Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Атом (значения) .

Атом
Основное состояние атома гелия.
Иллюстрация атома гелия с изображением ядра (розовый) и распределения электронного облака (черный). Ядро (вверху справа) в гелии-4 на самом деле сферически симметрично и очень похоже на электронное облако, хотя для более сложных ядер это не всегда так. Черная полоса - один ангстрем (10 −10  м или100  часов ).
Классификация
Наименьшее признанное деление химического элемента
Характеристики
Диапазон масс1,67 × 10 −27 до4,52 × 10 −25  кг
Электрический заряднулевой (нейтральный) или ионный заряд
Диапазон диаметров62 pm ( He ) до 520 pm ( Cs ) ( страница данных )
Составные частиЭлектроны и компактное ядро из протонов и нейтронов

Атом является наименьшей единицей обычной материи , которая образует химический элемент . Каждое твердое тело , жидкость , газ и плазма состоят из нейтральных или ионизированных атомов. Атомы чрезвычайно малы, обычно около 100  пикометров в поперечнике. Они настолько малы, что точно предсказать их поведение с помощью классической физики - как, например, если бы они были теннисными мячами - невозможно из-за квантовых эффектов .

Каждый атом состоит из ядра и одного или нескольких электронов, связанных с ядром. Ядро состоит из одного или нескольких протонов и нескольких нейтронов . Только самая распространенная разновидность водорода не имеет нейтронов. Более 99,94% атом в массе находится в ядре. Протоны имеют положительный электрический заряд , электроны имеют отрицательный электрический заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Если количество протонов и электронов равно, то атом электрически нейтрален. Если у атома больше или меньше электронов, чем протонов, то он имеет общий отрицательный или положительный заряд соответственно - такие атомы называются ионами .

Электроны атома притягиваются к протонам в атомном ядре электромагнитной силой . Протоны и нейтроны в ядре притягиваются друг к другу ядерной силой . Эта сила обычно сильнее, чем электромагнитная сила, которая отталкивает положительно заряженные протоны друг от друга. При определенных обстоятельствах отталкивающая электромагнитная сила становится сильнее ядерной. В этом случае ядро расщепляется и оставляет после себя разные элементы . Это форма ядерного распада .

Число протонов в ядре - это атомный номер, и он определяет, к какому химическому элементу принадлежит атом. Например, любой атом, содержащий 29 протонов, - это медь . Количество нейтронов определяет изотоп элемента. Атомы могут присоединяться к одному или нескольким другим атомам химическими связями с образованием химических соединений, таких как молекулы или кристаллы . Способность атомов объединяться и диссоциировать ответственна за большинство физических изменений, наблюдаемых в природе. Химия - это дисциплина, изучающая эти изменения.

История атомной теории

Основная статья: Атомная теория

В философии

Основная статья: Атомизм

Основная идея о том, что материя состоит из крошечных неделимых частиц, очень старая, она появилась во многих древних культурах, таких как Греция и Индия. Слово атом происходит от древнегреческого слова атомос , что означает «uncuttable». Эта древняя идея была основана на философских рассуждениях, а не на научных рассуждениях, и современная атомная теория не основана на этих старых концепциях. Тем не менее, само слово «атом» использовалось на протяжении веков мыслителями, которые подозревали, что материя в конечном итоге имеет гранулированную природу. [1] [2]

Закон множественных пропорций далтона

Атомы и молекулы, изображенные в книге Джона Дальтона « Новая система химической философии», том. 1 (1808)

В начале 1800-х годов английский химик Джон Дальтон собрал экспериментальные данные, собранные им самим и другими учеными, и открыл закономерность, известную теперь как « закон множественных пропорций ». Он заметил, что в химических соединениях, содержащих определенный химический элемент, содержание этого элемента в этих соединениях будет отличаться соотношением малых целых чисел. Этот образец подсказал Дальтону, что каждый химический элемент объединяется с другими посредством некоторой базовой и согласованной единицы массы.

Например, существует два типа оксида олова : один представляет собой черный порошок, содержащий 88,1% олова и 11,9% кислорода, а другой - белый порошок, содержащий 78,7% олова и 21,3% кислорода. Корректируя эти цифры, в черном оксиде содержится около 13,5 г кислорода на каждые 100 г олова, а в белом оксиде - примерно 27 г кислорода на каждые 100 г олова. 13,5 и 27 образуют соотношение 1: 2. В этих оксидах на каждый атом олова приходится один или два атома кислорода соответственно ( SnO и SnO 2 ). [3] [4]

В качестве второго примера Дальтон рассмотрел два оксида железа : черный порошок, состоящий из 78,1% железа и 21,9% кислорода, и красный порошок, состоящий из 70,4% железа и 29,6% кислорода. Корректируя эти цифры, в черном оксиде содержится около 28 г кислорода на каждые 100 г железа, а в красном оксиде - около 42 г кислорода на каждые 100 г железа. 28 и 42 образуют соотношение 2: 3. В этих соответствующих оксидах на каждые два атома железа приходится два или три атома кислорода ( Fe 2 O 2 и Fe 2 O 3 ). [а] [5] [6]

В качестве последнего примера: закись азота - это 63,3% азота и 36,7% кислорода, оксид азота - это 44,05% азота и 55,95% кислорода, а диоксид азота - это 29,5% азота и 70,5% кислорода. Корректируя эти цифры, в закиси азота на каждые 140 г азота приходится 80 г кислорода, в оксиде азота - около 160 г кислорода на каждые 140 г азота, а в диоксиде азота - 320 г кислорода на каждые 140 г азота. г азота. 80, 160 и 320 образуют соотношение 1: 2: 4. Соответствующие формулы для этих оксидов: N 2 O , NO и NO 2 . [7] [8]

Кинетическая теория газов

Основная статья: Кинетическая теория газов

В конце 18 века ряд ученых обнаружили, что они могут лучше объяснить поведение газов, описывая их как совокупность субмикроскопических частиц и моделируя их поведение с помощью статистики и вероятности . В отличие от атомной теории Дальтона, кинетическая теория газов описывает не то, как газы химически реагируют друг с другом с образованием соединений, а их физическое поведение: диффузия, вязкость, проводимость, давление и т. Д.

Броуновское движение

В 1827 году ботаник Роберт Браун использовал микроскоп, чтобы посмотреть на частицы пыли, плавающие в воде, и обнаружил, что они перемещаются беспорядочно - явление, которое стало известно как « броуновское движение ». Считалось, что это вызвано молекулами воды, которые разбивают зерна. В 1905 году Альберт Эйнштейн доказал реальность этих молекул и их движений, выполнив первый статистический физический анализ броуновского движения . [9] [10] [11] Французский физик Жан Перрен использовал работу Эйнштейна для экспериментального определения массы и размеров молекул, тем самым предоставив физические доказательства корпускулярной природы материи.[12]

Открытие электрона

Гейгер-Марсден эксперимент :
Слева: Ожидаемые результаты: альфа - частица , проходящую через сливу пудинг модель атома с незначительным отклонением.
Справа: наблюдаемые результаты: небольшая часть частиц отклоняется концентрированным положительным зарядом ядра.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон обнаружил, что катодные лучи не являются электромагнитными волнами, а состоят из частиц, которые в 1800 раз легче водорода (самого легкого атома). Томсон пришел к выводу, что эти частицы пришли из атомов внутри катода - они были субатомными частицами. Он назвал эти новые частицы корпускулами, но позже они были переименованы в электроны . Томсон также показал, что электроны идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрическими и радиоактивными материалами. [13] Было быстро признано, что электроны - это частицы, переносящие электрические токи.в металлических проводах. Томсон пришел к выводу, что эти электроны вышли из самих атомов катода в его инструментах, а это означало, что атомы не неделимы, как предполагает название атомос .

Открытие ядра

Основная статья: эксперимент Гейгера-Марсдена

Дж. Дж. Томсон считал, что отрицательно заряженные электроны были распределены по всему атому в море положительного заряда, которое было распределено по всему объему атома. [14] Эта модель иногда известна как модель сливового пудинга .

Эрнест Резерфорд и его коллеги Ханс Гейгер и Эрнест Марсден усомнились в модели Томсона после того, как они столкнулись с трудностями при попытке построить прибор для измерения отношения заряда к массе альфа-частиц (это положительно заряженные частицы, испускаемые некоторые радиоактивные вещества, такие как радий). Альфа-частицы рассеивались воздухом в камере обнаружения, что делало измерения ненадежными. Томсон столкнулся с подобной проблемой в своей работе над катодными лучами, которую он решил, создав почти идеальный вакуум в своих инструментах. Резерфорд не думал, что столкнется с той же проблемой, потому что альфа-частицы намного тяжелее электронов. Согласно модели атома Томсона, положительный заряд в атоме недостаточно сконцентрирован для создания электрического поля, достаточно сильного, чтобы отклонить альфа-частицу, а электроны настолько легкие, что их должны легко отталкивать гораздо более тяжелые альфа-частицы. Тем не менее рассеяние было, поэтому Резерфорд и его коллеги решили тщательно исследовать это рассеяние. [15]

Между 1908 и 1913 годами Рутфорд и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкие металлические фольги альфа-частицами. Они заметили альфа-частицы, отклоняющиеся на угол более 90 °. Чтобы объяснить это, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома не распределяется по объему атома, как полагал Томсон, а сосредоточен в крошечном ядре в центре. Только такая интенсивная концентрация заряда может создать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы отклонить альфа-частицы, как это наблюдается. [15]

Открытие изотопов

Экспериментируя с продуктами радиоактивного распада , в 1913 году радиохимик Фредерик Содди обнаружил, что, по всей видимости, в каждой позиции в периодической таблице присутствует более одного типа атомов . [16] Термин изотоп был придуман Маргарет Тодд как подходящее название для разных атомов, принадлежащих к одному элементу. Дж. Дж. Томсон создал метод разделения изотопов в своей работе над ионизированными газами , которая впоследствии привела к открытию стабильных изотопов . [17]

Модель Бора

Модель атома Бора, в которой электрон совершает мгновенные «квантовые скачки» с одной орбиты на другую с усилением или потерей энергии. Эта модель электронов на орбитах устарела.
Основная статья: модель Бора

В 1913 году физик Нильс Бор предложил модель, в которой предполагалось, что электроны атома вращаются вокруг ядра, но могли делать это только на конечном наборе орбит и могли перепрыгивать между этими орбитами только при дискретных изменениях энергии, соответствующих поглощению или поглощению. излучение фотона. [18] Это квантование использовалось, чтобы объяснить, почему орбиты электронов стабильны (учитывая, что обычно заряды при ускорении, включая круговое движение, теряют кинетическую энергию, которая излучается как электромагнитное излучение, см. Синхротронное излучение ) и почему элементы поглощают и излучают электромагнитные излучение в дискретных спектрах. [19]

Позже в том же году Генри Мозли предоставил дополнительные экспериментальные доказательства в пользу теории Нильса Бора . Эти результаты уточнили модель Эрнеста Резерфорда и Антониуса ван ден Брука , согласно которой атом содержит в своем ядре количество положительных ядерных зарядов , равное его (атомному) номеру в периодической таблице. До этих экспериментов атомный номер не был физической и экспериментальной величиной. То, что он равен заряду атомного ядра, остается общепринятой атомной моделью сегодня. [20]

Химические связи между атомами были объяснены Гилбертом Ньютоном Льюисом в 1916 году как взаимодействия между составляющими их электронами. [21] Так как химические свойства элементов, как известно, во многом повторяют себя в соответствии с периодическим законом , [22] в 1919 году американский химик Ирвинг Ленгмюра предположил , что это можно было бы объяснить , если электроны в атоме были связаны или сгруппированы в некоторых манера. Считалось, что группы электронов занимают набор электронных оболочек вокруг ядра. [23]

Модель атома Бора была первой полной физической моделью атома. Он описал общую структуру атома, как атомы связаны друг с другом, и предсказал спектральные линии водорода. Модель Бора не была совершенной и вскоре была заменена более точной моделью Шредингера, но ее было достаточно, чтобы развеять все оставшиеся сомнения в том, что материя состоит из атомов. Для химиков идея атома была полезным эвристическим инструментом, но физики сомневались в том, действительно ли материя состоит из атомов, поскольку никто еще не разработал полную физическую модель атома.

