Atomas

Straipsnis iš Enciklopedijos Lietuvai ir Pasauliui (ELIP).
Peršokti į: navigaciją, paiešką
Anglies atomo nuotraukos gautos didžiausios skiriamosios gebos mikroskopu. Kadangi elektronai atome neturi apibrėžtų orbitų, tai atomas matomas kaip neryškus debesėlis. Pagrindinės būsenos anglies atomas yra rutuliuko pavidalo (a), tačiau sužadintas jis tampa panašus į aštuoniukę (b). Nuotraukos gautos Charkovo fizikos ir technologijos institute..

Turinys

Atomas (gr. άτομος 'nedalus') – mažiausia cheminio elemento dalelė, turinti jo savybes. Tai ir fizikos, ir chemijos objektas: fizikos metodais tiriama ir aprašoma atomo sandara, jo būsenos ir įvairūs procesai, vykstantys atome bei jam sąveikaujant su dalelėmis, o chemijai atomas svarbus kaip cheminio elemento ir molekulės sudedamoji dalis.

Istorija

Mažiausių nedalomų medžiagos dalelių idėja kilo Senovės Indijoje (Kanada, VI a. pr. m. e.) ir Senovės Graikijoje (Leukipas, Demokritas, V–IV a. pr. m. e.). Anot Demokrito mokymo, atomai yra nedalomos ir nesunaikinamos pirminės dalelės. Jos yra įvairaus dydžio ir formos, nuolat juda, tarpusavyje sukimba kabliukais ar nelygumais. Šį mokymą I a. pr. m. e. išsamiai aprašė romėnų poetas Lukrecijus Karas poemoje „Apie daiktų prigimtį”.

Atomų hipotezė ilgą laiką nebuvo pripažinta ir net pamiršta. Tik XVII a. R. Boyle atomų (jo vadintų korpuskulomis) jungimusi ir atsiskyrimu pradėjo aiškinti chemines reakcijas, netvarkingu jų judėjimu – šiluminius reiškinius. J. Dalton ėmė nagrinėti atomus kaip mažiausias cheminių elementų daleles, tačiau D. Mendelejevo sukurta periodinė elementų sistema (1869 m.) dar nesiejo elementų savybių su atomų savybėmis.

XIX a., remiantis atomų hipoteze, buvo sukurta kinetinė dujų teorija. To amžiaus antroje pusėje išplėtoti spektrų tyrimai liudijo, kad atomai yra sudėtingos dalelės. 1897 m. J. J. Thomson atrado pirmąją į atomo sudėtį įeinančią dalelę – elektroną.

1911 m. E. Rutherford eksperimentiškai įrodė, kad atomas turi mažą, masyvų branduolį ir pasiūlė planetinį atomo modelį: branduolį supa debesėlis aplink jį skriejančių elektronų. N. Bohr pagrindė šį modelį naudodamasis kvanto idėja ir 1922 m. paaiškino periodinę cheminių elementų sistemą atomų sandaros požiūriu.

19231927 m. N. Bohr, E. Schrödinger, W. Heisenberg ir kt., remdamiesi atomų spektrų tyrimais, sukūrė kvantinę mechaniką, kuri leido aprašyti ne tik atomus, bet ir molekules bei kitus mikroobjektus.

1919 m. E. Rutherford atrado masyvią, į branduolio sudėtį įeinančią elementariąją dalelę protoną, turinčią teigiamą elektros krūvį, o 1932 m. J. Chadwick aptiko panašios masės, bet neturinčią elektros krūvio dalelę neutroną. Padarius prielaidą, jog protonus ir neutronus susieja į branduolį labai stipri, bet tik mažais atstumais veikianti stiprioji sąveika, buvo paaiškinta branduolio sandara. Atomai yra sudėtingos, iš daugelio dalelių sudarytos sistemos, tad nors daugelis mokslininkų plėtojo atomo elektronų sluoksnių ir branduolio teoriją, ji nėra baigta iki šiol.

