само тези 4 вида АО.

Няма известни до момента атоми, които да имат запълнена друга по вид АО, освен четирите познати досега (s,p,d, и f), макар да съществуват атоми със седем електронни слоя. Според това на кои АО се намират валентните електрони на даден елемент, ние можем да групираме химичните елементи съответно на s-, p-, d-, и f-елементи.

Уравнението на Шрьодингер

Квантовите числа при съвременния квантово-механичен модел на атома не са постулирани, а се получават при решаването на вълновото уравнение на Шрьодингер. От друга страна то самото е постулат (не може да се изведе от по-просто) и се използва да опише състоянието на електрона в атома. Някои учени го разглеждат като трети принцип на квантовата механика.

Максималната информация, която може да се получи при неговото решаване е да се определи вероятността за намиране на електрона в определено пространство около ядрото. Тази вероятност се дава от произведението на комплексната и комплексноспрегнатата стойности на вълновата функция.

 Запълване на атомните орбитали (АО) с електрони

Точните правила и принципи, за това как електроните си избират на коя АО орбитала да се разположат са описани в „Изграждане на елелектронната обвивка„. Тук ще бъде направен само кратък и повърхностен преглед.

В началото стремежът на електроните е да заемат най-ниско енергийните АО. Ако имаме само един или два електрона в един атом, то те ще се разположат на 1s-AO. Ако са 3 или 4, първо ще запълнят 1s-AO, а после 2s-AO от втория слой. Ако обаче електроните са да речем осем, първите четири ще повторят познатата процедура, но останалите четири ще „подходят“ различно.

Тъй като има три незаети 2p-AO с еднаква енергия, изпървом всяка една АО ще бъде заета от единичен електрон. Едва тогава ще електроните започнат да се сдвояват, като се спазва правилото за различните спинове. В горните слоеве на другите атоми, атомните орбитали продължават да се запълват по сходен начин.

Атомно ядро – протони и неутрони

Както бе споменато, атомът освен електронна обвивка има и атомно ядро. То е разположено в центъра и масата му се приема за маса на целия атом. Тази на електроните се пренебрегва, защото е незначимо малка.

Ядрото съдържа два вида частици (нуклони): положително заредени протони и неутрони без заряд. Като правило атом във основно състояние е електронеутрални частица. Атомите с различен брой протони в ядрата си, принадлежат на различни химични елементи. Атомите с различен брой неутрони в ядрата си, се наричат изотопи на един и същ химичен елемент.