Модель Шредингера

Стерн-Герлах 1922 представил дополнительные доказательства квантовой природы атомных свойств. Когда пучок атомов серебра пропускался через магнитное поле особой формы, пучок расщеплялся в зависимости от направления углового момента или спина атома . Поскольку это направление вращения изначально является случайным, можно ожидать, что луч отклонится в случайном направлении. Вместо этого луч был разделен на две составляющие направления, соответствующие спину атома , ориентированному вверх или вниз по отношению к магнитному полю. [24]

В 1925 году Вернер Гейзенберг опубликовал первую последовательную математическую формулировку квантовой механики ( матричной механики ). [20] Годом ранее Луи де Бройль предложил гипотезу де Бройля : все частицы в некоторой степени ведут себя как волны [25], а в 1926 году Эрвин Шредингер использовал эту идею для разработки уравнения Шредингера , математической модели атома. (волновая механика), описывающая электроны как трехмерные волновые формы, а не как точечные частицы. [26]

Следствием использования форм волны для описания частиц является то, что математически невозможно получить точные значения как для положения, так и для импульса частицы в данный момент времени; это стало известно как принцип неопределенности , сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. [20] Согласно этой концепции, для заданной точности измерения положения можно было получить только диапазон вероятных значений импульса, и наоборот. [27] Эта модель смогла объяснить наблюдения за поведением атомов, которые не могли быть в предыдущих моделях, такие как определенные структурные и спектральныеузоры атомов крупнее водорода. Таким образом, планетарная модель атома была отвергнута в пользу той, которая описывала орбитальные зоны атома вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью будет наблюдаться данный электрон. [28] [29]

Открытие нейтрона

Развитие масс-спектрометра позволило измерять массу атомов с повышенной точностью. Устройство использует магнит, чтобы искривлять траекторию пучка ионов, а величина отклонения определяется отношением массы атома к его заряду. Химик Фрэнсис Уильям Астон использовал этот прибор, чтобы показать, что изотопы имеют разные массы. Атомная масса этих изотопов изменялись целым количествами, называется целое правилом номера . [30] Объяснение этих различных изотопов ожидало открытия нейтрона , незаряженной частицы с массой, подобной протону , физиком Джеймсом Чедвиком.в 1932 году. Затем изотопы были объяснены как элементы с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов в ядре. [31]

Деление, физика высоких энергий и конденсированные вещества

В 1938 году немецкий химик Отто Хан , ученик Резерфорда, направил нейтроны на атомы урана, надеясь получить трансурановые элементы . Вместо этого его химические эксперименты показали, что в качестве продукта используется барий . [32] [33] Год спустя Лиз Мейтнер и ее племянник Отто Фриш подтвердили, что результат Хана был первым экспериментальным ядерным делением . [34] [35] В 1944 году Хан получил Нобелевскую премию по химии . Несмотря на усилия Хана, вклад Мейтнер и Фриш не получил признания. [36]

В 1950 - е годы, разработка усовершенствованных ускорителей частиц и детекторов частиц позволили ученым исследовать воздействие атомов , движущихся в области высоких энергий. [37] Нейтроны и протоны оказались адронами или композитами из более мелких частиц, называемых кварками . Была разработана стандартная модель физики элементарных частиц, которая до сих пор успешно объясняла свойства ядра в терминах этих субатомных частиц и сил, которые управляют их взаимодействиями. [38]

Структура

Субатомные частицы

Основная статья: Субатомная частица

Хотя слово атом первоначально обозначало частицу, которую нельзя разрезать на более мелкие частицы, в современном научном использовании атом состоит из различных субатомных частиц . Составляющие атома частицы - электрон , протон и нейтрон .

Электрон является наименее массивной из этих частиц на 9,11 × 10 -31  кг , с отрицательным электрическим зарядом и размером, который слишком мал для измерения с помощью доступных методов. [39] Это была самая легкая частица с положительной измеренной массой покоя до открытия массы нейтрино . В обычных условиях электроны связаны с положительно заряженным ядром притяжением, создаваемым противоположными электрическими зарядами. Если у атома больше или меньше электронов, чем его атомный номер, тогда он становится соответственно отрицательно или положительно заряженным в целом; заряженный атом называется ионом . Электроны известны с конца 19 века, в основном благодаря Дж. Дж. Томсону ; видетьистория субатомной физики для подробностей.

Протоны имеют положительный заряд и массу в 1836 раз больше, чем у электрона. 1.6726 × 10 −27  кг . Число протонов в атоме называется его атомным номером . Эрнест Резерфорд (1919) заметил, что азот при бомбардировке альфа-частицами выбрасывает ядра водорода. К 1920 году он признал, что ядро ​​водорода является отдельной частицей внутри атома, и назвал его протоном .

Нейтроны не имеют электрического заряда и имеют свободную массу в 1839 раз больше массы электрона, или 1,6749 × 10 −27  кг . [40] [41] Нейтроны - самые тяжелые из трех составляющих частиц, но их масса может быть уменьшена за счет энергии связи ядра . Нейтроны и протоны (вместе известные как нуклоны ) имеют сопоставимые размеры - порядка2,5 × 10 −15  м - хотя «поверхность» этих частиц четко не определена. [42] Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком .

В Стандартной модели физики электроны действительно являются элементарными частицами без внутренней структуры, тогда как протоны и нейтроны представляют собой составные частицы, состоящие из элементарных частиц, называемых кварками . В атомах есть два типа кварков, каждый из которых имеет небольшой электрический заряд. Протоны состоят из двух верхних кварков (каждый с зарядом +2/3) и один нижний кварк (с зарядом -1/3). Нейтроны состоят из одного верхнего кварка и двух нижних кварков. Это различие объясняет разницу в массе и заряде двух частиц. [43] [44]

Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием (или сильным взаимодействием ), которое обеспечивается глюонами . Протоны и нейтроны, в свою очередь, удерживаются друг у друга в ядре ядерным взаимодействием , которое является остатком сильного взаимодействия, имеющего несколько иные свойства дальности действия (подробнее см. Статью о ядерном взаимодействии). Глюон является членом семейства калибровочных бозонов , которые представляют собой элементарные частицы, являющиеся переносчиками физических сил. [43] [44]

Ядро

Основная статья: Атомное ядро
Энергия связи, необходимая нуклону для выхода из ядра, для различных изотопов.

Все связанные протоны и нейтроны в атоме составляют крошечное атомное ядро и вместе называются нуклонами . Радиус ядра примерно равен фемтометрам , где - полное число нуклонов. [45] Это намного меньше радиуса атома, который составляет порядка 10 5  фм. Нуклоны связаны между собой короткодействующим потенциалом притяжения, называемым остаточной сильной силой . На расстояниях меньше 2,5 фм эта сила намного мощнее электростатической силы , заставляющей положительно заряженные протоны отталкиваться друг от друга. [46] 

Атомы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов, называемое атомным номером . В одном элементе количество нейтронов может варьироваться, определяя изотоп этого элемента. Общее количество протонов и нейтронов определяет нуклид . Число нейтронов относительно протонов определяет стабильность ядра, при этом некоторые изотопы подвергаются радиоактивному распаду . [47]

Протон, электрон и нейтрон классифицируются как фермионы . Фермионы подчиняются принципу исключения Паули, который запрещает идентичным фермионам, таким как несколько протонов, занимать одно и то же квантовое состояние в одно и то же время. Таким образом, каждый протон в ядре должен находиться в квантовом состоянии, отличном от всех других протонов, и то же самое относится ко всем нейтронам ядра и ко всем электронам электронного облака. [48]

Ядро, в котором количество протонов отличается от числа нейтронов, потенциально может перейти в более низкое энергетическое состояние в результате радиоактивного распада, в результате которого количество протонов и нейтронов будет более точно совпадать. В результате атомы с совпадающим количеством протонов и нейтронов более устойчивы к распаду, но с увеличением атомного номера взаимное отталкивание протонов требует увеличения доли нейтронов для поддержания стабильности ядра. [48]

Иллюстрация процесса ядерного синтеза, при котором из двух протонов образуется ядро ​​дейтерия, состоящее из протона и нейтрона. Позитрона (е + ) -an антивещества электрон-испускается наряду с электронным нейтрино .

Число протонов и нейтронов в атомном ядре может быть изменено, хотя это может потребовать очень высоких энергий из-за сильного взаимодействия. Ядерный синтез происходит, когда несколько атомных частиц соединяются с образованием более тяжелого ядра, например, в результате энергетического столкновения двух ядер. Например, в ядре Солнца протонам требуется энергия от 3 до 10 кэВ, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание - кулоновский барьер - и слиться в единое ядро. [49] Ядерное деление- противоположный процесс, в результате которого ядро ​​расщепляется на два меньших ядра - обычно в результате радиоактивного распада. Ядро также можно модифицировать путем бомбардировки субатомными частицами высокой энергии или фотонами. Если это изменяет количество протонов в ядре, атом превращается в другой химический элемент. [50] [51]

Если масса ядра после реакции слияния меньше суммы масс отдельных частиц, то разница между этими двумя значениями может быть испущена как тип полезной энергии (например, гамма-луч или кинетическая энергия из бета - частиц ), как описано Альберта Эйнштейна «с эквивалентности массы и энергии формулы, где это потеря массы и это скорость света . Этот дефицит является частью энергии связи нового ядра, и именно безвозвратная потеря энергии заставляет слитые частицы оставаться вместе в состоянии, которое требует этой энергии для разделения. [52]

Слияние двух ядер, которые создают более крупные ядра с более низкими атомными номерами, чем у железа и никеля - общее число нуклонов около 60 - обычно является экзотермическим процессом, который выделяет больше энергии, чем требуется для их объединения. [53] Именно этот процесс высвобождения энергии делает ядерный синтез в звездах самоподдерживающейся реакцией. Для более тяжелых ядер энергия связи на нуклон в ядре начинает уменьшаться. Это означает, что процессы синтеза, производящие ядра с атомными номерами выше примерно 26 и атомными массами выше примерно 60, являются эндотермическими процессами.. Эти более массивные ядра не могут подвергаться реакции синтеза, производящей энергию, которая может поддерживать гидростатическое равновесие звезды. [48]

Электронное облако

Основные статьи: Атомная орбиталь и электронная конфигурация
Потенциальная яма, показывающая, согласно классической механике , минимальную энергию V ( x ), необходимую для достижения каждой позиции x . Классически частица с энергией E ограничена диапазоном положений от x 1 до x 2 .