Atomo sandara

Didžioji atomo masės dalis yra sutelkta jo branduolyje, kurio dydis vos 10-14 - 10-15 m. Jis turi teigiamą elektros krūvį, kuris, išreikštas elementariojo krūvio vienetais, lygus protonų skaičiui branduolyje. Šis skaičius nurodo ir cheminio elemento eilės numerį periodinėje lentelėje (atominį numerį). Tačiau neutronų skaičius to paties elemento atomuose gali būti skirtingas, tos cheminio elemento atmainos vadinamos izotopais. Elektrinę stūmos jėgą tarp branduolio protonų nustelbia stiprioji sąveika, veikianti tarp visų branduolio dalelių. O tarp teigiamo branduolio ir neigiamų elektronų veikia elektrinė traukos jėga. Atomas, kuris yra elektriškai neutralus, turi tiek elektronų, kiek branduolyje yra protonų. Šiuo metu yra žinoma 118 cheminių elementų ir tiek pat atomų rūšių.

Atomo masė yra labai maža, tad jai matuoti įvestas specialus masės vienetas, vadinamas daltonu, kuris lygus anglies izotopo 12C atomo (turinčio 6 protonus ir 6 neutronus) 1/12 masės daliai (1,66054x10-27 kg). Kadangi elektrinė jėga yra toliasiekė, atomas neturi griežtos ribos. Jo spindulį apibūdina vidutinis išorinio elektrono atstumas nuo branduolio arba pusė atstumo tarp gretimų atomų kristalinėje gardelėje. Pildantis elektronų sluoksniams, vidutinis atomo spindulys didėja– nuo 0,5x10-10 m. (vandeniliui) iki 2,7x10-10 m (uranui).

Kvantinė atomo teorija

Kvantinė mechanika įrodė, kad mikropasaulyje galioja kitokie dėsniai, negu mums įprasti klasikinės mechanikos dėsniai. Elektronas negali vienu metu turėti tikslių padėties ir greičio verčių, taigi ir griežtos orbitos aplink branduolį. Be to, jis atome gali įgyti tik tam tikras energijos vertes. Elektrono būseną aprašo vadinamieji kvantiniai skaičiai. Kadangi atomui yra būdinga sferinė simetrija, du iš elektrono kvantinių skaičių yra susiję su orbitiniu judėjimo kiekio momentu: su jo verte l (Plancko konstantos h, padalytos iš 2π, vienetais) ir to momento projekcijos į z ašį verte ml. Be to, elektronas turi tik kvantiniam objektui būdingą savąjį judėjimo kiekio momentą, vadinamą sukiniu, tad įvedami kvantiniai skaičiai s ir ms. Šie dydžiai, kaip ir energija, gali įgyti tik tam tikras vertes. Dar vienas kvantinis skaičius n, vadinamas pagrindiniu, yra lygus elektrono banginės funkcijos mazgų skaičiui. Anot Paulio draudimo principo, du elektronai atome negali būti tos pačios būsenos, tai yra, turėti visus vienodus kvantinius skaičius.

Antrąjį Newtono dėsnį kvantinėje mechanikoje keičia Schrödingerio lygtis. Jos sprendinys – atomo banginė funkcija, kurią žinant galima apskaičiuoti įvairias mikroobjekto savybes bei vykstančių procesų tikimybes. Deja, Schrödingerio lygtį išspręsti algebriškai įmanoma tik paprasčiausiam vienelektroniam atomui. Daugiaelektronio atomo apytikslė banginė funkcija gali būti sudaryta iš atskirų elektronų banginių funkcijų, darant prielaidą, kad kiekvienas elektronas atome išlaiko tam tikrą individualumą.

