Atomová skořápka

Elektronový obal (šedá) na helia atomu (zvětšení cca. 400 miliónkrát) s atomového jádra (červený bod, opět zvětšené 100 krát). Jádro je zobrazeno schematicky vpravo nahoře, opět zvětšeno 40krát. Ve skutečnosti je to sférické .

Obalu atomu nebo elektronový obal sestává z elektronů , které jsou vázány pomocí atomového jádra a obvykle obklopují jej až do vzdálenosti řádově 10 ^-10  m ( poloměr atomu ). Atomové jádro a atomová skořápka společně tvoří atom , přičemž jádro má průměr mezi 20 000 a 150 000krát menším než obal, v závislosti na chemickém prvku , ale obsahuje 99,95% až 99,98% celkové atomové hmotnosti . Vlastnosti atomu, které jsou přístupné zvenčí, jsou tedy kromě hmotnosti téměř výlučně určeny skořápkou. Kromě velikosti atomu to zahrnuje různé jeho možné typy chemické vazby , možnosti vzniku molekuly nebo krystalické pevné látky , emise a absorpce elektromagnetického záření určitých vlnových délek v infračerveném , viditelném světle , ultrafialovém záření a rentgenové rozsahy . Atomová fyzika , který se zabývá z velké části těchto jevů je proto do značné míry fyzika atomového pláště.

Počet z elektronů v obalu atomu neutrálního atomu je dán velikostí kladného elektrického náboje na atomového jádra. je také chemické atomové číslo prvku, ke kterému atom patří. Atomy s více nebo méně než elektrony jsou záporně nebo kladně nabité a nazývají se ionty . ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$

Pro strukturu elektronového obalu byly vyvinuty různé atomové modely . Prvním částečně velmi úspěšným modelem byl Bohrův atomový model v roce 1913 (po Nielsovi Bohrovi ), který je dodnes základem mnoha populárních reprezentací. Počínaje rokem 1925 byl nahrazen mnohem komplexnějšími a přesnějšími kvantově mechanickými atomovými modely, které dodnes tvoří teoretický základ atomové fyziky.

Vlastnosti celého shellu

Vazebná energie

Atomový obal se skládá z elektronů, které jsou díky negativnímu elektrickému náboji vázány na kladné atomové jádro. Celková vazebná energie elektronů v plášti je zhruba (přesnější přiblížení ) pro neutrální atom . Průměrná vazba energie na elektrony proto se zvyšuje se zvyšujícím se počtem částic , zvyšuje od v k u . Toto chování kontrastuje se situací v jádře, kde průměrná vazebná energie na nukleon pouze prudce roste s malým počtem částic až kolem 16 nukleonů ( ), ale ve zbytku světa zůstává blízko 8 MeV. Tyto rozdíly jsou vysvětleny vlastnostmi převládající interakce. V jádru je jak síla, tak efektivní nasycení vazebné energie založeno na silné interakci mezi dvěma nukleony, která vytváří srovnatelně velmi silnou vazbu, ale je také velmi krátkého dosahu, takže stěží překračuje přímo sousedící nukleony mohou přilákat ostatní nukleony. Naproti tomu je obal vázán elektrostatickou přitažlivostí jádra, která se úměrně zvyšuje , je poměrně mnohem slabší než jaderné síly, ale díky svému dlouhému dosahu dosahuje všech elektronů v celém atomu. ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle 13 {,} 6 \; Z ^ {7/3} \ mathrm {eV}}$${\ displaystyle 13 {,} 6 \; Z ^ {7/3} \ vlevo [1 + {\ tfrac {1} {2}} (1-Z ^ {- 1/3}) ^ {2} \ vpravo ] \, \ mathrm {eV}}$${\ displaystyle Z ^ {4/3}}$${\ displaystyle 13 {,} 6 \, \ mathrm {eV}}$${\ displaystyle Z = 1}$${\ displaystyle 5 {,} 6 \, \ mathrm {keV}}$${\ displaystyle Z = 92}$${\ displaystyle Z = 8}$${\ displaystyle Z}$

V nejjednodušším modelu atomové skořápky by se dalo očekávat poněkud silnější zvýšení vazebné energie na elektron, pokud vycházíme z Bohrova atomového modelu a předpokládáme, že za prvé si každý elektron zachová kvantová čísla, když se přidá více elektronů, a za druhé, že žádný vzájemný elektrostatický odpor nefunguje. Protože každý z elektronů by pak měl rostoucí vazebnou energii, protože nejenže se zvyšuje jaderný náboj , ale jeho oběžná dráha je také - krát blíže jádru . Slabší růst s místo s je pak zhruba vysvětlen skutečností, že se zvyšujícím se počtem elektronů jsou těsněji vázané dráhy podle Pauliho principu již plně obsazené a nově přidané elektrony musí obsadit ty méně pevně vázané. Naproti tomu jejich vzájemné elektrostatické odpuzování je méně důležité. Zvýšení vazebné energie na elektron vyplývá z toho, že elektronový obal je zpracován jako Fermiho plyn složený z elektronů, které jsou vázány v jamce s rozšířeným potenciálem ( model Thomas-Fermi ) a kromě obecného elektrostatického odporu s ním neinteragují další. Dodatečný korekční faktor specifikované přesnější aproximace je v podstatě způsoben tím, že vazba nejvnitřnějších elektronů je také zpracovávána samostatně. Jsou umístěny poblíž minima potenciálu špiček v místě jádra, což je v modelu Thomas-Fermi zohledněno pouze nedostatečně. ${\ displaystyle Z ^ {2}}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z ^ {2}}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z ^ {4/3}}$${\ displaystyle Z ^ {2}}$${\ displaystyle Z ^ {4/3}}$

Tvar a velikost

Atomový obal nemá ostře definovaný povrch, ale vykazuje přibližně exponenciální pokles elektronové hustoty ve vnější oblasti. Velikost a tvar atomu jsou obvykle definovány nejmenším možným povrchem, který obsahuje velkou část (např.90%) celkové hustoty elektronů. Tento povrch je ve většině případů téměř sférický, s výjimkou atomů, které jsou chemicky vázány v molekule nebo v některých krystalových mřížkách , nebo po speciální přípravě ve formě Rydbergova atomu . Celá skořápka může vibrovat proti jádru, frekvenci z. B. v atomu xenonu s 54 elektrony je kolem 10 ¹⁷ Hz (nebo excitační energie kolem 100 eV).