Электроны в атоме притягиваются к протонам в ядре электромагнитной силой . Эта сила связывает электроны внутри электростатической потенциальной ямы, окружающей меньшее ядро, а это означает, что для выхода электрона необходим внешний источник энергии. Чем ближе электрон к ядру, тем больше сила притяжения. Следовательно, электронам, связанным около центра потенциальной ямы, требуется больше энергии для выхода, чем электронам, находящимся на большем расстоянии.

Электроны, как и другие частицы, обладают свойствами как частицы, так и волны . Электронное облако - это область внутри потенциальной ямы, где каждый электрон образует трехмерную стоячую волну - форму волны, которая не движется относительно ядра. Это поведение определяется атомной орбиталью , математической функцией, которая характеризует вероятность того, что электрон окажется в определенном месте при измерении его положения. [54] Вокруг ядра существует только дискретный (или квантованный ) набор этих орбиталей, так как другие возможные волновые структуры быстро распадаются на более стабильную форму. [55]Орбитали могут иметь одну или несколько кольцевых или узловых структур и отличаются друг от друга размером, формой и ориентацией. [56]

Трехмерные изображения некоторых водородоподобных атомных орбиталей, показывающие плотность и фазу вероятности ( g- орбитали и выше не показаны)

Каждая атомная орбиталь соответствует определенному энергетическому уровню электрона. Электрон может изменить свое состояние на более высокий энергетический уровень, поглощая фотон с энергией, достаточной для перехода его в новое квантовое состояние. Аналогичным образом, посредством спонтанного излучения электрон в состоянии с более высокой энергией может упасть в состояние с более низкой энергией, при этом излучая избыточную энергию в виде фотона. Эти характерные значения энергии, определяемые различиями в энергиях квантовых состояний, отвечают за атомные спектральные линии . [55]

Количество энергии, необходимое для удаления или добавления электрона - энергия связи электрона - намного меньше, чем энергия связи нуклонов . Например, требуется всего 13,6 эВ, чтобы отделить электрон в основном состоянии от атома водорода [57], по сравнению с 2,23  миллиона эВ для расщепления ядра дейтерия . [58] Атомы электрически нейтральны, если они имеют равное количество протонов и электронов. Атомы, у которых есть недостаток или избыток электронов, называются ионами . Электроны, которые находятся дальше всего от ядра, могут быть переданы другим соседним атомам или разделены между атомами. По этому механизму атомы могутсвязь в молекулы и другие типы химических соединений, такие как кристаллы ионной и ковалентной сети . [59]

Характеристики

Ядерные свойства

Основные статьи: Изотоп , стабильные изотопы , Список нуклидов , и список элементов по устойчивости изотопов

По определению, любые два атома с одинаковым числом протонов в ядрах принадлежат одному и тому же химическому элементу . Атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов являются разными изотопами одного и того же элемента. Например, все атомы водорода допускают ровно один протон, но существуют изотопы без нейтронов ( водород-1 , наиболее распространенная форма [60], также называемая протием), одним нейтроном ( дейтерий ), двумя нейтронами ( тритий ) и другими. чем два нейтрона . Известные элементы образуют набор атомных номеров, от однопротонного элемента водорода до 118-протонного элемента оганессон.. [61] Все известные изотопы элементов с атомным номером больше 82 являются радиоактивными, хотя радиоактивность элемента 83 ( висмута ) настолько мала, что ею можно пренебречь. [62] [63]

Около 339 нуклиды встречаются в природе на Земле , [64] из которых 252 (около 74%) не наблюдалось к распаду, и упоминаются как « стабильные изотопы ». Теоретически стабильными являются только 90 нуклидов , а распад еще 162 (в результате чего общее число составляет 252) не наблюдалось, хотя теоретически это энергетически возможно. Они также формально классифицируются как «стабильные». Еще 34 радиоактивных нуклида имеют период полураспада более 100 миллионов лет и являются достаточно долгоживущими, чтобы существовать с момента зарождения Солнечной системы . Эта коллекция из 286 нуклидов известна как первичные нуклиды.. Наконец, еще 53 короткоживущих нуклида, как известно, встречаются в природе, как дочерние продукты распада первичных нуклидов (например, радий из урана ) или как продукты естественных энергетических процессов на Земле, таких как бомбардировка космическими лучами (например, углерод -14). [65] [примечание 1]

Для 80 химических элементов существует по крайней мере один стабильный изотоп . Как правило, для каждого из этих элементов существует всего несколько стабильных изотопов, в среднем 3,2 стабильных изотопа на элемент. Двадцать шесть элементов имеют только один стабильный изотоп, в то время как наибольшее количество стабильных изотопов, наблюдаемых для любого элемента, равно десяти, для элемента олова . Элементы 43 , 61 и все элементы с номерами 83 и выше не имеют стабильных изотопов. [66] : 1–12

На стабильность изотопов влияет соотношение протонов и нейтронов, а также наличие определенных «магических чисел» нейтронов или протонов, которые представляют собой замкнутые и заполненные квантовые оболочки. Эти квантовые оболочки соответствуют набору энергетических уровней в оболочечной модели ядра; заполненные оболочки, такие как заполненная оболочка из 50 протонов для олова, придает нуклиду необычную стабильность. Из 252 известных стабильных нуклидов только четыре имеют как нечетное количество протонов, так и нечетное количество нейтронов: водород-2 ( дейтерий ), литий-6 , бор-10 и азот-14.. Кроме того, только четыре встречающихся в природе радиоактивных нечетных нуклида имеют период полураспада более миллиарда лет: калий-40 , ванадий-50 , лантан-138 и тантал-180m . Большинство нечетно-нечетных ядер очень нестабильны по отношению к бета-распаду , потому что продукты распада четно-четные и, следовательно, более сильно связаны из-за эффектов спаривания ядер . [67]

Масса

Основные статьи: Атомная масса и массовое число

Большая часть массы атома приходится на протоны и нейтроны, из которых он состоит. Общее количество этих частиц (называемых «нуклонами») в данном атоме называется массовым числом . Это положительное целое число и безразмерно (вместо измерения массы), потому что оно выражает количество. Пример использования массового числа - «углерод-12», который имеет 12 нуклонов (шесть протонов и шесть нейтронов).

Фактическая масса покоящегося атома часто выражается в дальтонах (Да), также называемых единой атомной единицей массы (u). Эта единица определяется как двенадцатая часть массы свободного нейтрального атома углерода-12 , что приблизительно равно1,66 × 10 −27  кг . [68] Водород-1 (самый легкий изотоп водорода, который также является нуклидом с наименьшей массой) имеет атомный вес 1,007825 Да. [69] Значение этого числа называется атомной массой . У данного атома атомная масса приблизительно равна (в пределах 1%) его массовому числу, умноженному на атомную единицу массы (например, масса азота-14 составляет примерно 14 Да), но это число не будет точно целым, за исключением ( по определению) в случае углерода-12. [70] Самый тяжелый стабильный атом - свинец-208, [62] с массой207.976 6521  Да . [71]

Поскольку даже самые массивные атомы слишком легкие, чтобы работать с ними напрямую, химики вместо этого используют моль . Один моль атомов любого элемента всегда имеет одинаковое количество атомов (около6.022 × 10 23 ). Это число было выбрано таким образом, чтобы, если элемент имеет атомную массу 1 u, моль атомов этого элемента имеет массу, близкую к одному грамму. Из-за определения единой атомной единицы массы , каждый атом углерода-12 имеет атомную массу ровно 12 Да, поэтому моль атомов углерода-12 весит точно 0,012 кг. [68]

Форма и размер

Основная статья: Атомный радиус

У атомов нет четко определенной внешней границы, поэтому их размеры обычно описываются в терминах атомного радиуса . Это мера расстояния, на которое электронное облако простирается от ядра. [72] Это предполагает, что атом имеет сферическую форму, которая характерна только для атомов в вакууме или свободном пространстве. Атомные радиусы могут быть получены из расстояний между двумя ядрами, когда два атома соединены химической связью . Радиус меняется в зависимости от расположения атома на атомной диаграмме, типа химической связи, количества соседних атомов ( координационное число ) и квантово-механического свойства, известного как спин . [73] ОПериодическая таблица элементов, размер атома имеет тенденцию увеличиваться при перемещении вниз по столбцам, но уменьшается при перемещении по строкам (слева направо). [74] Следовательно, самый маленький атом - это гелий с радиусом 32 пм , а один из самых больших - цезий с радиусом  225 пм. [75]

Под воздействием внешних сил, таких как электрические поля , форма атома может отклоняться от сферической симметрии . Деформация зависит от величины поля и орбитального типа электронов внешней оболочки, как показывают теоретико-групповые соображения. Асферические отклонения могут возникать, например, в кристаллах , где большие электрические поля кристалла могут возникать в узлах решетки с низкой симметрией . [76] [77] Было показано, что значительные эллипсоидальные деформации происходят для ионов серы [78] и ионов халькогена [79] в соединениях типа пирита .

Размеры атомов в тысячи раз меньше длины волны света (400–700  нм ), поэтому их нельзя рассмотреть в оптический микроскоп , хотя отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа . Чтобы представить себе миниатюрность атома, представьте, что типичный человеческий волос составляет около 1 миллиона атомов углерода в ширину. [80] Одна капля воды содержит около 2  секстиллионов (2 × 10 21 ) атомов кислорода и вдвое больше атомов водорода. [81] Алмаз весом в один карат и массой2 × 10 −4  кг содержит около 10 секстиллионов (10 22 ) атомов углерода . [примечание 2] Если бы яблоко было увеличено до размеров Земли, то атомы в яблоке были бы примерно размером с исходное яблоко. [82]

Радиоактивный распад

Основная статья: Радиоактивный распад
Эта диаграмма показывает период полураспада (T ½ ) различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

Каждый элемент имеет один или несколько изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего ядро ​​испускает частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность может возникать, когда радиус ядра велик по сравнению с радиусом сильного взаимодействия, которое действует только на расстояниях порядка 1 фм. [83]

Наиболее распространенные формы радиоактивного распада: [84] [85]

  • Альфа-распад : этот процесс возникает, когда ядро ​​испускает альфа-частицу, которая представляет собой ядро ​​гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Результатом излучения является новый элемент с более низким атомным номером .
  • Бета-распад (и захват электрона ): эти процессы регулируются слабым взаимодействием и возникают в результате преобразования нейтрона в протон или протона в нейтрон. Переход нейтрона в протон сопровождается испусканием электрона и антинейтрино , в то время как переход от протона к нейтрону (кроме захвата электрона) вызывает испускание позитрона и нейтрино.. Эмиссия электронов или позитронов называется бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер ядра на единицу. Захват электронов более распространен, чем эмиссия позитронов, поскольку требует меньше энергии. В этом типе распада ядром поглощается электрон, а не позитрон, испускаемый ядром. При этом по-прежнему испускается нейтрино, а протон превращается в нейтрон.
  • Гамма-распад : этот процесс возникает в результате изменения уровня энергии ядра в более низкое состояние, что приводит к испусканию электромагнитного излучения. Возбужденное состояние ядра, которое приводит к гамма-излучению, обычно возникает после испускания альфа- или бета-частицы. Таким образом, гамма-распад обычно следует за альфа- или бета-распадом.