Elektronų sluoksnių sandara

Elektrono būseną atome apibūdina kvantinių skaičių rinkinys nlsmlms (kadangi elektrono sukinys turi vienintelę vertę 1/2, tai šis kvantinis skaičius dažniausiai nėra nurodomas). Projekcija ml gali įgyti tik 2l+1 verčių, o ms – tik dvi vertes (1/2 ir –1/2), tad, pagal Paulio draudimo principą, atomas gali turėti ne daugiau kaip 4l+2 elektronų su tais pačiais n ir l kvantiniais skaičiais. Ta atomo elektronų grupė yra vadinama sluoksniu ir žymima nlN; čia N yra elektronų skaičius sluoksnyje. Jei N = 4l+2, sluoksnis vadinamas užpildytu, jei N < 4l+2 – atviru. Elektronai atome pirmiausia užpildo lygmenis su mažiausia energija (arčiausiai branduolio), tai atitinka mažiausias n ir su tam tikromis išimtimis – mažiausias l vertes. Duotam n kvantinis skaičius l gali įgyti vertes nuo 0 iki n–1, kurios žymimos simboliais: 0 – s, 1 – p, 2 – d, 3 – f ir t. t. Elektronų pasiskirstymas sluoksniuose vadinamas elektronų konfigūracija; pavyzdžiui, neono atomui ji užrašoma taip: Ne 1s22s22p6, sieros atomui – S 1s22s22p63s23p4. Grupė sluoksnių su tuo pačiu kvantiniu skaičiumi n vadinama didžiuoju sluoksniu, jame gali būti ne daugiau kaip 2n2 elektronų. Vidinių elektronų būsenoms apibūdinti, ypač sunkiuose atomuose, geriau tinka kvantinių skaičių rinkinys nlsjmj; čia j yra pilnutinis kvantinis skaičius, o mj – jo projekcija į z ašį. Grupė elektronų, turinčių tuos pačius n, l ir j kvantinius skaičius, yra vadinama pasluoksniu nljN, jame gali būti ne daugiau kaip 2j+1 elektronų. Elektronų sluoksnis išsiskiria į du pasluoksnius su j = l+1/2 ir j = l–1/2 vertėmis. Cheminių elementų daugumą fizikinių ir cheminių savybių lemia išoriniai atviri elektronų sluoksniai.

Atomo banginė funkcija, sudaryta iš vienelektronių funkcijų, ir ją apibūdinanti elektronų konfigūracija tik apytiksliai aprašo atomo būseną. Jo tikrinė funkcija išreiškiama kaip tokių funkcijų superpozicija, kurią atitinka konfigūracijų mišinys (tarp jų dažniausiai pagrindinį vaidmenį vaidina pradinė konfigūracija). Toks banginės funkcijos tikslinimo metodas, atsižvelgiantis į tam tikrą pataisinių konfigūracijų skaičių, yra vadinamas konfigūracijų maišymosi artiniu. Tai plačiausiai naudojamas patikslintas atomo teorijos metodas.

Teigiami bei neigiami jonai ir egzotiniai atomai

Atomas yra gana stabili sistema, nes elektronus su branduoliu susieja galingos elektrinės jėgos. Tačiau atomas, sąveikaudamas su fotonu, elektronu ar kita elementariąja dalele, taip pat susidurdamas su kitu atomu, gali būti sužadinamas (vienas ar keli elektronai peršoka į laisvas didesnės energijos būsenas) arba jonizuojamas (netenka elektronų). Energija, kuri reikalinga elektronui pašalinti iš kurio nors sluoksnio, vadinama elektrono ryšio energija tame sluoksnyje. Mažiausia energija, reikalinga pašalinti elektronui iš atomo, vadinama jonizacijos energija. Atomas, netekęs vieno ar daugiau elektronų, tampa teigiamu jonu; netekęs q elektronų – virsta n-kartiniu jonu Aq+. Atomas (daugumos elementų – tik trumpam laiko tarpui) gali prisijungti dar vieną elektroną; taip susidaro neigiamas jonas.

Atomas gali prisijungti ir sunkųjį elektroną miuoną ar netgi elektrono antidalelę – pozitroną. Toks atomas yra vadinamas egzotiniu. Dėl didelės masės miuonas skrieja labai arti branduolio, tad jo spinduliuotė labai priklauso nuo branduolio savybių – krūvio pasiskirstymo jame, formos, magnetinio momento. Tad miuoninių atomų spektrai teikia svarbios informacijos apie atomų branduolius. Tokie egzotiniai atomai yra gaunami protonais bombarduojant medžiagą; smūgių metu susidaro miuonų ir kai kuriuos iš jų „pagrobia“ atomai.