Kvůli fuzzy okraji atomové skořápky není velikost atomů jasně stanovena (viz poloměr atomu ). Hodnoty v tabulce jsou získány z délky vazby , což je energeticky nejvýhodnější vzdálenost mezi atomovými jádry v chemické vazbě. Celkově se zvyšujícím se atomovým číslem existuje přibližně periodická variace atomové velikosti, což dobře souhlasí s periodickou variací chemického chování. V periodické tabulce prvků obecně platí, že během jedné periody, tj. Jednoho řádku systému, je vyplněna určitá mísa. Velikost atomů se zmenšuje zleva doprava, protože se zvyšuje jaderný náboj, a proto jsou všechny skořápky silněji přitahovány. Pokud je určitá skořápka naplněna silně vázanými elektrony, patří atom k vzácným plynům . S dalším elektronem se obal začne plnit další vyšší energií, která je spojena s větším poloměrem. Ve skupině, tj. Ve sloupci periodické tabulky, se proto velikost zvětšuje shora dolů. Nejmenším atomem je tedy atom helia na konci první periody s poloměrem 32 hodin, zatímco jedním z největších atomů je atom cesia , první atom 5. periody. Má poloměr 225 pm.

hustota

Na rozdíl od mnoha populárních reprezentací atomová skořápka v žádném případě není v podstatě prázdným prostorem. Průměrná elektronová hustota pláště se spíše pohybuje mezi 0,01 a 0,1 kg / m ^{3, v} závislosti na prvku . Pro srovnání: vzduch má tuto hustotu při tlaku mezi 10 a 100 mbar. Představa skořápky jako (téměř) prázdného prostoru by vyústila, kdyby v určitém okamžiku byly elektrony téměř dokonalými hromadnými body v určitých bodech ve vesmíru. Myšlenka elektronů lokalizovaných tímto způsobem v atomu je však podle kvantové mechaniky nepřípustná.

Moment hybnosti

Atomový obal volného atomu má v každé energetické úrovni určitý moment hybnosti . Obvykle je určeno, jeho množství kvantovým číslem a komponenta na volně zvolenou osu z magnetickým kvantovým číslem pomocí . V elektronových skořápkách se sudým počtem elektronů je celé číslo , s lichým počtem elektronů poloviční celé číslo . Velikost momentu hybnosti je dána, složkou z . Zde je snížená Planckova kvantová akce .${\ displaystyle {\ vec {J}}}$ ${\ displaystyle J}$ ${\ displaystyle m}$${\ displaystyle | m | \ leq J}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle J \ geq 0}$${\ displaystyle J \ geq {\ tfrac {1} {2}}}$${\ displaystyle {\ sqrt {\ langle J ^ {2} \ rangle}} = \ hbar {\ sqrt {J (J + 1)}}}$${\ displaystyle \ langle J_ {z} \ rangle = \ hbar m}$${\ displaystyle \ hbar}$

Experimentální metody pro studium atomové skořápky

Velikost atomového pláště se určuje hlavně v kontextu teorie kinetického plynu a analýzy krystalové struktury (viz poloměr atomu ). Metody objasnění struktury atomového obalu jsou shrnuty pod pojmem metody atomové fyziky . Jsou podrobně představeni ve svých vlastních článcích. Typické příklady jsou (ačkoli seznam není v žádném případě vyčerpávající):

• Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS): Absorpce kvanta vysokoenergetických rentgenových paprsků ve fotoelektrickém jevu generuje volný elektron s kinetickou energií, která je výsledkem rozdílu mezi energií absorbovaného kvanta a vazebnou energií, která elektron měl předtím ve skořápce. Elektrony s nejnižší kinetickou energií měly nejvyšší vazebnou energii a pocházejí z K pláště. Pak s vazebnou energií asi tří těsně sousedících vazebných energií L-pláště atd. Energetická struktura pláště pláště je jasně ukázána, od asi včetně rozdělení podle struktury podle jj-vazby .${\ displaystyle E_ {K}}$${\ displaystyle E_ {L} \ přibližně {\ tfrac {1} {4}} E_ {K}}$${\ displaystyle Z = 10}$

• Atomová emisní spektrometrie a atomová absorpční spektrometrie : Spektrální studium elektromagnetického záření emitovaného nebo absorbovaného atomovými skořápkami s ohledem na jejich vlnovou délku , zejména v oblastech viditelného světla , ultrafialového a infračerveného záření , poskytuje informace o energetických rozdílech mezi různými energetickými hladinami atomu. V mnoha případech lze tyto energie interpretovat změnou jediného elektronu z jedné orbity na jinou (světelný elektron). To významně přispělo k průzkumu atomové skořápky a tím k objevení kvantové mechaniky. Emisní a absorpční spektra jsou charakteristická pro daný prvek a používají se pro chemickou analýzu. Proto je optická spektroskopie nejstarší ze zde zmíněných metod. Dalšími důležitými výsledky měření jsou intenzita (zejména ve vztahu k různým spektrálním čarám) a polarizace záření.

• Rentgenová spektroskopie : Jako výše uvedená optická spektroskopie, ale v energetickém rozsahu rentgenových paprsků, a tedy odlišně postavených spektrometrů. Síla absorpce prudce roste se zvyšující se energií rentgenového kvanta pokaždé, když je překročena vazebná energie orbitálu ( absorpční hrana ). Toto byl první experimentální důkaz velikosti a kvantifikace vazebných energií vnitřních elektronů v atomu. Emise rentgenových paprsků vyvolaná absorpcí ukazuje jednoduché liniové spektrum, které je charakteristické pro každý prvek ( charakteristické rentgenové záření , rentgenová fluorescenční analýza ). Skutečnost, že vzniká pouze při vyřazení vnitřního elektronu, byla první známkou toho, že slabší vázaný elektron může přeskočit pouze na nižší úroveň, pokud tam je volný prostor („stav díry“).