Другие, более редкие типы радиоактивного распада включают выброс нейтронов, протонов или кластеров нуклонов из ядра или более чем одной бета-частицы . Аналогом гамма-излучения, которое позволяет возбужденным ядрам терять энергию по-другому, является внутреннее преобразование - процесс, который производит высокоскоростные электроны, которые не являются бета-лучами, с последующим образованием фотонов высокой энергии, которые не являются гамма-лучами. Несколько крупных ядер взрываются на два или более заряженных фрагмента различной массы плюс несколько нейтронов в результате распада, называемого спонтанным делением ядер .

Каждый радиоактивный изотоп имеет характерный период времени распада - период полураспада - который определяется количеством времени, необходимым для распада половины образца. Это экспоненциальный процесс распада, который неуклонно снижает долю оставшегося изотопа на 50% за каждый период полураспада. Следовательно, по прошествии двух периодов полураспада присутствует только 25% изотопа и так далее. [83]

Магнитный момент

Основные статьи: Магнитный момент электрона и ядерный магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантово-механическим свойством, известным как спин . Это аналогично угловому моменту объекта, который вращается вокруг своего центра масс , хотя, строго говоря, эти частицы считаются точечными и нельзя сказать, что они вращаются. Спин измеряется в единицах приведенной постоянной Планка (), причем все электроны, протоны и нейтроны имеют спин ½ ħ или «спин-½». В атоме электроны, движущиеся вокруг ядра, обладают орбитальным угловым моментом в дополнение к их спину, а само ядро ​​обладает угловым моментом из-за своего ядерного спина. [86]

Магнитное поле производится с помощью атомно-ее магнитного момента -is определяется этими различными формами углового момента, так же , как вращающийся заряженный объект классически создает магнитное поле, но наиболее доминирующий вклад происходит от электронного спина. Из-за природы электронов, подчиняющихся принципу исключения Паули, согласно которому никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии , связанные электроны объединяются в пары, причем один член каждой пары находится в состоянии со спином вверх, а другой - в состоянии. наоборот, состояние замедленного вращения. Таким образом, эти спины компенсируют друг друга, уменьшая общий магнитный дипольный момент до нуля в некоторых атомах с четным числом электронов. [87]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, кобальт и никель, нечетное количество электронов приводит к неспаренному электрону и чистому общему магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и более низкое энергетическое состояние достигается, когда спины неспаренных электронов выровнены друг с другом, это спонтанный процесс, известный как обменное взаимодействие . Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выровнены, материал может создавать измеримое макроскопическое поле. Парамагнитные материалы имеют атомы с магнитными моментами, которые выстраиваются в случайных направлениях, когда магнитное поле отсутствует, но магнитные моменты отдельных атомов выстраиваются в линию в присутствии поля. [87] [88]

У ядра атома не будет спина, если в нем четное число нейтронов и протонов, но в других случаях нечетных чисел ядро ​​может иметь спин. Обычно ядра со спином выровнены в случайных направлениях из-за теплового равновесия , но для некоторых элементов (таких как ксенон-129 ) можно поляризовать значительную часть состояний спина ядра так, чтобы они были выровнены в одном направлении - условие называется гиперполяризацией . Это имеет важные приложения в магнитно-резонансной томографии . [89] [90]

Уровни энергии

Этих уровней энергии электронов (не в масштабе) достаточно для основных состояний атомов вплоть до кадмия (5s 2 4d 10 ) включительно. Не забывайте, что даже верхняя часть диаграммы ниже несвязанного электронного состояния.

Потенциальная энергия электрона в атоме отрицательно по отношению к тому, когда расстояние от ядра стремится к бесконечности ; ее зависимость от электрона положения достигает минимум внутри ядра, примерно в обратной пропорции к расстоянию. В квантово-механической модели связанный электрон может занимать только набор состояний с центром в ядре, и каждое состояние соответствует определенному уровню энергии ; см. не зависящее от времени уравнение Шредингера для теоретического объяснения. Уровень энергии можно измерить количеством энергии, необходимой для развязыванияэлектрон от атома, и обычно выражается в электронвольтах (эВ). Состояние с наименьшей энергией связанного электрона называется основным состоянием, т.е. стационарным состоянием , в то время как переход электрона на более высокий уровень приводит к возбужденному состоянию. [91] Энергия электрона увеличивается вместе с n, потому что (среднее) расстояние до ядра увеличивается. Зависимость энергии от л обусловлена не по электростатическому потенциалу ядра, но при взаимодействии между электронами.

Для перехода электрона между двумя различными состояниями , например, из основного состояния в первое возбужденное состояние , он должен поглотить или испустить фотон с энергией, соответствующей разнице в потенциальной энергии этих уровней, согласно модели Нильса Бора , что может быть точно рассчитывается по уравнению Шредингера . Электроны прыгают между орбиталями подобно частицам. Например, если одиночный фотон ударяет по электрону, только один электрон меняет состояния в ответ на фотон; см. Свойства электрона .

Энергия излучаемого фотона пропорциональна его частоте , поэтому эти конкретные уровни энергии проявляются как отдельные полосы в электромагнитном спектре . [92] Каждый элемент имеет характерный спектр, который может зависеть от заряда ядра, подоболочки, заполненной электронами, электромагнитного взаимодействия между электронами и других факторов. [93]

Пример линий поглощения в спектре

Когда непрерывный спектр энергии проходит через газ или плазму, некоторые фотоны поглощаются атомами, заставляя электроны изменять свой уровень энергии. Те возбужденные электроны, которые остаются связанными со своим атомом, спонтанно излучают эту энергию в виде фотона, перемещаясь в случайном направлении, и, таким образом, возвращаются на более низкие уровни энергии. Таким образом, атомы ведут себя как фильтр, образующий серию темных полос поглощения на выходе энергии. (Наблюдатель, рассматривающий атомы с точки зрения, которая не включает непрерывный спектр на заднем плане, вместо этого видит серию линий излучения фотонов, испускаемых атомами.) Спектроскопические измерения силы и ширины спектральных линий атомовпозволяют определить состав и физические свойства вещества. [94]

Внимательное изучение спектральных линий показывает, что некоторые из них демонстрируют расщепление тонкой структуры . Это происходит из-за спин-орбитальной связи , которая представляет собой взаимодействие между спином и движением самого удаленного электрона. [95] Когда атом находится во внешнем магнитном поле, спектральные линии расщепляются на три или более компонентов; явление, называемое эффектом Зеемана . Это вызвано взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом атома и его электронов. Некоторые атомы могут иметь несколько электронных конфигураций.с тем же уровнем энергии, которые, таким образом, выглядят как одна спектральная линия. Взаимодействие магнитного поля с атомом сдвигает эти электронные конфигурации на несколько разные уровни энергии, что приводит к появлению нескольких спектральных линий. [96] Присутствие внешнего электрического поля может вызвать сравнимое расщепление и сдвиг спектральных линий за счет изменения уровней энергии электронов, явление, называемое эффектом Штарка . [97]

Если связанный электрон находится в возбужденном состоянии, взаимодействующий фотон с соответствующей энергией может вызвать вынужденное излучение фотона с соответствующим уровнем энергии. Чтобы это произошло, электрон должен перейти в состояние с более низкой энергией, разность энергий которого соответствует энергии взаимодействующего фотона. Излучаемый фотон и взаимодействующий фотон затем движутся параллельно и с совпадающими фазами. То есть волновые структуры двух фотонов синхронизированы. Это физическое свойство используется для создания лазеров , которые могут излучать когерентный луч световой энергии в узкой полосе частот. [98]

Валентность и связывающее поведение

Основные статьи: Валентность (химия) и химическая связь

Валентность - это объединяющая сила элемента. Он определяется количеством связей, которые он может образовывать с другими атомами или группами. [99] Самая внешняя электронная оболочка атома в несоединенном состоянии известна как валентная оболочка , а электроны в этой оболочке называются валентными электронами . Количество валентных электронов определяет поведение связи с другими атомами. Атомы имеют тенденцию вступать в химическую реакцию друг с другом, наполняя (или опустошая) их внешние валентные оболочки. [100]Например, перенос одного электрона между атомами является полезным приближением для связей, которые образуются между атомами, у которых на один электрон больше, чем у заполненной оболочки, и других, которые на один электрон меньше полной оболочки, например, в соединении хлорид натрия и другие химические ионные соли. Многие элементы обладают множественной валентностью или склонностью разделять разное количество электронов в разных соединениях. Таким образом, химическая связь между этими элементами принимает множество форм обмена электронами, которые представляют собой нечто большее, чем простой перенос электронов. Примеры включают элемент углерод и органические соединения . [101]

Эти химические элементы часто отображается в периодической таблице , которая выложенная для отображения повторяющегося химических свойств, а также элементы с одинаковым числом валентных электронов образуют группу, выровненная в том же столбце таблицы. (Горизонтальные строки соответствуют заполнению квантовой оболочки электронами.) Внешняя оболочка элементов в дальнем правом углу таблицы полностью заполнена электронами, в результате чего образуются химически инертные элементы, известные как благородные газы . [102] [103]

состояния

Основные статьи: Состояние вещества и Фаза (материя)
График, иллюстрирующий образование конденсата Бозе – Эйнштейна

Количество атомов находится в различных состояниях материи, которые зависят от физических условий, таких как температура и давление . Варьируя условия, материалы могут переходить между твердыми телами , жидкостями , газами и плазмой . [104] Внутри государства материал также может существовать в различных аллотропах . Примером этого является твердый углерод, который может существовать в виде графита или алмаза . [105] Также существуют газообразные аллотропы, такие как кислород и озон .

При температурах, близких к абсолютному нулю , атомы могут образовывать конденсат Бозе – Эйнштейна , при котором квантово-механические эффекты, которые обычно наблюдаются только на атомном уровне, становятся очевидными на макроскопическом уровне. [106] [107] Эта переохлажденная совокупность атомов затем ведет себя как один суператом , что может позволить фундаментальные проверки квантовомеханического поведения. [108]

Идентификация

Изображение, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, показывает отдельные атомы, составляющие эту поверхность золота ( 100 ). Поверхностные атомы отклоняются от объемной кристаллической структуры и располагаются столбцами шириной в несколько атомов с ямками между ними (см. Реконструкцию поверхности ).

Хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, такие устройства, как сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяют визуализировать их на поверхности твердых тел. В микроскопе используется явление квантового туннелирования , которое позволяет частицам проходить через барьер, который был бы непреодолимым в классической перспективе. Электроны туннелируют через вакуум между двумя смещеннымиэлектроды, обеспечивающие туннельный ток, который экспоненциально зависит от их расстояния. Один электрод представляет собой острый наконечник, в идеале заканчивающийся одним атомом. В каждой точке сканирования поверхности высота наконечника регулируется таким образом, чтобы туннельный ток оставался на заданном уровне. То, насколько наконечник перемещается к поверхности и от нее, интерпретируется как профиль высоты. При низком смещении микроскоп отображает усредненные электронные орбитали на плотноупакованных уровнях энергии - локальную плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми . [109] [110]Из-за большого расстояния оба электрода должны быть чрезвычайно устойчивыми; только тогда можно наблюдать периодичности, соответствующие отдельным атомам. Сам по себе метод не является химически специфичным и не может идентифицировать атомные частицы, присутствующие на поверхности.

Атомы легко определить по их массе. Если атом ионизируется путем удаления одного из своих электронов, его траектория при прохождении через магнитное поле искривляется. Радиус, на который магнитное поле поворачивает траекторию движущегося иона, определяется массой атома. Масс - спектрометр использует этот принцип для измерения отношения массы к заряду ионов. Если образец содержит несколько изотопов, масс-спектрометр может определить долю каждого изотопа в образце путем измерения интенсивности различных пучков ионов. Методы испарения атомов включают атомно-эмиссионную спектроскопию с индуктивно связанной плазмой и масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой., оба из которых используют плазму для испарения образцов для анализа. [111]

Атом-зонд Томограф имеет разрешение субнанометрового в 3-D и может химически идентифицировать отдельные атомы с использованием времени пролета масс - спектрометрии. [112]

Электронно-эмиссионные методы, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и электронная оже-спектроскопия (AES), которые измеряют энергии связи остовных электронов , используются для неразрушающего определения видов атомов, присутствующих в образце. При правильной фокусировке и то, и другое можно сделать для конкретной области. Другой такой метод - это спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), которая измеряет потерю энергии электронного луча в просвечивающем электронном микроскопе при его взаимодействии с частью образца.

Спектры возбужденных состояний можно использовать для анализа атомного состава далеких звезд . Определенные длины волн света, содержащиеся в наблюдаемом свете звезд, могут быть выделены и связаны с квантованными переходами в свободных атомах газа. Эти цвета можно воспроизвести с помощью газоразрядной лампы, содержащей такой же элемент. [113] Гелий был обнаружен таким образом в спектре Солнца за 23 года до того, как он был обнаружен на Земле. [114]

Происхождение и текущее состояние

Барионная материя составляет около 4% от общей плотности энергии наблюдаемой Вселенной , со средней плотностью около 0,25 частиц / м 3 (в основном протоны и электроны). [115] В галактике, такой как Млечный Путь , частицы имеют гораздо более высокую концентрацию, а плотность вещества в межзвездной среде (ISM) колеблется от 10 5 до 10 9 атомов / м 3 . [116] Считается, что Солнце находится внутри Местного пузыря , поэтому плотность в окрестностях Солнца составляет всего около 10 3 атомов / м 3 . [117] Звезды образуются из плотных облаков в ISM, и эволюционные процессы звезд приводят к постоянному обогащению ISM элементами более массивными, чем водород и гелий.

До 95% барионной материи Млечного Пути сосредоточено внутри звезд, где условия неблагоприятны для атомной материи. Полная барионная масса составляет около 10% массы галактики; [118] остальная часть массы - неизвестная темная материя . [119] Высокая температура внутри звезд делает большинство «атомов» полностью ионизированными, то есть отделяет все электроны от ядер. В звездных остатках - за исключением их поверхностных слоев - огромное давление делает невозможным создание электронных оболочек.

Формирование

Основная статья: Нуклеосинтез
Периодическая таблица, показывающая происхождение каждого элемента. Элементы от углерода до серы могут быть образованы в маленькие звезды с помощью альфа-процесса . Элементы помимо железа образуются в больших звездах с медленным захватом нейтронов ( s-процесс ). Элементы тяжелее железа могут образовываться в результате слияния нейтронных звезд или сверхновых после r-процесса .

Считается, что электроны существуют во Вселенной с ранних стадий Большого взрыва . Атомные ядра образуются в реакциях нуклеосинтеза . Примерно за три минуты нуклеосинтез Большого взрыва произвел большую часть гелия , лития и дейтерия во Вселенной, а также, возможно, часть бериллия и бора . [120] [121] [122]

Повсеместность и стабильность атомов зависят от их энергии связи , что означает, что атом имеет меньшую энергию, чем несвязанная система ядра и электронов. Там, где температура намного выше потенциала ионизации , вещество существует в форме плазмы - газа положительно заряженных ионов (возможно, голых ядер) и электронов. Когда температура падает ниже потенциала ионизации, атомы становятся статистически выгодными. Атомы (вместе со связанными электронами) стали преобладать над заряженными частицами через 380 000 лет после Большого взрыва - эпохи, называемой рекомбинацией., когда расширяющаяся Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить электронам присоединиться к ядрам. [123]

После Большого взрыва, в результате которого не было углерода или более тяжелых элементов , атомные ядра были объединены в звезды в процессе ядерного синтеза, чтобы произвести больше элемента гелия и (через процесс тройной альфа ) последовательности элементов от углерода до железо ; [124] см. Звездный нуклеосинтез для деталей.

Изотопы, такие как литий-6, а также некоторые бериллий и бор, образуются в космосе в результате расщепления космических лучей . [125] Это происходит, когда протон высокой энергии ударяется о ядро ​​атома, в результате чего выбрасывается большое количество нуклонов.

Элементы тяжелее железа образовывались в сверхновых и сталкивающихся нейтронных звездах с помощью r-процесса , а в звездах AGB с помощью s-процесса , оба из которых включают захват нейтронов ядрами атомов. [126] Такие элементы, как свинец, образовались в основном в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов. [127]

земной шар

Большинство атомов, из которых состоит Земля и ее обитатели, присутствовали в своей нынешней форме в туманности, которая образовалась из молекулярного облака и образовала Солнечную систему . Остальные являются результатом радиоактивного распада, и их относительное соотношение можно использовать для определения возраста Земли с помощью радиометрического датирования . [128] [129] Большая часть гелия в коре Земли (около 99% гелия из газовых скважин, о чем свидетельствует более низкое содержание гелия-3 ) является продуктом альфа-распада . [130]

На Земле есть несколько следов атомов, которых не было вначале (то есть не «изначальные»), и они не являются результатом радиоактивного распада. Углерод-14 постоянно генерируется космическими лучами в атмосфере. [131] Некоторые атомы на Земле были созданы искусственно либо намеренно, либо как побочные продукты ядерных реакторов или взрывов. [132] [133] Из трансурановых элементов - с атомными номерами больше 92 - в природе на Земле встречаются только плутоний и нептуний . [134] [135] Трансурановые элементы имеют время радиоактивной жизни меньше, чем нынешний возраст Земли [136]и, таким образом, идентифицируемые количества этих элементов давно распались, за исключением следов плутония-244, возможно, осажденного космической пылью. [128] Природные месторождения плутония и нептуния образуются в результате захвата нейтронов в урановой руде. [137]

Земля содержит примерно 1,33 × 10 50 атомов. [138] Хотя небольшое число независимых атомов благородных газов существуют, например, аргон , неон и гелий , 99% атмосферы связывается в виде молекул, в том числе углекислого газа и двухатомного кислорода и азота . На поверхности Земли подавляющее большинство атомов объединяются, образуя различные соединения, включая воду , соль , силикаты и оксиды.. Атомы могут также объединяться для создания материалов, которые не состоят из дискретных молекул, включая кристаллы и жидкие или твердые металлы . [139] [140] Эта атомная материя образует сетевые структуры, в которых отсутствует особый тип мелкомасштабного прерывистого порядка, связанный с молекулярной материей. [141]

Редкие и теоретические формы

Сверхтяжелые элементы

Основная статья: сверхтяжелый элемент

Известно, что все нуклиды с атомным номером выше 82 ( свинец ) радиоактивны. На Земле нет нуклидов с атомным номером, превышающим 92 ( уран ), в качестве первичных нуклидов , а более тяжелые элементы обычно имеют более короткий период полураспада. Тем не менее, « остров стабильности », включающий относительно долгоживущие изотопы сверхтяжелых элементов [142] с атомными номерами от 110 до 114, может существовать. [143] Прогнозы периода полураспада самого стабильного нуклида на острове варьируются от нескольких минут до миллионов лет. [144] В любом случае сверхтяжелые элементы (с Z > 104) не могло бы существовать из-за увеличения кулоновского отталкивания (которое приводит к спонтанному делению со все более короткими периодами полураспада) в отсутствие каких-либо стабилизирующих эффектов. [145]

Экзотическая материя

Основная статья: Экзотическая материя

Каждой частице вещества соответствует частица антивещества с противоположным электрическим зарядом. Таким образом, позитрон - это положительно заряженный антиэлектрон, а антипротон - это отрицательно заряженный эквивалент протона . Когда материя и соответствующая частица антивещества встречаются, они аннигилируют друг друга. Из-за этого, наряду с дисбалансом между количеством частиц материи и антивещества, последние редки во Вселенной. Первые причины этого дисбаланса еще полностью не поняты, хотя теории бариогенеза могут предложить объяснение. В результате в природе не обнаружено никаких атомов антивещества. [146] [147]В 1996 году аналог атома водорода из антивещества ( антиводород ) был синтезирован в лаборатории ЦЕРН в Женеве . [148] [149]

Другие экзотические атомы были созданы путем замены одного из протонов, нейтронов или электронов другими частицами с таким же зарядом. Например, электрон можно заменить более массивным мюоном , образуя мюонный атом . Эти типы атомов можно использовать для проверки фундаментальных предсказаний физики. [150] [151] [152]

Смотрите также

  • История квантовой механики
  • Бесконечная делимость
  • Список основных тем по химии
  • Движение
  • Хронология атомной и субатомной физики
  • Векторная модель атома
  • Ядерная модель
  • Радиоактивный изотоп

Примечания

  1. ^ Для более поздних обновлений см Национальной лаборатории Brookhaven «s Интерактивная диаграммы нуклидов ] архивация 25 июля 2020 в Wayback Machine .
  2. ^ Карат составляет 200 миллиграммов. По определению , углерод-12 имеет 0,012 кг на моль. Константа Авогадро определяет6 × 10 23 атомов на моль.
  1. ^ Формула оксида железа (II) записана здесь как Fe 2 O 2, а не как более традиционный FeO, потому что это лучше иллюстрирует объяснение.