Atomo teorija Lietuvoje

Kvantinę atomo teoriją Lietuvoje plėtoti pradėjo Adolfas Jucys ketvirtajame XX a. dešimtmetyje. Pokario laikotarpiu A. Jucys, pasiūlęs daugiakonfigūracines atomo lygtis ir numatęs atomo teorijos tikslinimo galimybes, kartu su savo mokiniais ėmėsi išsamių tyrimų ir skaičiavimų. Išplėtota judėjimo kiekio momento teorija, parengti grafiniai tos teorijos dydžių nagrinėjimo metodai (A. Jucys, J. Levinsonas, V. Vanagas), išvystyta atomų su atvirais sluoksniais teorija (A. Jucys, A. Savukynas, Z. Rudzikas). Prof. A. Jucys sukūrė atomo teorijos mokyklą, kuri tęsia sudėtingų atomų tyrimus: buvo išplėtota reliatyvistinė atomo teorija, kvazisukinio ir izosukinio matematinis aparatas (Z. Rudzikas, J. Kaniauskas), Röntgeno ir Auger spektrų teorija, spektrų bendrųjų charakteristikų metodas (R. Karazija), atomo sąveika su spinduliuote (A. Kupliauskienė), sukurti originalūs algoritmai ir programinė įranga atomų savybėms tirti (P. Bogdanovičius, S. Kučas, G. Gaigalas). Tyrimų rezultatai pritaikyti eksperimentiniams spektrams interpretuoti, termobranduolinės, lazerinės ir astrofizikinės plazmos savybėms nagrinėti. Atomo teorijos darbai vykdomi Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institute, Atomo teorijos skyriuje.

Reikšmingas Lietuvos fizikų indėlis į atomo teoriją buvo įvertintas penkiomis Lietuvos mokslo premijomis.

Apie Lietuvoje vykdomus atomo branduolio teorinius ir taikomuosius darbus rašoma straipsnyje „Atomo branduolys“.

Atomą sudarančių elementariųjų dalelių savybės

Dalelė Krūvis Masė
C (kulonais) element. krūvio vienet. kg daltonais
Elektronas –1,6021766 × 10-19 -1 9,109384 × 10–31 0,000549
Protonas 1,6021766 × 10-19 +1 1,672622 × 10–27 1,007276
Neutronas 0 0 1,674927 × 10–27 1,008665

Šaltiniai

  • A. Bandzaitis, D. Grabauskas. Kvantinė mechanika. Vilnius: Mokslas, 1975.
  • l. Ponomariovas. Anapus kvanto. Vilnius: Mokslas, 1977.
  • Z. Rudzikas. Atomas. Kn.: Visuotinė lietuvių enciklopedija. T.II. V.: Mokslo ir enciklopedijų leidybos institutas, 2002, p. 155.ISBN 5-420-01486-6
  • R. Karazija. Fizika humanitarams. Šiuolaikinė fizika. Vilnius: TEV, 1997, 221 p.:iliustr. ISBN 9986-546-16-8
  • R. Karazija. Fizikos istorija. Vilnius: Inforastras, 2002. 263 p.:iliustr. ISBN 9955-9578-0-8
  • R. Karazija. Atomas. 2015.


Autorius: Romualdas Karazija, 2015 m.


Pavyzdinis straipsnis Straipsnis „Atomas“ yra paskelbtas pavyzdiniu, taigi pripažintas vienu geriausių lietuviškosios Enciklopedijos Lietuvai ir pasauliui straipsnių. Jei matote, kaip pagerinti straipsnį nekenkiant prieš tai darytam darbui, visada prašome prisidėti.


Vikiteka

Leidėjai

Kitur naudojant ar cituojant šį straipsnį, būtina nurodyti jo leidėjus.

Leidėjai: