А́ТОМ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 2. Москва, 2005, стр. 466-470

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: М. А. Ельяшевич

А́ТОМ [франц. atome, от лат. atomus, от греч. ἄτομος (οσία) – не­де­ли­мая (сущ­ность)], час­ти­ца ве­ще­ст­ва, наи­мень­шая часть хи­мич. эле­мен­та, яв­ляю­щая­ся но­си­те­лем его свойств. А. ка­ж­до­го эле­мен­та ин­ди­ви­ду­аль­ны по строе­нию и свойст­вам и обо­зна­ча­ют­ся хи­мич. сим­во­ла­ми эле­мен­тов (напр., А. во­до­ро­да – Н, же­ле­за – Fe, рту­ти – Hg, ура­на – U и т. д.). А. мо­гут су­ще­ст­во­вать как в сво­бод­ном со­стоя­нии, так и в свя­зан­ном (см. Хи­ми­че­ская связь). Всё мно­го­об­ра­зие ве­ществ обу­слов­ле­но различными со­че­та­ния­ми А. ме­ж­ду со­бой. Свой­ст­ва га­зо­об­раз­ных, жид­ких и твёр­дых ве­ществ за­ви­сят от свойств со­став­ляю­щих их А. Все фи­зич. и хи­мич. свой­ст­ва А. оп­ре­деля­ют­ся его строе­ни­ем и под­чи­ня­ют­ся кван­то­вым за­ко­нам. (Об ис­то­рии раз­ви­тия уче­ния об А. см. в ст. Атом­ная фи­зи­ка.)

Общая характеристика строения атомов

А. со­сто­ит из тя­жё­ло­го яд­ра, об­ладаю­ще­го по­ло­жи­тель­ным элек­трич. за­ря­дом, и ок­ру­жаю­щих его лёг­ких элек­тро­нов с от­ри­ца­тель­ны­ми элек­трич. за­ря­да­ми, об­ра­зую­щих элек­трон­ные обо­лоч­ки А. Раз­ме­ры А. оп­ре­де­ля­ют­ся разме­ра­ми его внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки и ве­ли­ки по срав­не­нию с раз­ме­ра­ми яд­ра ато­ма. Ха­рак­тер­ные по­ряд­ки ди­а­мет­ров, пло­ща­дей по­пе­реч­но­го се­че­ния и объ­ё­мов ато­ма и яд­ра со­став­ля­ют: $\begin {array} {cccc} \text{Атом}&  10^{–8}\ \text{см} & 10^{–16} \ \text {см}^2 & 10^{–24}\ \text{см}^3 \\ \text{Ядро}&  10^{–12}\ \text{см} & 10^{–24}\ \text{см}^2 & 10^{–36}\ \text {см}^3 \end{array}$

Элек­трон­ные обо­лоч­ки А. не име­ют стро­го оп­ре­де­лён­ных гра­ниц, и зна­че­ния раз­ме­ров А. в боль­шей или мень­шей сте­пе­ни за­ви­сят от спо­со­бов их оп­ре­де­ле­ния.

За­ряд яд­ра – осн. ха­рак­те­ри­сти­ка А., обу­слов­ли­ваю­щая его при­над­леж­ность оп­ре­де­лён­но­му эле­мен­ту. За­ряд яд­ра все­гда яв­ля­ет­ся це­лым, крат­ным по­ло­жи­тель­но­му эле­мен­тар­но­му элек­трич. за­ря­ду, рав­но­му по аб­со­лют­но­му зна­че­нию за­ря­ду элек­тро­на $–e$. За­ряд яд­ра ра­вен $+Ze$, где $Z$ – по­ряд­ко­вый но­мер (атом­ный но­мер). $Z=1, 2, 3,...$ для А. по­сле­до­ва­тель­ных эле­мен­тов в пе­рио­дич. сис­те­ме хи­мич. эле­мен­тов, т. е. для ато­мов $\ce{H, He, Li,}$ ... . В ней­траль­ном А. яд­ро с за­ря­дом $+Ze$ удер­жи­ва­ет $Z$ элек­тро­нов с об­щим за­ря­дом $–Ze$. А. мо­жет по­те­рять или при­сое­ди­нить $𝑘$ элек­тро­нов и стать по­ло­жи­тель­ным или от­ри­ца­тель­ным ио­ном ($𝑘=1, 2, 3,$ ... – крат­ность его ио­ни­за­ции). К А. оп­ре­де­лён­но­го эле­мен­та час­то от­но­сят и его ио­ны. При на­пи­са­нии ио­ны от­ли­ча­ют от ней­траль­но­го А. ин­дек­сом $𝑘{+}$ и $𝑘–$; напр., $\ce{O}$ – ней­траль­ный А. ки­сло­ро­да, $\ce{O^+, O^{2+}, O^{3+}, ..., O^{8+}, O^{–}, O^{2–}}$ – его по­ло­жи­тель­ные и от­ри­ца­тель­ные ио­ны. Со­во­куп­ность ней­траль­но­го А. и ио­нов др. эле­мен­тов с тем же чис­лом элек­тро­нов об­ра­зу­ет изо­элек­трон­ный ряд, напр. ряд во­до­ро­до­по­доб­ных ато­мов $\ce{H, He^+, Li^{2+}, Be^{3+},}$ ... .