Рекомендации

  1. ^ Пуллман, Бернард (1998). Атом в истории человеческой мысли . Оксфорд, Англия: Издательство Оксфордского университета. С. 31–33. ISBN 978-0-19-515040-7.
  2. ^ Мелсен (1952). От Атомоса к Атому , стр. 18-19
  3. ^ Дальтон (1817). Новая система химической философии об. 2, стр. 36
  4. ^ Мелсен (1952). От Атомоса к Атому , стр. 137
  5. ^ Дальтон (1817). Новая система химической философии об. 2. С. 28.
  6. ^ Миллингтон (1906). Джон Далтон , стр. 113
  7. ^ Дальтон (1808). Новая система химической философии об. 1. С. 316-319.
  8. ^ Holbrow и др (2010). Современная вводная физика , стр. 65-66.
  9. ^ Эйнштейн, Альберт (1905). "Uber die von der molkularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" (PDF) . Annalen der Physik (на немецком языке). 322 (8): 549–560. Bibcode : 1905AnP ... 322..549E . DOI : 10.1002 / andp.19053220806 . Архивировано 18 июля 2007 года (PDF) .
  10. ^ Мазо, Роберт М. (2002). Броуновское движение: флуктуации, динамика и приложения . Издательство Оксфордского университета. стр.  1 -7. ISBN 978-0-19-851567-8. OCLC  48753074 .
  11. ^ Ли, YK; Хун, К. (1995). «Броуновское движение» . Императорский колледж . Архивировано из оригинала 18 декабря 2007 года.
  12. ^ Паттерсон, Г. (2007). «Жан Перрен и торжество атомной доктрины». Усилия . 31 (2): 50–53. DOI : 10.1016 / j.endeavour.2007.05.003 . PMID 17602746 . 
  13. Перейти ↑ Thomson, JJ (август 1901 г.). «На телах меньше атомов» . Ежемесячный журнал Popular Science : 323–335 . Проверено 21 июня 2009 года .
  14. ↑ Наварро (2012). История электрона , стр. 94
  15. ^ а б Хейльброн (2003). Эрнест Рутфорд и взрыв атома , стр. 64-68.
  16. ^ «Фредерик Содди, Нобелевская премия по химии 1921 года» . Нобелевский фонд . Архивировано 9 апреля 2008 года . Проверено 18 января 2008 года .
  17. ^ Томсон, Джозеф Джон (1913). «Лучи положительного электричества» . Труды Королевского общества . А. 89 (607): 1–20. Bibcode : 1913RSPSA..89 .... 1T . DOI : 10,1098 / rspa.1913.0057 . Архивировано 4 ноября 2016 года.
  18. ↑ Стерн, Дэвид П. (16 мая 2005 г.). «Атомное ядро ​​и ранняя модель атома Бора» . НАСА / Центр космических полетов Годдарда . Архивировано 20 августа 2007 года.
  19. ↑ Бор, Нильс (11 декабря 1922 г.). "Нильс Бор, Нобелевская премия по физике 1922 года, Нобелевская лекция" . Нобелевский фонд . Архивировано 15 апреля 2008 года.
  20. ^ a b c Паис, Авраам (1986). Внутренняя граница: материи и сил в физическом мире . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С.  228–230 . ISBN 978-0-19-851971-3.
  21. ^ Льюис, Гилберт Н. (1916). «Атом и молекула» . Журнал Американского химического общества . 38 (4): 762–786. DOI : 10.1021 / ja02261a002 . Архивировано (PDF) из оригинала 25 августа 2019 года.
  22. ^ Шерри, Эрик Р. (2007). Таблица Менделеева: ее история и ее значение . Oxford University Press, США. С.  205–226 . ISBN 978-0-19-530573-9.
  23. ^ Ленгмюр, Ирвинг (1919). «Расположение электронов в атомах и молекулах» . Журнал Американского химического общества . 41 (6): 868–934. DOI : 10.1021 / ja02227a002 . Архивировано 21 июня 2019 года.
  24. ^ Скалли, Марлан О .; Lamb, Willis E .; Барут, Асим (1987). «К теории аппарата Штерна-Герлаха». Основы физики . 17 (6): 575–583. Bibcode : 1987FoPh ... 17..575S . DOI : 10.1007 / BF01882788 . S2CID 122529426 . 
  25. ^ Макэвой, JP; Зарате, Оскар (2004). Введение в квантовую теорию . Тотемные книги. С. 110–114. ISBN 978-1-84046-577-8.
  26. ^ Козловский, Мирослав (2019). "Уравнение Шредингера История" .
  27. ^ Чад Orzel (16 сентября 2014). "Что такое принцип неопределенности Гейзенберга?" . TED-Ed . Архивировано 13 сентября 2015 года - через YouTube.
  28. ^ Браун, Кевин (2007). «Атом водорода» . MathPages. Архивировано 13 мая 2008 года.
  29. ^ Харрисон, Дэвид М. (2000). «Развитие квантовой механики» . Университет Торонто . Архивировано 25 декабря 2007 года.
  30. Перейти ↑ Aston, Francis W. (1920). «Строение атмосферного неона» . Философский журнал . 39 (6): 449–455. DOI : 10.1080 / 14786440408636058 .
  31. ↑ Чедвик, Джеймс (12 декабря 1935 г.). «Нобелевская лекция: нейтрон и его свойства» . Нобелевский фонд . Архивировано 12 октября 2007 года.
  32. ^ Боуден, Мэри Эллен (1997). «Отто Хан, Лиз Мейтнер и Фриц Штрассманн» . Химические достижения: человеческое лицо химических наук . Филадельфия, Пенсильвания: Фонд химического наследия. С.  76–80, 125 . ISBN 978-0-941901-12-3.
  33. ^ «Отто Хан, Лиз Мейтнер и Фриц Штрассманн» . Институт истории науки . Июнь 2016. Архивировано 21 марта 2018 года.
  34. ^ Мейтнер, Лиза; Фриш, Отто Роберт (1939). «Распад урана нейтронами: новый тип ядерной реакции». Природа . 143 (3615): 239–240. Bibcode : 1939Natur.143..239M . DOI : 10.1038 / 143239a0 . S2CID 4113262 . 
  35. ^ Schroeder, М. "Лиза Мейтнер - Цур 125. Wiederkehr Ihres Geburtstages" (на немецком языке ). Архивировано из оригинального 19 июля 2011 года . Проверено 4 июня 2009 года .
  36. ^ Crawford, E .; Сайм, Рут Левин ; Уокер, Марк (1997). «Нобелевский рассказ о послевоенной несправедливости» . Физика сегодня . 50 (9): 26–32. Bibcode : 1997PhT .... 50i..26C . DOI : 10.1063 / 1.881933 .
  37. ^ Kullander, Свен (28 августа 2001). «Акселераторы и лауреаты Нобелевской премии» . Нобелевский фонд . Архивировано 13 апреля 2008 года.
  38. ^ "Нобелевская премия по физике 1990" . Нобелевский фонд . 17 октября 1990 года. Архивировано 14 мая 2008 года.
  39. ^ Demtröder Вольфганг (2002). Атомы, молекулы и фотоны: введение в атомную, молекулярную и квантовую физику (1-е изд.). Springer. стр.  39 -42. ISBN 978-3-540-20631-6. OCLC  181435713 .
  40. ^ Woan, Graham (2000). Кембриджский справочник по физике . Издательство Кембриджского университета. п. 8 . ISBN 978-0-521-57507-2. OCLC  224032426 .
  41. ^ Мор, П.Дж.; Тейлор, Б.Н. и Ньюэлл, Д.Б. (2014), «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант в CODATA за 2014 год». Архивировано 21 февраля 2012 года в WebCite (веб-версия 7.0). База данных была разработана Дж. Бейкером, М. Дума и С. Коточиговой. (2014). Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.
  42. ^ МакГрегор, Малкольм Х. (1992). Загадочный электрон . Издательство Оксфордского университета. С.  33–37 . ISBN 978-0-19-521833-6. OCLC  223372888 .
  43. ^ a b Группа данных по частицам (2002). «Приключение частиц» . Лаборатория Лоуренса Беркли. Архивировано 4 января 2007 года.
  44. ^ a b Шомберт, Джеймс (18 апреля 2006 г.). «Элементарные частицы» . Университет Орегона. Архивировано 21 августа 2011 года.
  45. ^ Евремович, Татьяна (2005). Ядерные принципы в инженерии . Springer. п. 63 . ISBN 978-0-387-23284-3. OCLC  228384008 .
  46. ^ Пфеффер, Джереми I .; Нир, Шломо (2000). Современная физика: Вводный текст . Imperial College Press. С. 330–336. ISBN 978-1-86094-250-1. OCLC  45900880 .
  47. ↑ Веннер, Дженнифер М. (10 октября 2007 г.). "Как работает радиоактивный распад?" . Карлтон-колледж. Архивировано 11 мая 2008 года.
  48. ^ a b c Рэймонд, Дэвид (7 апреля 2006 г.). «Энергия связи ядер» . Нью-Мексико. Архивировано из оригинала на 1 декабря 2002 года.
  49. ^ Mihos, Крис (23 июля 2002). «Преодоление кулоновского барьера» . Кейс Вестерн Резервный университет. Архивировано 12 сентября 2006 года.
  50. ↑ Персонал (30 марта 2007 г.). «Азбука ядерной науки» . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Архивировано 5 декабря 2006 года.
  51. ^ Makhijani, Арджун; Салеска, Скотт (2 марта 2001 г.). «Основы ядерной физики и деления» . Институт энергетики и экологических исследований. Архивировано 16 января 2007 года.
  52. ^ Шултис, Дж. Кеннет; Фау, Ричард Э. (2002). Основы ядерной науки и техники . CRC Press. С. 10–17. ISBN 978-0-8247-0834-4. OCLC  123346507 .
  53. ^ Fewell, МП (1995). «Атомный нуклид с самой высокой средней энергией связи». Американский журнал физики . 63 (7): 653–658. Bibcode : 1995AmJPh..63..653F . DOI : 10.1119 / 1.17828 .
  54. ↑ Малликен, Роберт С. (1967). «Спектроскопия, молекулярные орбитали и химическая связь». Наука . 157 (3784): 13–24. Bibcode : 1967Sci ... 157 ... 13M . DOI : 10.1126 / science.157.3784.13 . PMID 5338306 . 
  55. ^ a b Brucat, Филип Дж. (2008). «Квантовый атом» . Университет Флориды. Архивировано из оригинального 7 -го декабря 2006 года.
  56. ^ Manthey, Дэвид (2001). «Атомные орбитали» . Орбитальная центральная. Архивировано 10 января 2008 года.
  57. ^ Гертер, Терри (2006). «Лекция 8: Атом водорода» . Корнелл Университет. Архивировано из оригинального 22 февраля 2012 года.
  58. ^ Белл, RE; Эллиотт, LG (1950). «Гамма-лучи реакции H 1 (n, γ) D 2 и энергия связи дейтрона». Физический обзор . 79 (2): 282–285. Полномочный код : 1950PhRv ... 79..282B . DOI : 10.1103 / PhysRev.79.282 .
  59. ^ Смирнов, Борис М. (2003). Физика атомов и ионов . Springer. стр.  249 -272. ISBN 978-0-387-95550-6.
  60. ^ Матис, Ховард С. (9 августа 2000 г.). «Изотопы водорода» . Путеводитель по ядерной настенной диаграмме . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Архивировано 18 декабря 2007 года.
  61. Перейти ↑ Weiss, Rick (17 октября 2006 г.). «Ученые заявляют о создании самого тяжелого атомного элемента» . Вашингтон Пост . Архивировано 21 августа 2011 года.
  62. ^ a b Подоконник, Алан Д. (2003). Науки о Земле - легкий путь . Образовательная серия Бэррона. С.  131–134 . ISBN 978-0-7641-2146-3. OCLC  51543743 .
  63. ^ Dume, Belle (23 апреля 2003). «Висмут побил рекорд полураспада для альфа-распада» . Мир физики. Архивировано 14 декабря 2007 года.
  64. ↑ Линдси, Дон (30 июля 2000 г.). «Радиоактивные вещества, пропавшие с Земли» . Архив Дона Линдси. Архивировано 28 апреля 2007 года.
  65. ^ Tuli Джагдиша К. (апрель 2005). «Карты ядерного кошелька» . Национальный центр ядерных данных, Брукхейвенская национальная лаборатория. Архивировано 3 октября 2011 года.
  66. ^ Справочник CRC (2002).
  67. ^ Крейн, К. (1988). Введение в ядерную физику . Джон Вили и сыновья . С.  68 . ISBN 978-0-471-85914-7.
  68. ^ a b Миллс, Ян; Цвиташ, Томислав; Хоманн, Клаус; Каллай, Никола; Кучицу, Козо (1993). Величины, единицы и символы в физической химии (2-е изд.). Оксфорд: Международный союз теоретической и прикладной химии , Комиссия по терминологии и единицам физиохимических символов, Blackwell Scientific Publications. п. 70 . ISBN 978-0-632-03583-0. OCLC  27011505 .
  69. ^ Цзе, Chung (22 января 2001). «Нуклидная стабильность» . Университет Ватерлоо. Архивировано из оригинального 30 августа 2007 года.
  70. ^ «Атомные веса и изотопные составы для всех элементов» . Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано 31 декабря 2006 года . Проверено 4 января 2007 года .
  71. ^ Audi, G .; Wapstra, AH; Тибо, К. (2003). "Оценка атомной массы Ame2003 (II)" (PDF) . Ядерная физика . 729 (1): 337–676. Bibcode : 2003NuPhA.729..337A . DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.003 . Архивировано (PDF) из оригинала 16 октября 2005 года.
  72. ^ Гош, округ Колумбия; Бисвас, Р. (2002). «Теоретический расчет абсолютных радиусов атомов и ионов. Часть 1. Атомные радиусы» . Int. J. Mol. Sci . 3 (11): 87–113. DOI : 10.3390 / i3020087 .
  73. Перейти ↑ Shannon, RD (1976). «Пересмотренные эффективные ионные радиусы и систематические исследования межатомных расстояний в галогенидах и халькогенидах» (PDF) . Acta Crystallographica . 32 (5): 751–767. Bibcode : 1976AcCrA..32..751S . DOI : 10.1107 / S0567739476001551 .
  74. ^ Донг, Джуди (1998). «Диаметр атома» . Сборник фактов по физике. Архивировано 4 ноября 2007 года.
  75. ^ Zumdahl, Стивен С. (2002). Вводная химия: фундамент (5-е изд.). Хоутон Миффлин. ISBN 978-0-618-34342-3. OCLC  173081482 . Архивировано 4 марта 2008 года.
  76. ^ Бете, Ганс (1929). "Termaufspaltung in Kristallen". Annalen der Physik . 3 (2): 133–208. Bibcode : 1929AnP ... 395..133B . DOI : 10.1002 / andp.19293950202 .
  77. ^ Биркхолец, Марио (1995). «Диполи, индуцированные кристаллическим полем в гетерополярных кристаллах - I. Концепция» . Z. Phys. B . 96 (3): 325–332. Bibcode : 1995ZPhyB..96..325B . CiteSeerX 10.1.1.424.5632 . DOI : 10.1007 / BF01313054 . S2CID 122527743 .  
  78. ^ Birkholz, M .; Рудерт, Р. (2008). «Межатомные расстояния в дисульфидах со структурой пирита - случай эллипсоидального моделирования ионов серы». Physica Status Solidi B . 245 (9): 1858–1864. Bibcode : 2008PSSBR.245.1858B . DOI : 10.1002 / pssb.200879532 .
  79. ^ Биркхолец, М. (2014). «Моделирование формы ионов в кристаллах типа пирита» . Кристаллы . 4 (3): 390–403. DOI : 10,3390 / cryst4030390 .
  80. ^ Персонал (2007). «Маленькие чудеса: используя нанотехнологии» . Государственный университет Орегона. Архивировано 21 мая 2011 года. - описывает ширину человеческого волоса как 10 5  нм и 10 атомов углерода в размере 1 нм.
  81. ^ Падилла, Майкл Дж .; Миаулис, Иоаннис; Сир, Марта (2002). Исследователь науки Прентис Холл: химические строительные блоки . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc. стр. 32. ISBN 978-0-13-054091-1. OCLC  47925884 . В одной капле воды 2 000 000 000 000 000 000 000 (это 2 секстиллиона) атомов кислорода - и вдвое больше атомов водорода.
  82. ^ Фейнман, Ричард (1995). Шесть легких пьес . Группа пингвинов. п. 5. ISBN 978-0-14-027666-4. OCLC  40499574 .
  83. ^ a b «Радиоактивность» . Splung.com. Архивировано 4 декабря 2007 года . Проверено 19 декабря 2007 года .
  84. ^ L'Annunziata, Майкл Ф. (2003). Справочник по радиоактивному анализу . Академическая пресса. стр.  3 -56. ISBN 978-0-12-436603-9. OCLC  16212955 .
  85. ^ Файерстоун, Ричард Б. (22 мая 2000 г.). «Режимы радиоактивного распада» . Лаборатория Беркли. Архивировано из оригинального 29 сентября 2006 года.
  86. ^ Хорнак, JP (2006). «Глава 3: Физика спина» . Основы ЯМР . Рочестерский технологический институт. Архивировано 3 февраля 2007 года.
  87. ^ a b Шредер, Пол А. (25 февраля 2000 г.). «Магнитные свойства» . Университет Джорджии. Архивировано из оригинального 29 апреля 2007 года.
  88. Перейти ↑ Goebel, Greg (1 сентября 2007 г.). «[4.3] Магнитные свойства атома» . Элементарная квантовая физика . На веб-сайте общественного достояния. Архивировано из оригинального 29 июня 2011 года.
  89. ^ Yarris, Линн (весна 1997). «Говорящие картинки» . Обзор исследований лаборатории Беркли . Архивировано 13 января 2008 года.
  90. ^ Лян, З.-П .; Хааке, EM (1999). Вебстер, JG (ред.). Энциклопедия электротехники и электроники: магнитно-резонансная томография . т. 2. Джон Уайли и сыновья. С. 412–426. ISBN 978-0-471-13946-1.
  91. ^ Zeghbroeck, Барт J. Van (1998). «Уровни энергии» . Шиппенсбургский университет. Архивировано из оригинала 15 января 2005 года.
  92. ^ Фаулз, Грант Р. (1989). Введение в современную оптику . Courier Dover Publications. стр.  227 -233. ISBN 978-0-486-65957-2. OCLC  18834711 .
  93. ^ Мартин, WC; Визе, WL (май 2007 г.). «Атомная спектроскопия: сборник основных идей, обозначений, данных и формул» . Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано 8 февраля 2007 года.
  94. ^ "Спектры излучения атомов - происхождение спектральных линий" . Веб-сайт Авогадро. Архивировано из оригинального 28 февраля 2006 года . Проверено 10 августа 2006 года .
  95. ↑ Фитцпатрик, Ричард (16 февраля 2007 г.). «Прекрасная структура» . Техасский университет в Остине. Архивировано 21 августа 2011 года.
  96. ^ Вайс, Майкл (2001). «Эффект Зеемана» . Калифорнийский университет в Риверсайде. Архивировано 2 февраля 2008 года.
  97. ^ Бейер, HF; Шевелко, В.П. (2003). Введение в физику высокозарядных ионов . CRC Press. С. 232–236. ISBN 978-0-7503-0481-8. OCLC  47150433 .
  98. ^ Уоткинс, Тайер. «Согласованность в вынужденном излучении» . Государственный университет Сан-Хосе. Архивировано 12 января 2008 года . Проверено 23 декабря 2007 года .
  99. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) " valence ". DOI : 10,1351 / goldbook.V06588
  100. ^ Ройш, Уильям (16 июля 2007). «Виртуальный учебник органической химии» . Университет штата Мичиган. Архивировано из оригинального 29 октября 2007 года.
  101. ^ «Ковалентная связь - Одинарные связи» . химгид. 2000. Архивировано 1 ноября 2008 года.
  102. ^ Хастед, Роберт; и другие. (11 декабря 2003 г.). «Периодическая таблица элементов» . Лос-Аламосская национальная лаборатория. Архивировано 10 января 2008 года.
  103. ^ Баум, Руди (2003). "Это элементаль: Периодическая таблица" . Новости химии и техники . Архивировано 21 августа 2011 года.
  104. ^ Гудштейн, Дэвид Л. (2002). Состояния материи . Courier Dover Publications. стр.  436 -438. ISBN 978-0-13-843557-8.
  105. ^ Бражкин, Вадим В. (2006). «Метастабильные фазы, фазовые превращения и фазовые диаграммы в физике и химии». Успехи физики . 49 (7): 719–724. Bibcode : 2006PhyU ... 49..719B . DOI : 10.1070 / PU2006v049n07ABEH006013 .
  106. ^ Майерс, Ричард (2003). Основы химии . Гринвуд Пресс. п. 85 . ISBN 978-0-313-31664-7. OCLC  50164580 .
  107. ↑ Персонал (9 октября 2001 г.). «Конденсат Бозе – Эйнштейна: новая форма вещества» . Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано 3 января 2008 года.
  108. ^ Колтон, Имоджен; Файф, Жанетт (3 февраля 1999 г.). «Суператомы от конденсации Бозе – Эйнштейна» . Мельбурнский университет. Архивировано из оригинального 29 августа 2007 года.
  109. ^ Джейкокс, Мэрилин; Гадзук, Дж. Уильям (ноябрь 1997 г.). «Сканирующий туннельный микроскоп» . Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано 7 января 2008 года.
  110. ^ "Нобелевская премия по физике 1986" . Нобелевский фонд. Архивировано 17 сентября 2008 года . Проверено 11 января 2008 года . В частности, см. Нобелевскую лекцию Дж. Биннига и Х. Рорера.
  111. ^ Jakubowski, N .; Моэнс, Люк; Vanhaecke, Франк (1998). «Секторные полевые масс-спектрометры в ИСП-МС». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 53 (13): 1739–1763. Bibcode : 1998AcSpe..53.1739J . DOI : 10.1016 / S0584-8547 (98) 00222-5 .
  112. ^ Мюллер, Эрвин В .; Паниц, Джон А .; Маклейн, С. Брукс (1968). «Атомно-зондовый полевой ионный микроскоп». Обзор научных инструментов . 39 (1): 83–86. Bibcode : 1968RScI ... 39 ... 83M . DOI : 10.1063 / 1.1683116 .
  113. ^ Лохнер, Джим; Гибб, Мередит; Ньюман, Фил (30 апреля 2007 г.). "Что нам говорят Spectra?" . НАСА / Центр космических полетов Годдарда. Архивировано 16 января 2008 года.
  114. ^ Зима, Марк (2007). «Гелий» . WebElements. Архивировано 30 декабря 2007 года.
  115. ^ Хиншоу, Гэри (10 февраля 2006). "Из чего состоит Вселенная?" . НАСА / WMAP. Архивировано 31 декабря 2007 года.
  116. ^ Чоппин, Грегори Р .; Лильензин, Ян-Олов; Ридберг, Ян (2001). Радиохимия и ядерная химия . Эльзевир. п. 441. ISBN. 978-0-7506-7463-8. OCLC  162592180 .
  117. ^ Дэвидсен, Артур Ф. (1993). "Астрономия в дальнем ультрафиолетовом диапазоне на космическом корабле" Астро-1 ". Наука . 259 (5093): 327–334. Bibcode : 1993Sci ... 259..327D . DOI : 10.1126 / science.259.5093.327 . PMID 17832344 . S2CID 28201406 .  
  118. ^ Lequeux, Джеймс (2005). Межзвездная среда . Springer. п. 4 . ISBN 978-3-540-21326-0. OCLC  133157789 .
  119. ^ Смит, Найджел (6 января 2000). «Поиски темной материи» . Мир физики. Архивировано 16 февраля 2008 года.
  120. ^ Кросвелл, Кен (1991). «Бор, неровности и Большой взрыв: было ли материя распределена равномерно, когда Вселенная началась? Возможно, нет; ключ к разгадке лежит в создании более легких элементов, таких как бор и бериллий» . New Scientist (1794): 42. Архивировано из оригинала 7 февраля 2008 года.
  121. ^ Копи, Крейг Дж .; Шрамм, Д. Н.; Тернер, MS (1995). «Нуклеосинтез Большого Взрыва и барионная плотность Вселенной» . Наука (Представленная рукопись). 267 (5195): 192–199. arXiv : astro-ph / 9407006 . Bibcode : 1995Sci ... 267..192C . DOI : 10.1126 / science.7809624 . PMID 7809624 . S2CID 15613185 . Архивировано 14 августа 2019 года.  
  122. ^ Хиншоу, Гэри (15 декабря 2005). «Испытания Большого взрыва: элементы света» . НАСА / WMAP. Архивировано 17 января 2008 года.
  123. Перейти ↑ Abbott, Brian (30 мая 2007 г.). "Микроволновая (WMAP) съемка всего неба" . Планетарий Хайдена. Архивировано из оригинального 13 февраля 2013 года .
  124. ^ Хойл, Ф. (1946). «Синтез элементов из водорода» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 106 (5): 343–383. Bibcode : 1946MNRAS.106..343H . DOI : 10.1093 / MNRAS / 106.5.343 .
  125. ^ Кнаут, округ Колумбия; Кнаут, округ Колумбия; Ламберт, Дэвид Л .; Крейн, П. (2000). «Недавно синтезированный литий в межзвездной среде». Природа . 405 (6787): 656–658. Bibcode : 2000Natur.405..656K . DOI : 10.1038 / 35015028 . PMID 10864316 . S2CID 4397202 .  
  126. ^ Mashnik, Степан Г. (2000). «О процессах нуклеосинтеза и отщепления солнечной системы и космических лучей». arXiv : astro-ph / 0008382 .
  127. ^ Kansas Geological Survey (4 мая 2005). «Возраст Земли» . Канзасский университет. Архивировано из оригинала 5 июля 2008 года.
  128. ^ а б Мануэль (2001). Происхождение элементов в Солнечной системе , стр. 407-430, 511-519.
  129. Перейти ↑ Dalrymple, G. Brent (2001). «Возраст Земли в двадцатом веке: проблема (в основном) решена» . Геологическое общество, Лондон, специальные публикации . 190 (1): 205–221. Bibcode : 2001GSLSP.190..205D . DOI : 10.1144 / GSL.SP.2001.190.01.14 . S2CID 130092094 . Архивировано 11 ноября 2007 года. 
  130. ^ Андерсон, Дон Л .; Foulger, GR; Мейбом, Андерс (2 сентября 2006 г.). «Гелий: фундаментальные модели» . MantlePlumes.org. Архивировано 8 февраля 2007 года.
  131. ^ Pennicott, Katie (10 мая 2001). «Углеродные часы могут показывать неправильное время» . PhysicsWeb. Архивировано 15 декабря 2007 года.
  132. ^ Yarris, Линн (27 июля 2001). «Новые сверхтяжелые элементы 118 и 116, обнаруженные в лаборатории Беркли» . Лаборатория Беркли. Архивировано из оригинала 9 января 2008 года.
  133. ^ Алмаз, H; и другие. (1960). «Изобилие тяжелых изотопов в термоядерном устройстве Майка». Физический обзор . 119 (6): 2000–2004. Bibcode : 1960PhRv..119.2000D . DOI : 10.1103 / PhysRev.119.2000 .
  134. ^ Постон старший, Джон У. (23 марта 1998). «Встречаются ли когда-либо в природе трансурановые элементы, такие как плутоний?» . Scientific American . Архивировано 27 марта 2015 года.
  135. Перейти ↑ Keller, C. (1973). «Естественное появление лантаноидов, актинидов и сверхтяжелых элементов». Chemiker Zeitung . 97 (10): 522–530. ОСТИ 4353086 . 
  136. ^ Зайдер, Марко; Росси, Харальд Х. (2001). Радиационная наука для врачей и работников общественного здравоохранения . Springer. п. 17 . ISBN 978-0-306-46403-4. OCLC  44110319 .
  137. ^ "Ископаемые реакторы Окло" . Кертинский технологический университет. Архивировано из оригинала 18 декабря 2007 года . Проверено 15 января 2008 года .
  138. ^ Вайзенбергер, Дрю. "Сколько атомов в мире?" . Jefferson Lab. Архивировано 22 октября 2007 года . Проверено 16 января 2008 года .
  139. ^ Pidwirny, Майкл. «Основы физической географии» . Университет Британской Колумбии Оканаган. Архивировано 21 января 2008 года . Проверено 16 января 2008 года .
  140. ^ Андерсон, Дон Л. (2002). «Внутреннее внутреннее ядро ​​Земли» . Труды Национальной академии наук . 99 (22): 13966–13968. Bibcode : 2002PNAS ... 9913966A . DOI : 10.1073 / pnas.232565899 . PMC 137819 . PMID 12391308 .  
  141. ^ Полинг, Линус (1960). Природа химической связи . Издательство Корнельского университета. С. 5–10. ISBN 978-0-8014-0333-0. OCLC  17518275 .
  142. ↑ Анонимный (2 октября 2001 г.). «Вторая открытка с острова стабильности» . ЦЕРН Курьер . Архивировано 3 февраля 2008 года.
  143. ^ Карпов, А.В.; Загребаев В.И.; Palenzuela, YM; и другие. (2012). «Свойства разложения и устойчивость самых тяжелых элементов» (PDF) . Международный журнал современной физики E . 21 (2): 1250013-1–1250013-20. Bibcode : 2012IJMPE..2150013K . DOI : 10.1142 / S0218301312500139 .
  144. ^ "Подтверждение сверхтяжелого элемента 114: ступенька к острову стабильности" . Лаборатория Беркли . 2009 г.
  145. Перейти ↑ Möller, P. (2016). «Пределы ядерной карты, установленные делением и альфа-распадом» (PDF) . Сеть конференций EPJ . 131 : 03002-1–03002-8. Bibcode : 2016EPJWC.13103002M . DOI : 10.1051 / epjconf / 201613103002 .
  146. ^ Koppes, Стив (1 марта 1999). «Физики Фермилаборатории обнаруживают новую асимметрию материи и антивещества» . Чикагский университет. Архивировано 19 июля 2008 года.
  147. ^ Кроми, William J. (16 августа 2001). «Время жизни в триллионные доли секунды: ученые исследуют антивещество» . Вестник Гарвардского университета . Архивировано 3 сентября 2006 года.
  148. ^ Hijmans, Том W. (2002). «Физика элементарных частиц: холодный антиводород» . Природа . 419 (6906): 439–440. Bibcode : 2002Natur.419..439H . DOI : 10.1038 / 419439a . PMID 12368837 . 
  149. ↑ Персонал (30 октября 2002 г.). «Исследователи заглядывают внутрь« антивещества » . BBC News . Архивировано 22 февраля 2007 года.
  150. ^ Барретт, Роджер (1990). «Странный мир экзотического атома» . New Scientist (1728): 77–115. Архивировано из оригинала 21 декабря 2007 года.
  151. ^ Indelicato, Paul (2004). «Экзотические атомы» . Physica Scripta . T112 (1): 20–26. arXiv : физика / 0409058 . Bibcode : 2004PhST..112 ... 20I . DOI : 10.1238 / Physica.Topical.112a00020 . S2CID 11134265 . Архивировано 4 ноября 2018 года. 
  152. ^ Ripin, Barrett H. (июль 1998). «Последние эксперименты с экзотическими атомами» . Американское физическое общество. Архивировано из оригинала 23 июля 2012 года.

Библиография

  • Оливер Мануэль (2001). Происхождение элементов в Солнечной системе: последствия наблюдений после 1957 года . Springer. ISBN 978-0-306-46562-8. OCLC  228374906 .
  • Эндрю Г. ван Мелсен (2004) [1952]. От атомоса к атому: история концепции атома . Перевод Генри Дж. Корена. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.
  • Дж. П. Миллингтон (1906). Джон Далтон . JM Dent & Co. (Лондон); EP Dutton & Co. (Нью-Йорк).
  • Чарльз Х. Холброу; Джеймс Н. Ллойд; Джозеф С. Амато; Энрике Гальвес; М. Элизабет Паркс (2010). Современная вводная физика . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387790794.
  • Джон Далтон (1808). Новая система химической философии об. 1 .
  • Джон Далтон (1817 г.). Новая система химической философии об. 2 .
  • Джон Л. Хейлброн (2003). Эрнест Резерфорд и взрыв атомов . Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-512378-6.
  • Жауме Наварро (2012). История электрона: Дж. Дж. И Г. П. Томсон . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107005228.

дальнейшее чтение

  • Гангопадхьяя, Мриналканти (1981). Индийский атомизм: история и источники . Атлантик-Хайлендс, Нью-Джерси: Humanities Press. ISBN 978-0-391-02177-8. OCLC  10916778 .
  • Янноне, А. Пабло (2001). Словарь мировой философии . Рутледж. ISBN 978-0-415-17995-9. OCLC  44541769 .
  • Король, Ричард (1999). Индийская философия: введение в индуистскую и буддийскую мысль . Издательство Эдинбургского университета. ISBN 978-0-7486-0954-3.
  • МакЭвилли, Томас (2002). Форма античной мысли: сравнительные исследования в греческой и индийской философии . Allworth Press. ISBN 978-1-58115-203-6.
  • Зигфрид, Роберт (2002). От элементов к атомам: история химического состава . ДИАНА. ISBN 978-0-87169-924-4. OCLC  186607849 .
  • Терези, Дик (2003). Утраченные открытия: древние корни современной науки . Саймон и Шустер. С. 213–214. ISBN 978-0-7432-4379-7.
  • Вюрц, Чарльз Адольф (1881). Атомная теория . Нью-Йорк: Д. Эпплтон и компания. ISBN 978-0-559-43636-9.

внешняя ссылка

  • Шарп, Тим (8 августа 2017 г.). "Что такое Атом?" . Живая наука.
  • «Автостопом по Вселенной, атомам и строению атома» . h2g2 . BBC. 3 января 2006 г.