• Augerova elektronová spektroskopie (AES): Vybuzený atom může emitovat elektron místo fotonu ( Augerův efekt ), pokud to umožňuje excitační energie. Pak je Augerův efekt obecně ještě častější. Podrobně je to založeno na skutečnosti, že elektron chybí na úrovni s vysokou vazebnou energií (stav díry) a že dva slabší vázané elektrony pláště způsobí kolizi pomocí svého elektrostatického odpuzování, takže jeden z nich vyplní stav díry a energie získaná pro ostatní stačí k opuštění atomu. Měří se energie a intenzita emitovaných elektronů. I tyto jsou specifické pro jednotlivé prvky a používají se pro chemickou analýzu nejtenčích vrstev.

• Rozptyl elektronů : Výzkum energie a intenzity elektronů emitovaných atomovými skořápkami po srážce energetického elektronu.

Modelové nápady pro atomovou skořápku

(Viz také seznam atomových modelů a atomu vodíku )

Rozdělení atomu na atomové jádro a atomovou skořápku sahá až k Ernestovi Rutherfordovi , který v rozptylových experimentech v roce 1911 ukázal, že atomy sestávají z malého kompaktního jádra obklopeného mnohem lehčí skořápkou. Tento obrázek byl v úplném kontrastu se všemi ostatními atomovými modely diskutovanými až do tohoto bodu. Po úspěchu Bohrova atomového modelu z roku 1913 byl atomový model chápán jako model atomové skořápky.

Bohrův atomový model a vylepšení do roku 1925

Ilustrace Bohrova modelu atomu vodíku (Z = 1) s elektronem skákajícím mezi pevnými drahami a emitujícím foton s určitou frekvencí f.

Radiální rozdělení hustoty elektronů pro helium (1 skořápka), neon (2 skořápky), argon (3 skořápky)

V roce 1913 , na základě Rutherfordova atomového modelu jádra a pláště, dokázal Niels Bohr poprvé vysvětlit, jak vznikají spektrální čáry v optickém spektru čistých prvků, které jsou pro příslušný prvek absolutně charakteristické ( spektrální analýza podle Roberta Wilhelm Bunsen a Gustav Robert Kirchhoff 1859). Bohr předpokládal, že elektrony mohou zůstat pouze na určitých kvantovaných kruhových drahách, které jsou očíslovány hlavním kvantovým číslem, jak se zvyšuje poloměr . Elektrony mohou také „skákat“ z jedné z těchto drah na druhou, ale nemohou mezi nimi zůstat. Během kvantového skoku z vnější na vnitřní oběžnou dráhu musí elektron uvolnit určité množství energie, která se jeví jako světelné kvantum určité vlnové délky. V experimentu Franck-Hertz v roce 1914 bylo možné experimentálně potvrdit kvantovanou absorpci energie a výstup atomů rtuti. Bohrův atomový model však poskytl pouze kvantitativně správné výsledky pro systémy s pouze jedním elektronem (vodík a ionizované helium). Ačkoli to v atomových skořápkách s několika elektrony zásadně selhalo, vytvořilo to základ pro řadu vylepšení, které v průběhu následujícího desetiletí vedly ke kvalitativnímu pochopení struktury elektronových skořápek všech prvků. Bohrův model atomu se tak stal základem populárního obrazu atomu jako malého planetárního systému.

V roce 1915 rozšířil Arnold Sommerfeld Bohrův atomový model do Bohr-Sommerfeldova atomového modelu . Vzala v úvahu speciální teorii relativity , umožnila také eliptické oběžné dráhy Keplera a zavedla dvě nová kvantová čísla: sekundární kvantové číslo pro rozlišení mezi elektronovými drahami se stejným hlavním kvantovým číslem, ale odlišným eliptickým tvarem, stejně jako magnetické kvantové číslo , což je konečné číslo pro oběžné dráhy pro dané hlavní a vedlejší kvantové číslo Počet možných prostorových orientací očíslovaných za sebou. Protože energie jen slabě závisí na dvou nových kvantových číslech, vysvětluje to rozdělení spektrálních čar, které v Bohrově modelu byly stále určovány jedinou energií. Zároveň se objevil obrázek, že oběžné dráhy se stejným hlavním kvantovým číslem tvoří „skořápku“, přičemž do sebe prostorově pronikají různé granáty. ${\ displaystyle \ ell}$ ${\ displaystyle m}$

V roce 1916 Gilbert Newton Lewis snažil vysvětlit na chemickou vazbu tím s ohledem na elektrické interakce elektronů dvěma atomy v rámci Bohrově modelu atomu. Z pozorování charakteristických rentgenových paprsků vyvodil Walther Kossel , že v každém atomu existuje jen určitý počet míst pro vnitřní elektrony, aby se vysvětlilo, proč elektrony z vnějšku jen skočí do vnitřní dráhy, když je elektron vyřazen tam byl. Kvůli periodickým chemickým vlastnostem prvků měl v roce 1916 dále podezření, že existují „elektronové skořápky“, které jsou „uzavřeny“ po absorpci 8 elektronů a poté tvoří vzácný plyn. Toto číslo odpovídá zdvojnásobenému počtu různých kombinací a pro stejné hlavní kvantové číslo . Toto dále rozvinul Niels Bohr do roku 1921 na „ konstrukční princip “, podle kterého je se zvyšujícím se atomovým číslem každý další elektron absorbován do elektronové skořápky s nejnižší energií v atomové skořápce, která má stále volné prostory, aniž by elektrony již byly v současnosti významně přeskupeny. To vedlo Wolfganga Pauliho k objevu Paulova principu vyloučení v roce 1925 , podle kterého může být každá oběžná dráha charakterizovaná třemi kvantovými čísly obsazena maximálně dvěma elektrony. Po objevu elektronové rotace , pro kterou bylo zavedeno čtvrté kvantové číslo s pouhými dvěma možnými hodnotami, byl Pauliho princip specifikován takovým způsobem, že každý stav definovaný čtyřmi kvantovými čísly může být obsazen pouze jedním elektronem. ${\ displaystyle \ ell}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle m_ {s}}$

Kvantově mechanické modely atomové skořápky

Orbitální model atomu: Reprezentace atomových orbitalů prvního (2 elektrony) a druhého (8 elektronů) elektronového obalu

Na základě vlny hmoty postulované Louisem de Broglie v roce 1924 vyvinul Erwin Schrödinger v roce 1926 vlnovou mechaniku . Popisuje elektrony ne jako hmotné body na určitých drahách, ale jako trojrozměrné vlny, které jsou deformovány silovými poli, například elektrostatický potenciál atomového jádra. V důsledku tohoto popisu je mimo jiné nepřípustné připisovat elektronu v daném okamžiku přesnou polohu i hybnost s přesnými hodnotami. Tuto skutečnost formuloval v roce 1927 Werner Heisenberg v principu neurčitosti . Podle toho lze namísto pohybu na určitých trajektoriích uvést pouze rozdělení pravděpodobnosti pro rozsahy hodnot polohy a hybnosti, což je obtížné ilustrovat. Stojatá vlna nebo „ atomová oběžná dráha “ odpovídá kvantované dráze Bohrova modelu , která je soustředěna v blízkosti atomového jádra a popisuje distribuci hmoty. Atomový orbitál mimo jiné naznačuje přesný tvar pravděpodobnosti elektronu ve vesmíru.

Model byl původně vyvinut pro atomovou skořápku s jediným elektronem v poli bodového náboje ( vodíkový problém ). Poskytoval energie Bohrových oběžných drah v závislosti na hlavním kvantovém počtu a také kvantová čísla pro moment hybnosti zavedený Sommerfeldem, ten se správným počítáním od nuly nahoru (místo toho, aby začínal 1 jako v Bohru). Na rozdíl od Bohr-Sommerfeldova modelu mohl být vlnový mechanický model jednoznačně a úspěšně rozšířen na atomové skořápky s několika elektrony přeformulováním Pauliho zákazu na pravidlo o antisymetrii vlnové funkce, když jsou zaměněny dva elektrony. Popis vlastností atomů byl u tohoto mnohem lepší než u předchozích modelů. Elektrony jsou zpočátku klasifikovány jeden po druhém na orbitálech, přičemž se zanedbává jejich elektrostatické odpuzování, pro základní stav atomové skořápky do jedné s nejnižšími energiemi, pro excitované stavy jeden nebo více elektronů výše. Odraz, i když je síla mezi každým dvěma elektrony, se přibližně plošně aproximuje zohledněním stínění elektronovým mrakem odpovídajícím způsobem stíněným elektrostatickým potenciálem. Výsledkem je, že orbitaly jsou vázány slabší, tím vyšší je jejich orbitální moment hybnosti. Výsledkem je rozdělení energie v každé hlavní skořápce z n = 2: Energie orbitalů se zvyšuje se sekundárním kvantovým číslem. Například pokud je naplněna 3p skořápka (Z = 18, argon), 3D skořápka je již energeticky nad skořápkou 4s, a proto je až poté plněna elektrony (od Z = 21, skandium) (3d přechodové kovy ). Model poskytuje nejen podrobné vysvětlení periodické tabulky, ale také velmi realistický obraz prostorového a energetického rozložení elektronů ve skořápce. S výjimkou dvou nejvnitřnějších skořápek nejsou skořápky od sebe jasně odděleny ani v prostorovém, ani v energetickém smyslu, ale spíše vykazují silné přesahy (viz obrázek). Popis struktury atomové skořápky z prostorového a energetického hlediska také definuje přesné možnosti formování stavů, které jsou vázány na atomovou skořápku jiných atomů. Proto je orbitální model široce používán pro popis v chemii . Všechny základní a většinu excitačních stavů pláště lze dobře zobrazit, takže model může také vysvětlit optická spektra, rentgenová spektra a Augerova spektra .

V případě atomu s více než jedním elektronem lze orbitální model popsat fyzicky jako aproximaci, protože každému jednotlivému elektronu je přiřazen specifický orbitál. Takto vytvořený stav atomové skořápky se nazývá čistá konfigurace . V kvantové mechanice je to jeden z nejjednodušších druhů stavů více částic. Přesnější modely berou v úvahu, že skořápka může být také ve stavu, který se skládá ze superpozice různých konfigurací, tj. Kde jsou současně přítomny různé konfigurace elektronů s různými amplitudami pravděpodobnosti, které se nazývají mixování konfigurace. Tento model umožňuje nejpřesnější výpočty energetických hladin a reakcí atomů. Další upřesnění se týkají relativistického zpracování elektronu ( Diracova rovnice ) a přesného zvážení konečného průměru jádra a jeho magnetických a elektrických jaderných momentů, jakož i radiačních korekcí podle kvantové elektrodynamiky ( Lambshift ). Kvůli matematickému úsilí, které je k tomu zapotřebí, se stále používají jednodušší atomové modely, kde je to možné. Zde je třeba zmínit Thomas-Fermiho model , ve kterém je elektronový obal považován za ideální elektronový plyn ( Fermiho plyn ) vázaný v potenciální jímce , jehož hustota zase určuje tvar potenciální jámy.

Nejjednodušší přístup k vlnové funkci čisté konfigurace pro určitý počet elektronů lze získat pomocí metody Hartree-Fock . Zůstává s aproximací jedné částice, ve které je každému elektronu přiřazen specifický orbitál, ale tvar orbitalů je vhodně upraven kvůli přítomnosti všech ostatních elektronů. K tomu je třeba hledat ty tvary pro orbitaly, s nimiž energie celé konfigurace dosahuje minima, s přihlédnutím k odpudivým silám, které závisí na tvaru obsazených orbitalů. Orbitaly jsou tedy určovány autokonzistentním způsobem takovým způsobem, že je výsledkem stabilní konfigurace v čase. Výsledkem je stále čistá konfigurace, pouze stavy jednotlivých elektronů, které se v ní vyskytují, jsou upraveny ve srovnání s orbitaly známými z problému s vodíkem. ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z-1}$

Teorie funkční hustoty vede ke stejnému typu sebevědomého přibližného řešení . Zde se vychází z místně závislého rozdělení celkové hustoty elektronů a z toho se vytvoří Schrödingerova rovnice pro jediný elektron, ve které jsou dány účinky antisymetrie funkce vln s mnoha částic a odpuzování elektronů od elektronů dalším termínem, který závisí pouze na celkové hustotě, lze vzít v úvahu přibližnou rychlostí. Z takto stanovených orbitalů jednotlivých elektronů se opět vypočítá celková hustota. Pokud nesouhlasí uspokojivě s původně nastavenou celkovou hustotou, mění se, aby bylo dosaženo lepší dohody.

Interpretace některých základních vlastností atomů v kontextu skořepinového modelu

Skořepinový model je zde uvažován v jeho nejjednodušší, sféricky symetrické formě, zatímco směrová závislost hustoty elektronů je přidána pouze v orbitálním modelu. Pak nám skořápkový model umožňuje pochopit závislost sil a vzdáleností sil mezi dvěma atomy. Jsou určeny prakticky výlučně dvěma granáty. To je mimo jiné základem pro chemickou vazbu, stejně jako pro změnu fyzikálního stavu a mechanické stability a mnoha dalších vlastností makroskopických materiálů.

atrakce

Na větší vzdálenosti, více než atomový průměr, vznikají slabě atraktivní van der Waalsovy síly , protože tyto dvě atomové skořápky se navzájem polarizují. To znamená, že skořápky a jádra se proti sobě pohybují minimálně, takže se oba atomy stávají slabými elektrickými dipóly, které, pokud jsou správně orientovány, se elektrostaticky přitahují . V plynném stavu tyto atraktivní síly obvykle způsobují jen malé odchylky od chování ideálního plynu , ale také způsobují kondenzaci plynu na kapalinu , tj. Změnu fyzikálního stavu .

odmítnutí

Při blízkém přiblížení, jakmile se skořápky dvou atomů znatelně překrývají v prostoru, vyvstává silná odpudivá síla. Je založen především na Pauliho principu , který vylučuje přijímání elektronů jednoho atomu na obsazené orbitaly druhého atomu, pokud jsou již obsazeny párem elektronů. Musí proto být umístěni na energeticky vyšších orbitálech, což vyžaduje výdej energie. Naproti tomu elektrostatický odpor dvou negativních elektronových mraků a dvou pozitivních jader nehraje téměř žádnou roli. Tato odpudivá síla může do značné míry vysvětlit extrémně nízkou stlačitelnost kondenzovaných látek (kapalin a pevných látek ).

Chemická vazba

Minimum jejich vzájemné potenciální energie spočívá v přesně definované vzdálenosti, v níž jsou přitažlivost a odpor dvou atomů v rovnováze (viz obrázek 1 zde ). To vysvětluje homeopolární chemickou vazbu, která je typická mezi atomy stejného prvku (např. Ve 2-atomovém plynu). V případě atomů různých prvků, které snadno tvoří kladné nebo záporné ionty, platí podobná potenciální křivka mezi dvěma opačně nabitými ionty. Pak se přitažlivá síla zvýší elektrostatickou přitažlivostí iontů, ale současně se křivka zvýší o rozdíl mezi ionizační energií pro pozitivní iont a elektronovou afinitou pro negativní. Pokud minimum potenciální energie zůstane záporné, existuje iontová vazba (např.Na ⁺ Cl ^- ). Jednoduchý skořepinový model nestačí k vysvětlení dalších jemností chemických vazeb. Poté musí být použit orbitální model (např. Pro prostorové uspořádání atomů v polyatomových molekulách), pokud není dokonce vyžadován samostatný kvantově mechanický výpočet (např. Pro kovy)

Molekuly se také navzájem přitahují skrz skořápky svých atomů. Pevné těleso je vytvořen, když mnoho molekul vázat k sobě navzájem, a proto, že je energeticky příznivé, udržovat pevné uspořádání. Pokud je toto uspořádání pravidelné, vytvoří se krystalová mříž . Výsledkem tohoto spojení je, že pevné těleso je nejen z velké části nestlačitelné jako kapalina, ale na rozdíl od toho je mnohem méně snadno deformovatelné, a proto také odolné vůči napětí . Zvláštnosti kovových pevných látek, zejména jejich snadnější deformovatelnost, vysoká elektrická a tepelná vodivost , kovový lesk, lze vysvětlit pouze kovovou vazbou .

Vysvětlení atomových vlastností v kontextu orbitálního modelu

Elektronové skořápky, na kterých je založen skořepinový model, jsou výsledkem kvantizace energie jednoho elektronu v silovém poli atomového jádra podle pravidel kvantové mechaniky . Kolem jádra se tvoří různé atomové orbitaly , což jsou fuzzy rozdělení pravděpodobnosti pro možné prostorové stavy elektronů. Díky Pauliho principu může být každý orbitál naplněn maximálně dvěma elektrony, elektronovým párem . Orbitaly, které by teoreticky měly stejnou energii, kdyby byly zanedbány vzájemné odpuzování elektronů a jemná struktura , tvoří obal. Mušle jsou očíslovány postupně hlavním kvantovým číslem nebo jsou postupně označeny písmeny K, L, M, .... Přesnější měření ukazují, že od druhé skořápky ne všechny elektrony v skořápce mají stejnou energii. V tomto případě je určitá subshell identifikována sekundárním kvantovým číslem nebo kvantovým číslem momentu hybnosti .

Pokud jsou orbitaly, počínaje nejnižší úrovní energie, naplněny elektrony do takové míry, že celkový počet elektronů se rovná počtu protonů v jádru, je atom neutrální a je v základním stavu. Pokud je jeden nebo více elektronů v atomu přemístěno na orbitály s vyššími energetickými hladinami, je atom ve vzrušeném stavu . Energie excitovaných stavů mají pro každý atom přesně definované hodnoty, které tvoří jeho termínové schéma . Vybuzený atom může vydávat svou přebytečnou energii srážkami s jinými atomy, prostřednictvím emise jednoho z elektronů ( Augerův efekt ) nebo prostřednictvím emise fotonu , tj. Generováním světla nebo rentgenových paprsků. Při velmi vysoké teplotě nebo v plynných výbojích mohou atomy nárazovými elektrony ztrácet (viz ionizace ), vytváří tak plazmu . B. v horkém plameni nebo ve hvězdě.

Absorpční čáry ve spektru slunce. Z dopadajícího světla, které má spojité spektrum, je záření absorbováno při určitých vlnových délkách, což způsobuje černé čáry.

Protože energie kvant vyzařovaného záření se liší v závislosti na atomu nebo molekule a na dvou zúčastněných stavech, lze typ zdroje obecně jasně identifikovat spektroskopií tohoto záření. Například jednotlivé atomy v plynech ukazují své optické řádkové spektrum specifické pro daný prvek . Sodík D linka je známý, například , je dvojitá čára ve žlutém spektrálním rozsahu při 588.99 nm a 589.59 nm. Jejich rozsvícení indikuje přítomnost excitovaných atomů sodíku, ať už na slunci nebo nad plamenem kamen v přítomnosti sodíku nebo jeho solí. Jelikož toto záření může také dodávat atomu stejnou energii absorpcí, lze pozorovat spektrální čáry prvků jak v absorpčním, tak v emisním spektru. Na opačném obrázku je tento dublet označen D-1 a označuje přítomnost atomů sodíku ve vnější fotosféře slunce. Tyto spektrální čáry lze také použít k velmi přesnému měření frekvencí, například pro atomové hodiny .

Ačkoli se elektrony navzájem elektrostaticky odpuzují, mohou být navázány až dva další elektrony, pokud existují orbitaly s dalšími volnými místy při nejvyšší obsazené energii elektronů (viz afinita elektronů ). Chemické reakce , d. H. Spojení několika atomů s molekulou nebo velkého počtu atomů s pevnou látkou se vysvětluje skutečností, že jeden nebo dva elektrony z jednoho z vnějších orbitalů atomu ( valenční elektrony ) se úplně přesunou na volné místo v orbital sousedního atomu ( iontová vazba ) nebo existuje určitá pravděpodobnost, že tam budete ( kovalentní vazba prostřednictvím vazebného páru elektronů ). Elektronegativita z prvků určuje, ve kterém atom elektrony jsou s větší pravděpodobností. Je pravidlem, že chemické vazby jsou vytvořeny takovým způsobem, že atomy obdrží na elektronovou konfiguraci s vzácným plynem ( pravidlo vzácný plyn ). Tvar a obsazení jeho orbitalů jsou rozhodující pro chemické chování atomu. Jelikož jsou určeny pouze počtem protonů, všechny atomy se stejným počtem protonů, tj. Izotopy prvku, vykazují téměř stejné chemické chování.

Pokud se dva atomy přiblíží ještě blíže za chemickou vazbou, elektrony jednoho atomu se musí pohybovat na volné, ale energeticky nepříznivé orbitaly druhého atomu díky Pauliho principu, což má za následek zvýšený energetický požadavek a tedy odpudivou sílu.

literatura

Elektronový obal atomu je podrobně vysvětlen v mnoha úvodních knihách o atomové fyzice. Příklady:

• Wolfgang Demtröder: Experimentální fyzika 3 - atomy, molekuly a pevné látky . 4. vydání. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-03910-2 , doi : 10,1007 / 978-3-642-03911-9 . 
• Hermann hook a Hans C. Wolf: atomová a kvantová fyzika . 8. vydání. Springer, 2004, ISBN 3-540-02621-5 . 

webové odkazy

Individuální důkazy

1. ^ ^{A b c} Julian Schwinger: Thomas-Fermiho model: Hlavní korekce . In: Phys. Rev. A . páska 22 , 1980, str. 1827-1832 , doi : 10,1103 / PhysRevA.22.1827 . 
2. ^ Jörn Bleck-Neuhaus: Elementární částice . Od atomů přes standardní model až po Higgsův boson. 2. přepracované vydání. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , ISSN  0937-7433 , doi : 10,1007 / 978-3-642-32579-3 .  Str. 99
3. ^ S.Lundqvist, G. Mukhopadhyay: Kolektivní aspekty atomové dynamiky . In: Physica Scripta . Ne. 21 , 1980, str. 503-509 , doi : 10.1088 / 0031-8949 / 21 / 3-4 / 043 . 
4. ↑ ^{a b} Mark Winter: Kovalentní poloměr. Citováno 12. března 2014 .  
5. ↑ atomová skořápka. In: Spektrum.de. Citováno 13. května 2020 . 
6. ↑ LibreTexts: rozdělení radiální hustoty. LibreTexts, zpřístupněno 31. října 2020 . 
7. ^ ^B Davida S. Stern: atomového jádra a Bohrovu Early model atomu. NASA Goddard Space Flight Center, 16. května 2005, zpřístupněno 2. března 2014 .  
8. ^ ^B Niels Bohr Nobelova cena za fyziku 1922, Nobelova přednáška. Nobelova nadace, 11. prosince 1922, zpřístupněna 2. března 2014 .  
9. ^ ^B Gilbert N. Lewis: atom a molekula . In: Journal of the American Chemical Society . páska 38 , č. 4. dubna 1916, s. 762-786 , doi : 10,1021 / ja02261a002 . 
10. ↑ ^{a b} Walther Kossel: O tvorbě molekul jako o otázce atomové struktury. Annalen der Physik sv. 49, 1916, str. 229-362, doi: 10,1002 / a str. 19163540302 .
11. ^ ^{A b} Niels Bohr: Atomová struktura . In: Příroda . páska 107 , 1921, str. 104-107 , doi : 10.1038 / 107104a0 . 
12. ↑ ^{a b} Kevin Brown: Atom vodíku. MathPages, 2007, přístup 2. března 2014 .  
13. ^ ^B David M. Harrison: Vývoj kvantové mechaniky. University of Toronto, March 2000, accessed 2. března 2014 .  
14. ↑ ^{a b} Yu. Ralchenko, AE Kramida, J. Reader: NIST Atomic Spectra Database. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2008, accessed 2. března 2014 (verze 5).  
15. ^ Leonid I. Ponomarev: Kvantové kostky . 2. vydání. Inst. Of Physics Pub, 1993, ISBN 0-7503-0251-8 , str. 14-15 . 
16. ^ Jörn Bleck-Neuhaus: Elementární částice . Od atomů přes standardní model až po Higgsův boson. 2. přepracované vydání. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , ISSN  0937-7433 , kapitola 1, doi : 10,1007 / 978-3-642-32579-3 . 
17. ↑ Dick Teresi: Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science - from the Babylonians to the Maya . Simon & Schuster, 2003, ISBN 0-7432-4379-X , str. 213-214 . 
18. ^ Robert Siegfried: Od prvků k atomům: Historie chemického složení . In: Transakce Americké filozofické společnosti . páska 92 , č. 4 . Americká filozofická společnost, 2002, ISBN 0-87169-924-9 , str. 42-55 . 
19. ^ Charles Kittel: Úvod do fyziky pevných látek. 7. vydání 1988, Verlag R. Oldenbourg (Mnichov), s. 16.
20. ↑ Lavoisierovy prvky chemie. In: Prvky a atomy. Le Moyne College, Department of Chemistry, accessed 2. března 2014 .  
21. ^ Charles Adolphe Wurtz: Atomová teorie . D. Appleton and company, New York 1881, str. 1-2 . 
22. ^ J. Dalton: Nový systém chemické filozofie, část 1 . S. Russell, Londýn / Manchester 1808. 
23. ^ F. Dannemann: Přírodní vědy v jejich vývoji a v jejich kontextu. 3, Verlag W. Engelmann 1922, s. 198.
24. ↑ Loschmidt: O velikosti molekul vzduchu. In: Setkání se zprávami Císařské akademie věd ve Vídni. Svazek 52, 1866, odd. II, s. 395-413.
25. ↑ Albert Einstein: O pohybu částic suspendovaných v klidových kapalinách, který vyžaduje molekulární kinetická teorie tepla . In: Annals of Physics . páska 322 , č. 8 , 1905, str. 549-560 , doi : 10,1002 / andp.19053220806 ( PDF ( Memento z 18. března 2006 v internetovém archivu ) [zpřístupněno 4. února 2007]). O pohybu částic suspendovaných v klidových kapalinách, jak to vyžaduje molekulární kinetická teorie tepla ( Memento z 18. března 2006 v internetovém archivu ) 
26. ^ Robert M. Mazo: Brownův pohyb: Flukulace, dynamika a aplikace . In: Mezinárodní série monografií o fyzice . páska 112 . Oxford University Press, 2002, ISBN 0-19-851567-7 , str. 1-7 . 
27. ^ YK Lee, Kelvin Hoon: Brownův pohyb. (Již není k dispozici online.) Imperial College, London, 1995, archivována od originálu 18. prosince 2007 ; zpřístupněno 2. března 2014 .  
28. ^ G. Patterson: Jean Perrin a triumf atomové doktríny . In: Úsilí . páska 31 , č. 2 , 2007, s. 50-53 , doi : 10.1016 / j.endeavor.2007.05.003 . 
29. ^ Nobelova nadace: JJ Thomson. Nobelprize.org, 1906, přístup 2. března 2014 .  
30. ^ E. Rutherford: Rozptyl částic α a β podle hmoty a struktura atomu . In: Filozofický časopis . páska 21 , 1911, str. 669-688 ( skenování [přístup 2. března 2014]). 
31. ^ Frederick Soddy, Nobelova cena za chemii 1921. Nobelova nadace, přístup 2. března 2014 .  
32. ^ Joseph John Thomson: Bakerian Přednáška: Paprsky pozitivní elektřiny . In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character . páska 89 , č. 607 , 1913, str. 1–20 ( royalsocietypublishing.org [PDF; přístup k 2. března 2014]). 
33. ^ Francis W. Aston: Konstituce atmosférického neon . In: Filozofický časopis . páska 39 , č. 6 , 1920, s. 449-455 . 
34. ^ James Chadwick: Nobelova přednáška: Neutron a jeho vlastnosti. Nobelova nadace, 12. prosince 1935, zpřístupněno 2. března 2014 .  
35. ^ Lise Meitner, Otto Robert Frisch: Rozpad uranu neutrony: nový typ jaderné reakce . In: Příroda . páska 143 , 1939, str. 239 . 
36. ↑ Manfred Schroeder: Lise Meitner - k 125. výročí vašich narozenin . ( Online [přístup 2. března 2014]). Online ( Memento ze dne 19. července 2011 v internetovém archivu ) 
37. ^ Sven Kullander: Akcelerátory a nositelé Nobelovy ceny. Nobelova nadace, 28. srpna 2001, zpřístupněna 2. března 2014 .  
38. ↑ Zaměstnanci: Nobelova cena za fyziku 1990. Nobelova nadace, 17. října 1990, zpřístupněno 2. března 2014 .  
39. ^ P. Domokos, J. Janszky, P. Adam: Metoda interference s jedním atomem pro generování Fockových stavů . In: Physical Review . páska 50 , 1994, str. 3340-3344 , doi : 10,1103 / PhysRevA.50,3340 . 
40. ^ Nobelova cena za fyziku 1997. Nobelova nadace, 15. října 1997, zpřístupněno 2. března 2014 .  
41. ^ Marilyn Jacox, J. William Gadzuk: Skenovací tunelovací mikroskop. National Institute of Standards and Technology, November 1997, accessed 2. března 2014 .  
42. ^ Nobelova cena za fyziku 1986. Nobelova cena , přístup 11. ledna 2008 (angličtina, zejména přednáška Nobelovy ceny od G. Binniga a H. Rohrera).  
43. ↑ Jiwoong Park, et al. : Coulombova blokáda a Kondo efekt v jednoatomových tranzistorech . In: Příroda . páska 417 , č. 6890 , 2002, s. 722-725 , doi : 10,1038 / nature00791 . 
44. ↑ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, AH Wapstra: Hodnocení jaderných a rozpadových vlastností NUBASE . In: Jaderná fyzika . A 729, 2003, str. 3–128 , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 (anglicky, in2p3.fr [PDF; zpřístupněno 2. března 2014]). 
45. ↑ Vstup na izotopy. In: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, zpřístupněno 2. února 2014.
46. ^ Roger Barrett, Daphne Jackson , Habatwa Mweene: Podivný svět exotického atomu . In: Nový vědec . Ne. 1728 , 1990, str. 77–115 ( online [přístup 2. března 2014]). 
47. ^ Paul Indelicato: Exotické atomy . In: Physica Scripta . T112, 2004, s. 20-26 , doi : 10,1238 / Physica.Topical.112a00020 . 
48. ^ Barrett H. Ripin: Nedávné experimenty na exotických atomech . Americká fyzikální společnost, červenec 1998 ( online [přístup 2. března 2014]). 
49. ^ Craig J. Copi, David N. Schramm, Michael S Turner: Nukleosyntéza velkého třesku a baryonová hustota vesmíru . In: Věda . páska 267 , 1995, str. 192-199 , doi : 10,1126 / science.7809624 , PMID 7809624 . 
50. ^ Brian Abbott: Mikrovlnná trouba (WMAP) All-Sky Survey. (Již není k dispozici online.) Planetárium Hayden, 30. května 2007, archivováno od originálu 5. září 2008 ; zpřístupněno 2. března 2014 .  
51. ↑ DC Knauth, SR Federman, David L. Lambert, P. Crane: Nově syntetizované lithium v ​​mezihvězdném médiu . In: Příroda . páska 405 , 2000, str. 656-658 , doi : 10,1038 / 35015028 . 
52. ↑ Michael Banks: Planck odhaluje „téměř dokonalý“ vesmír. 21. března 2013, zpřístupněno 20. ledna 2014 .  
53. ↑ Masataka Fukugita, James Peebles: Inventář kosmické energie . 18. srpna 2004, arxiv : astro-ph / 0406095 (anglicky). 
54. ↑ Michael Richmond: Mezihvězdné médium: plyn. Citováno 12. března 2014 .  
55. ^ Arthur F. Davidsen: Daleko ultrafialová astronomie na raketoplánu Mission Astro-1 . In: Věda . páska 259 , č. 5093 , 1993, str. 327-334 , doi : 10,1126 / science.259,5093,327 , PMID 17832344 . 
56. ^ AGW Cameron: Množství prvků ve sluneční soustavě . In: Space Science Reviews . páska 15 , 1970, str. 121-146 . 
57. ^ Jeremy I. Pfeffer: Moderní fyzika: Úvodní text . Imperial College Press, 2000, ISBN 1-86094-250-4 , str. 330-336 . 
58. ^ Tatjana Jevremovic: Jaderné principy ve strojírenství . Springer, 2005, ISBN 0-387-23284-2 , str. 63 . 
59. ^ ER Cohen a kol. : Veličiny, jednotky a symboly ve fyzikální chemii . 3. Vydání. IUPAC & RSC Publishing, 2008, ISBN 978-0-85404-433-7 , str. 88, 92 (anglicky, online [PDF; přístup k 28. dubnu 2014]). Online ( Memento od 11. února 2014 v internetovém archivu ) 
60. ^ G. Audi, AH Wapstra, C. Thibault: Hodnocení atomové hmotnosti Ame 2003 (II) . In: Jaderná fyzika . A729, 2003, s. 337-676 (angličtina, online [přístup 2. března 2014]). 
61. ^ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik sv. 4: Jaderná, částicová a astrofyzika . 3. Vydání. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-01597-7 , ISSN  0937-7433 , str. 366-367 , doi : 10,1007 / 978-3-642-01598-4 . 
62. ^ Erwin W. Müller, John A. Panitz, S. Brooks McLane: Atom-Probe Field Ion Microscope . In: Review of Scientific Instruments . páska 39 , č. 1 , 1968, ISSN  0034-6748 , s. 83-86 , doi : 10,1063 / 1,1683116 . 
63. ↑ Jim Lochner, Meredith Gibb, Phil Newman: Co nám říká Spectra? NASA / Goddard Space Flight Center, 30. dubna 2007, zpřístupněno 2. března 2014 .  
64. ↑ Mark Winter: Helium. WebElements, 2007, přístup 2. března 2014 .  
65. ^ Albert Einstein: Nové stanovení molekulárních rozměrů . Bern 1905 ( online [PDF; přístup k 25. březnu 2014]). 
66. ↑ Christian Wiener: Vysvětlení atomistické povahy kapajícího kapalného stavu těla a jeho potvrzení prostřednictvím takzvaných molekulárních pohybů . In: Poggendorffovy anály . páska 118 , 1863, str. 79-94 . 
67. ^ G. Baur a kol.: Výroba antihydrogenu. V: Physics Letters B . 368, č. 3, 1996, str. 251-258, doi: 10,1016 / 0370-2693 (96) 00005-6 ; Předtisk online .