Крат­ность за­ря­да яд­ра А. эле­мен­тар­но­му за­ря­ду $e$ по­лу­чи­ла объ­яс­не­ние на ос­но­ва­нии пред­став­ле­ний о строе­нии яд­ра: $Z$ рав­но чис­лу про­то­нов в яд­ре, за­ряд про­то­на ра­вен $+e$. Мас­са ато­ма воз­рас­тает с уве­ли­че­ни­ем $Z$. Мас­са яд­ра А. при­бли­жён­но про­пор­цио­наль­на мас­со­во­му чис­лу $A$ – об­ще­му чис­лу про­то­нов и ней­тро­нов в яд­ре. Мас­са элек­тро­на (0,91·10–27 г) зна­чи­тель­но мень­ше (при­мер­но в 1840 раз) мас­сы про­то­на или ней­тро­на (1,67·10–24 г), по­это­му мас­са А. в осн. оп­ре­де­ля­ет­ся мас­сой его яд­ра.

А. дан­но­го эле­мен­та мо­гут от­ли­чать­ся мас­сой яд­ра (чис­ло про­то­нов $Z$ по­сто­ян­но, чис­ло ней­тро­нов $A–Z$ мо­жет ме­нять­ся); та­кие раз­но­вид­но­сти А. од­но­го и то­го же эле­мен­та на­зы­ва­ют­ся изо­то­па­ми. Раз­ли­чие мас­сы яд­ра поч­ти не ска­зы­ва­ет­ся на строе­нии элек­трон­ных обо­ло­чек дан­но­го А., за­ви­ся­щем от $Z$, и свой­ствах А. Наи­боль­шие от­ли­чия в свой­ст­вах (изо­топ­ные эф­фек­ты) по­лу­ча­ют­ся для изо­то­пов во­до­ро­да ($Z=1$) из-за боль­шой раз­ни­цы в мас­сах обыч­но­го лёг­ко­го А. во­до­ро­да ($A=1$), дей­те­рия ($A=2$) и три­тия ($A=3$).

Мас­са А. из­ме­ня­ет­ся от 1,67·10–24 г (для ос­нов­но­го изо­то­па А. во­до­ро­да, $Z=1, A=1$) до при­мер­но 4·10–22 г (для ато­мов транс­ура­но­вых эле­мен­тов). Наи­бо­лее точ­ные зна­че­ния масс А. мо­гут быть оп­ре­де­ле­ны ме­то­да­ми масс-спек­тро­ско­пии. Мас­са А. не рав­на в точ­но­сти сум­ме мас­сы яд­ра и масс элек­тро­нов, а не­сколь­ко мень­ше – на де­фект мас­сы $ΔM=W/c^2$, где $W$ – энер­гия об­ра­зо­ва­ния А. из яд­ра и элек­тро­нов (энер­гия свя­зи), $c$ – ско­рость све­та. Эта по­прав­ка по­ряд­ка мас­сы элек­тро­на $m_e$ для тя­жё­лых А., а для лёг­ких пре­неб­ре­жи­мо ма­ла (по­ряд­ка 10–4 $m_e$).

Энергия атома и её квантование

Бла­го­да­ря ма­лым раз­ме­рам и боль­шой мас­се атом­ное яд­ро мож­но при­бли­жён­но счи­тать то­чеч­ным и по­коя­щим­ся в цен­тре масс А. (об­щий центр масс яд­ра и элек­тро­нов на­хо­дит­ся вбли­зи яд­ра, а ско­рость дви­же­ния яд­ра от­но­си­тель­но цен­тра масс А. ма­ла по срав­не­нию со ско­ро­стя­ми дви­же­ния элек­тро­нов). Со­от­вет­ст­вен­но А. мож­но рас­смат­ри­вать как сис­те­му, в ко­то­рой $N$ элек­тро­нов с за­ря­да­ми $–e$ дви­жут­ся во­круг не­по­движ­но­го при­тя­ги­ваю­ще­го цен­тра. Дви­же­ние элек­тро­нов в А. про­ис­хо­дит в ог­ра­ни­чен­ном объ­ё­ме, т. е. яв­ля­ет­ся свя­зан­ным. Пол­ная внут­рен­няя энер­гия А. $E$ рав­на сум­ме ки­не­тич. энер­гий $T$ всех элек­тро­нов и по­тен­ци­аль­ной энер­гии $U$ – энер­гии при­тя­же­ния их ядром и от­тал­ки­ва­ния друг от дру­га.

Со­глас­но тео­рии А., пред­ло­жен­ной в 1913 Ниль­сом Бо­ром, в А. во­до­ро­да один элек­трон с за­ря­дом $–e$ дви­жет­ся во­круг не­под­виж­но­го цен­тра с за­ря­дом $+e$. В со­от­вет­ст­вии с клас­сич. ме­ха­ни­кой ки­не­тич. энер­гия та­ко­го элек­тро­на рав­на $$T=(1/2)m_ev^2=p^2/2m_e,\tag1$$ где $v$ – ско­рость, $p=m_ev$ – ко­ли­че­ст­во дви­же­ния (им­пульс) элек­тро­на. По­тен­ци­аль­ная энер­гия (сво­дя­щая­ся к энер­гии ку­ло­нов­ско­го при­тя­же­ния элек­тро­на ядром) рав­на $$U=U(r)=–e^2/r2\tag2$$ и за­ви­сит толь­ко от рас­стоя­ния $r$ элек­тро­на от яд­ра. Гра­фи­че­ски функ­ция $U(r)$ изо­бра­жа­ет­ся кри­вой, не­ог­ра­ни­чен­но убы­ваю­щей при умень­ше­нии $r$, т. е. при при­бли­же­нии элек­тро­на к яд­ру. Зна­че­ние $U(r)$ при $r→∞$ при­ня­то за нуль. При от­ри­ца­тель­ных зна­че­ни­ях пол­ной энер­гии $E=T+U{<}0$ дви­же­ние элек­тро­на яв­ля­ет­ся свя­зан­ным: оно ог­ра­ни­че­но в про­стран­ст­ве зна­че­ния­ми $r=r_{\text{макс}}$. При по­ло­жи­тель­ных зна­че­ни­ях пол­ной энер­гии $E=T+U{>}0$ дви­же­ние элек­тро­на яв­ля­ет­ся сво­бод­ным – он мо­жет уй­ти на бес­ко­неч­ность с энер­ги­ей $E=T= (1/2)m_ev^2$, что со­от­вет­ст­ву­ет ио­ни­зо­ван­но­му А. во­до­ро­да $\ce{H^+}$. Т. о., ней­т­раль­ный А. во­до­ро­да – сис­те­ма элек­тро­ста­ти­че­ски свя­зан­ных яд­ра и элек­тро­на с энер­ги­ей $E{<}0$.

Пол­ная внут­рен­няя энер­гия А. $E$ – его осн. ха­рак­те­ри­сти­ка как кван­то­вой сис­те­мы (см. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка). А. мо­жет дли­тель­но на­хо­дить­ся лишь в со­стоя­ни­ях с оп­ре­де­лён­ной энер­ги­ей – ста­цио­нар­ных (не­из­мен­ных во вре­ме­ни) со­стоя­ни­ях. Внут­рен­няя энер­гия кван­то­вой сис­те­мы, со­стоя­щей из свя­зан­ных мик­ро­час­тиц (в т. ч. А.), мо­жет при­ни­мать од­но из дис­крет­но­го (пре­рыв­но­го) ря­да зна­че­ний $$E_1, E_2, E_3, \ ... \ (E_1{<}E_2{<}E_3{<}...).\tag3$$

Рис. 1. Схема уровней энергии E1, E2, …, E∞ атома.

Ка­ж­до­му из этих «доз­во­лен­ных» зна­че­ний энер­гии со­от­вет­ст­ву­ет од­но или не­сколь­ко ста­цио­нар­ных кван­то­вых со­стоя­ний. Про­ме­жу­точ­ны­ми зна­че­ния­ми энер­гии (напр., ле­жа­щи­ми ме­ж­ду $E_1$ и $E_2, E_2$ и $E_3$ и т. д.) сис­те­ма об­ла­дать не ­может, о та­кой сис­те­ме го­во­рят, что её энер­гия кван­то­ва­на. Лю­бое из­ме­не­ние $E$ свя­за­но с кван­то­вым (скач­ко­об­раз­ным) пе­ре­хо­дом сис­те­мы из од­но­го ста­цио­нар­но­го кван­то­во­го со­стоя­ния в дру­гое (см. ни­же).

Воз­мож­ные дис­крет­ные зна­че­ния (3) энер­гии А. гра­фи­че­ски мож­но изо­бра­зить по ана­ло­гии с по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей те­ла, под­ня­то­го на разл. вы­со­ты (на разл. уров­ни), в ви­де схе­мы уров­ней энер­гии, где ка­ж­до­му зна­че­нию энер­гии со­от­вет­ст­ву­ет пря­мая, про­ве­дён­ная на вы­со­те $E_i, i=1, 2, 3,$ ... (рис. 1). Са­мый ниж­ний уро­вень $E_1$, со­от­вет­ст­вую­щий наи­мень­шей воз­мож­ной энер­гии ато­ма, на­зы­ва­ет­ся ос­нов­ным, а все ос­таль­ные ($E_i{>}E_1, i=2, 3, 4,$ ...) – воз­бу­ж­дён­ны­ми, т. к. для пе­ре­хо­да на них (пе­ре­хо­да в со­от­вет­ст­вую­щие ста­цио­нар­ные воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния из ос­нов­но­го) не­об­хо­ди­мо воз­бу­дить сис­те­му – со­об­щить ей из­вне энер­гию $E_i–E_1$.

Кван­то­ва­ние энер­гии А. яв­ля­ет­ся след­ст­ви­ем вол­но­вых свойств элек­тро­нов. Со­глас­но прин­ци­пу кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­во­го дуа­лиз­ма, дви­же­нию мик­ро­час­ти­цы мас­сы $m$ со ско­ро­стью $v$ со­от­вет­ству­ет дли­на вол­ны $λ=h/mv$, где $h$ – по­сто­ян­ная План­ка. Для элек­тро­на в А. $λ$ по­ряд­ка 10–8см, т. е. по­ряд­ка ли­ней­ных раз­ме­ров А., и учёт вол­но­вых свойств элек­тро­на в А. яв­ля­ет­ся не­об­хо­ди­мым. Свя­зан­ное дви­же­ние элек­тро­на в А. схо­же со стоя­чей вол­ной, и его сле­ду­ет рас­смат­ри­вать не как дви­же­ние ма­те­риаль­ной точ­ки по тра­ек­то­рии, а как слож­ный вол­но­вой про­цесс. Для стоя­чей вол­ны в ог­ра­ни­чен­ном объ­ё­ме воз­мож­ны лишь оп­ре­де­лён­ные зна­че­ния дли­ны вол­ны $λ$ (и, сле­до­ва­тель­но, час­то­ты ко­ле­ба­ний $ν$). Со­глас­но кван­то­вой ме­ха­ни­ке, энер­гия ато­ма $E$ свя­за­на с $ν$ со­от­но­ше­ни­ем $E=hν$ и по­это­му мо­жет при­ни­мать лишь оп­ре­де­лён­ные зна­че­ния. Сво­бод­ное, не ог­ра­ни­чен­ное в про­стран­ст­ве по­сту­па­тель­ное дви­же­ние мик­ро­час­ти­цы, напр. дви­же­ние элек­тро­на, ото­рван­но­го от А. (с энер­ги­ей $E{>}0$), сход­но с рас­про­стра­не­ни­ем бе­гу­щей вол­ны в не­ог­ра­ни­чен­ном объ­ё­ме, для ко­то­рой воз­мож­ны лю­бые зна­че­ния $λ$ (и $ν$). Энер­гия та­кой сво­бод­ной мик­ро­час­ти­цы мо­жет при­ни­мать лю­бые зна­че­ния (не кван­ту­ет­ся, име­ет не­пре­рыв­ный энер­ге­тич. спектр). Та­кая не­пре­рыв­ная по­сле­до­ва­тель­ность со­от­вет­ст­ву­ет ио­ни­зо­ван­но­му А. Значе­ние $E_∞= 0$ со­от­вет­ст­ву­ет гра­ни­це иони­за­ции; раз­ность $E_∞–E_1=E_{\text{ион}}$ на­зы­ва­ет­ся энер­ги­ей ио­ни­за­ции (см. в ст. Иони­за­ци­он­ный по­тен­ци­ал); для А. во­до­ро­да она рав­на 13,6 эВ.

Распределение электронной плотности

Точ­ное по­ло­же­ние элек­тро­на в ато­ме в дан­ный мо­мент вре­ме­ни ус­та­но­вить нель­зя вслед­ст­вие не­оп­ре­де­лён­но­стей соот­но­ше­ния­. Со­стоя­ние элек­тро­на в А. оп­ре­де­ля­ет­ся его вол­но­вой функ­ци­ей, оп­ре­де­лён­ным об­ра­зом за­ви­ся­щей от его ко­ор­ди­нат; квад­рат мо­ду­ля вол­но­вой функ­ции ха­рак­те­ри­зу­ет плот­ность ве­ро­ят­но­сти на­хо­ж­де­ния элек­тро­на в дан­ной точ­ке про­стран­ст­ва. Вол­но­вая функ­ция в яв­ном ви­де яв­ля­ет­ся ре­ше­ни­ем Шрё­дин­ге­ра урав­не­ния.

Т. о., со­стоя­ние элек­тро­на в А. мож­но ха­рак­те­ри­зо­вать рас­пре­де­ле­ни­ем в про­стран­ст­ве его элек­трич. за­ря­да с не­ко­то­рой плот­но­стью – рас­пре­де­ле­ни­ем элек­трон­ной плот­но­сти. Элек­тро­ны как бы «раз­ма­за­ны» в про­стран­ст­ве и об­ра­зу­ют «элек­трон­ное об­ла­ко». Та­кая мо­дель пра­виль­нее ха­рак­те­ри­зу­ет элек­тро­ны в А., чем мо­дель то­чеч­но­го элек­тро­на, дви­жу­ще­го­ся по стро­го оп­ре­де­лён­ным ор­би­там (в тео­рии ато­ма Бо­ра). Вме­сте с тем ка­ж­дой та­кой бо­ров­ской ор­би­те мож­но со­пос­та­вить кон­крет­ное рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти. Для осн. уров­ня энер­гии $E_1$ элек­трон­ная плот­ность кон­цен­три­ру­ет­ся вбли­зи яд­ра; для воз­бу­ж­дён­ных уров­ней энер­гии $E_2, E_3, E_4,$ ... она рас­пре­де­ля­ет­ся на всё бoльших сред­них рас­стоя­ни­ях от яд­ра. В мно­го­элек­трон­ном А. элек­тро­ны груп­пи­ру­ют­ся в обо­лоч­ки, ок­ру­жаю­щие яд­ро на разл. рас­стоя­ни­ях и ха­ракте­ри­зую­щие­ся оп­ре­де­лён­ны­ми рас­пре­де­ле­ния­ми элек­трон­ной плот­но­сти. Проч­ность свя­зи элек­тро­нов с ядром во внеш­них обо­лоч­ках мень­ше, чем во внут­рен­них, и сла­бее все­го элек­тро­ны свя­за­ны в са­мой внеш­ней обо­лоч­ке, об­ла­даю­щей наи­боль­ши­ми раз­ме­ра­ми.

Учёт спина электрона и спина ядра

В тео­рии А. весь­ма су­ще­ст­вен учёт спи­на элек­тро­на – его соб­ст­вен­но­го (спи­но­во­го) мо­мен­та ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния, с на­гляд­ной точ­ки зре­ния со­от­вет­ст­вую­ще­го вра­ще­нию элек­тро­на во­круг соб­ст­вен­ной оси (ес­ли элек­трон рас­смат­ри­вать как час­ти­цу ма­лых раз­ме­ров). Со спи­ном элек­тро­на свя­зан его соб­ст­вен­ный (спи­но­вый) маг­нит­ный мо­мент. По­это­му в А. не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать, на­ря­ду с элек­тро­ста­тич. взаи­мо­дей­ст­вия­ми, и маг­нит­ные взаи­мо­дей­ст­вия, оп­ре­де­ляе­мые спи­но­вым маг­нит­ным мо­мен­том и ор­би­таль­ным маг­нит­ным мо­мен­том, свя­зан­ным с дви­же­ни­ем элек­тро­на во­круг яд­ра; маг­нит­ные взаи­мо­дей­ст­вия ма­лы по срав­не­нию с элек­троста­ти­че­ски­ми. Наи­бо­лее су­ще­ст­вен­но влия­ние спи­на в мно­го­элек­трон­ных А.: от спи­на элек­тро­нов за­ви­сит за­пол­не­ние элек­трон­ных обо­ло­чек А. оп­ре­де­лён­ным чис­лом элек­тро­нов.

Яд­ро в А. так­же мо­жет об­ла­дать соб­ст­вен­ным ме­ха­нич. мо­мен­том – ядер­ным спи­ном, с ко­то­рым свя­зан ядер­ный маг­нит­ный мо­мент в сот­ни и ты­ся­чи раз мень­ший элек­трон­но­го. Су­ще­ст­во­ва­ние спи­нов при­во­дит к до­пол­ни­тель­ным, очень ма­лым взаи­мо­дей­ст­ви­ям яд­ра и элек­тро­нов (см. ниже).

Квантовые состояния атома водорода

Важ­ней­шую роль в кван­то­вой тео­рии А. иг­ра­ет тео­рия про­стей­ше­го од­но­элек­трон­но­го А., со­стоя­ще­го из яд­ра с за­ря­дом $+Ze$ и элек­тро­на с за­ря­дом $–e$, т. е. тео­рия А. во­до­ро­да $\ce{H}$ и во­до­ро­до­по­доб­ных ио­нов $\ce{He^+, Li^{2+}, Be^{3+},}$ ... , на­зы­вае­мая обыч­но тео­ри­ей А. во­до­ро­да. Ме­то­да­ми кван­то­вой ме­ха­ни­ки мож­но по­лу­чить точ­ную и пол­ную ха­рак­тери­сти­ку со­стоя­ний элек­тро­на в од­но­элек­трон­ном А. За­да­ча о мно­го­элек­трон­ных А. ре­ша­ет­ся лишь при­бли­жён­но; при этом ис­хо­дят из ре­зуль­та­тов ре­ше­ния за­да­чи об од­но­элек­трон­ном А.

Энер­гия од­но­элек­трон­но­го А. в не­ре­ля­ти­ви­ст­ском при­бли­же­нии (без учё­та спи­на элек­тро­на) рав­на $$E_n=-RZ^2/n^2,\tag4$$ це­лое чис­ло $n= 1, 2, 3,$ ... оп­ре­де­ля­ет воз­мож­ные дис­крет­ные зна­че­ния энер­гии – уров­ни энер­гии – и на­зы­ва­ет­ся глав­ным кван­то­вым чис­лом, $R$ – по­сто­ян­ная Рид­бер­га, рав­ная 13,6 эВ. Уров­ни энер­гии А. схо­дят­ся (сгу­ща­ют­ся) к гра­ни­це ио­ни­за­ции $E_∞= 0$, со­от­вет­ст­вую­щей $n=∞$. Для во­до­ро­до­по­доб­ных ио­нов из­ме­ня­ет­ся (в $Z^2$ раз) лишь мас­штаб зна­че­ний энер­гий. Энер­гия ио­ни­за­ции во­до­ро­до­по­доб­но­го А. (энер­гия свя­зи элек­тро­на) рав­на (в эВ) $$E_{\text{ион}}=E_∞–E_1=RZ^2=13,6 \ Z^2,\tag5$$ что да­ёт для $\ce{H, He^+, Li^{2+}}$, ... зна­че­ния 13,6 эВ, 54,4 эВ, 122,4 эВ, ... .

Осн. фор­му­ла (4) со­от­вет­ст­ву­ет вы­раже­нию $U(r)=–Ze^2/r$ для по­тен­ци­аль­ной энер­гии элек­тро­на в элек­трич. по­ле яд­ра с за­ря­дом $+Ze$. Эта фор­му­ла бы­ла впер­вые вы­ве­де­на Н. Бо­ром пу­тём рас­смот­ре­ния дви­же­ния элек­тро­на во­круг яд­ра по кру­го­вой ор­би­те ра­диу­са $r$ и явля­ет­ся точ­ным ре­ше­ни­ем урав­не­ния Шрё­дин­ге­ра для та­кой сис­те­мы. Уров­ням энер­гии (4) со­от­вет­ст­ву­ют ор­би­ты ра­диу­са $$a_{nZ}=a_0n^2/Z,\tag6$$ где по­сто­ян­ная $a_0=0,529·10^{–8}$ см $= 0,529 Å$ – ра­ди­ус пер­вой кру­го­вой ор­биты А. во­до­ро­да, со­от­вет­ст­вую­щей его осн. уров­ню (этим бо­ров­ским ра­диу­сом час­то поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве удоб­ной еди­ни­цы для из­ме­ре­ний длин в атом­ной фи­зи­ке). Ра­ди­ус ор­бит про­пор­цио­на­лен квад­ра­ту глав­но­го кван­то­во­го чис­ла $n^2$ и об­рат­но про­пор­цио­на­лен $Z$; для во­до­ро­до­по­доб­ных ио­нов мас­штаб ли­ней­ных раз­ме­ров умень­ша­ет­ся в $Z$ раз по срав­не­нию с А. во­до­ро­да. Ре­ля­ти­ви­ст­ское опи­са­ние ато­ма во­до­ро­да с учё­том спи­на элек­тро­на да­ёт­ся Ди­ра­ка урав­не­ни­ем.

Со­глас­но кван­то­вой ме­ха­ни­ке, со­стоя­ние А. во­до­ро­да пол­но­стью оп­ре­де­ля­ется дис­крет­ны­ми зна­че­ния­ми че­ты­рёх фи­зич. ве­ли­чин: энер­гии $E$; ор­би­таль­но­го мо­мен­та $M_l$ (мо­мен­та ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния элек­тро­на от­но­си­тель­но яд­ра); про­ек­ции $M_{lz}$ ор­би­таль­но­го мо­мен­та на про­из­воль­но вы­бран­ное на­прав­ле­ние $z$; про­ек­ции $M_{sz}$ спи­но­во­го мо­мен­та (соб­ст­вен­но­го мо­мен­та ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния элек­тро­на $M_s$). Воз­мож­ные зна­че­ния этих фи­зич. ве­ли­чин, в свою оче­редь, оп­ре­де­ля­ют­ся кван­то­вы­ми чис­ла­ми $n, l, m_l, m_s$ со­от­вет­ст­вен­но. В при­бли­жении, ко­гда энер­гия А. во­до­ро­да опи­сы­ва­ет­ся фор­му­лой (4), она оп­ре­де­ля­ет­ся толь­ко глав­ным кван­то­вым чис­лом $n$, при­ни­маю­щим це­ло­чис­лен­ные зна­че­ния 1, 2, 3, … . Уров­ню энер­гии с за­дан­ным $n$ со­от­вет­ст­ву­ет не­сколь­ко со­стоя­ний, раз­ли­чаю­щих­ся зна­че­ния­ми ор­би­таль­но­го (ази­му­таль­но­го) кван­то­во­го чис­ла $l=0, 1, …, n-1$. Со­стоя­ния с за­дан­ны­ми зна­че­ния­ми $n$ и $l$ при­ня­то обо­зна­чать как $1s, 2s, 2p, 3s,$ ..., где циф­ры ука­зы­ва­ют зна­че­ние $n$, а бу­к­вы $s, р, d, f$ (даль­ше по лат. ал­фа­ви­ту) – со­от­вет­ст­вен­но зна­че­ния $l= 0, 1, 2, 3,$ ... . При за­дан­ных $n$ и $l$ чис­ло разл. со­стоя­ний рав­но $2(2l+1)$ – чис­лу ком­би­на­ций зна­че­ний маг­нит­но­го ор­би­таль­но­го кван­то­во­го чис­ла $m_l$ и маг­нит­но­го спи­но­во­го чис­ла $m_s$ (пер­вое при­ни­ма­ет $2l+1$ зна­че­ний, вто­рое – 2 зна­че­ния). Об­щее чис­ло разл. со­стоя­ний с за­дан­ны­ми $n$ и $l$ по­лу­ча­ет­ся рав­ным $2n^2$. Т. о., ка­ж­до­му уров­ню энер­гии А. во­до­ро­да со­от­вет­ст­ву­ет 2, 8, 18, ..., $2n^2$ (при $n=$ 1, 2, 3, ...) разл. ста­цио­нар­ных кван­то­вых со­стоя­ний. Ес­ли уров­ню энер­гии со­от­вет­ст­ву­ет лишь од­но кван­то­вое со­стоя­ние, то его на­зы­ва­ют не­вы­ро­ж­ден­ным, ес­ли два или бо­лее – вы­ро­ж­ден­ным (см. Вы­ро­ж­де­ние в кван­то­вой тео­рии), а чис­ло та­ких со­стоя­ний $g$ на­зы­ва­ет­ся сте­пе­нью или крат­но­стью вы­ро­ж­де­ния (для не­вы­ро­ж­ден­ных уров­ней энер­гии $g=$ 1). Уров­ни энер­гии А. во­до­ро­да яв­ля­ют­ся вы­рож­ден­ны­ми, а их сте­пень вы­ро­ж­де­ния $g_n=2n^2$.

Для разл. со­стоя­ний А. во­до­ро­да по­лу­ча­ет­ся и раз­ное рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти. Оно за­ви­сит от кван­то­вых чи­сел $n, l$ и $|m_l|$. При этом элек­трон­ная плот­ность для $s$-cocтояний ($l=$ 0) от­лич­на от ну­ля в цен­тре, т. е. в мес­те на­хо­ж­де­ния яд­ра, и не за­ви­сит от на­прав­ле­ния (сфе­ри­че­ски сим­мет­рич­на), а для ос­таль­ных со­стоя­ний ($l{>}0$) она рав­на ну­лю в цен­тре и за­ви­сит от на­прав­ле­ния. Рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти для со­стоя­ний А. во­до­ро­да с $n=$ 1, 2, 3 по­ка­за­но на рис. 2; раз­ме­ры «элек­трон­но­го об­ла­ка» рас­тут в со­от­вет­ст­вии с фор­му­лой (6) про­пор­цио­наль­но $n^2$ (мас­штаб на рис. 2 умень­ша­ет­ся при пе­ре­хо­де от $n=1$ к $n=2$ и от $n= 2$ к $n= 3$). Кван­то­вые со­стоя­ния элек­тро­на в во­до­ро­до­по­доб­ных ио­нах ха­рак­те­ри­зу­ют­ся те­ми же че­тырь­мя кван­то­вы­ми чис­ла­ми $n, l, m_l$ и $m_s$, что и в А. во­до­ро­да. Со­хра­ня­ет­ся и рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти, толь­ко она уве­ли­чи­ва­ет­ся в $Z$ раз.

Действие на атом внешних полей

Рис. 2. Распределения электронной плотности в одноэлектронном атоме для состояний с n=1, 2 и 3 (получены фотографированием специальных моделей).

А. как элек­трич. сис­те­ма во внеш­нем элек­трич. и маг­нит­ном по­лях при­об­ре­та­ет до­пол­нит. энер­гию. Элек­трич. по­ле по­ля­ри­зу­ет А. – сме­ща­ет элек­трон­ные об­ла­ка от­но­си­тель­но яд­ра (см. По­ля­ри­зуе­мость ато­мов, ио­нов и мо­ле­кул), а маг­нит­ное по­ле ори­ен­ти­ру­ет оп­ре­де­лён­ным об­ра­зом маг­нит­ный мо­мент А., свя­зан­ный с дви­же­ни­ем элек­тро­на во­круг яд­ра (с ор­би­таль­ным мо­мен­том $M_l$) и его спи­ном. Разл. со­стоя­ни­ям А. во­до­ро­да с той же энер­ги­ей $E_n$ во внеш­нем по­ле со­от­вет­ст­ву­ют раз­ные зна­че­ния до­пол­нит. энер­гии $ΔE$, и вы­ро­ж­ден­ный уро­вень энер­гии $E_n$ рас­ще­п­ля­ет­ся на ряд по­ду­ров­ней. Как рас­ще­п­ле­ние уров­ней энер­гии в элек­трич. по­ле – Штар­ка эф­фект, – так и их рас­ще­п­ле­ние в маг­нит­ном по­ле – Зее­ма­на эф­фект – про­пор­цио­наль­ны на­пря­жён­но­стям со­от­вет­ст­вую­щих по­лей.

К рас­ще­п­ле­нию уров­ней энер­гии при­во­дят и ма­лые маг­нит­ные взаи­мо­дей­ствия внут­ри А. Для А. во­до­ро­да и водо­ро­до­по­доб­ных ио­нов име­ет ме­сто спин-ор­би­таль­ное взаи­мо­дей­ст­вие – взаи­мо­дей­ст­вие спи­но­во­го и ор­би­таль­но­го мо­мен­тов элек­тро­на; оно обу­слов­ли­ва­ет т. н. тон­кую струк­ту­ру уров­ней энер­гии – рас­ще­п­ле­ние воз­бу­ж­дён­ных уров­ней $E_n$ (при $n{>}1$) на по­ду­ров­ни. Для всех уров­ней энер­гии А. во­до­ро­да на­блю­да­ет­ся и сверх­тон­кая струк­ту­ра, обу­слов­лен­ная очень ма­лы­ми маг­нит­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми ядер­но­го спи­на с элек­трон­ны­ми мо­мен­та­ми.

Электронные оболочки многоэлектронных атомов

Тео­рия А., со­дер­жа­щих 2 или бо­лее элек­тро­нов, прин­ци­пи­аль­но от­ли­ча­ет­ся от тео­рии А. во­до­ро­да, т. к. в та­ком А. име­ют­ся взаи­мо­дей­ст­вую­щие друг с дру­гом оди­на­ко­вые час­ти­цы – элек­тро­ны. Вза­им­ное от­тал­ки­ва­ние элек­тро­нов в мно­го­элек­трон­ном А. су­ще­ст­вен­но умень­ша­ет проч­ность их свя­зи с ядром. Напр., энер­гия от­ры­ва един­ст­вен­но­го элек­тро­на в ио­не ге­лия ($\ce{He^+}$) рав­на 54,4 эВ, в ней­траль­ном же ато­ме ге­лия в ре­зуль­та­те от­тал­ки­ва­ния элек­тро­нов энер­гия от­ры­ва од­но­го из них умень­ша­ет­ся до 24,6 эВ. Для внеш­них элек­тро­нов бо­лее тя­жё­лых А. умень­шение проч­но­сти их свя­зи из-за от­тал­ки­ва­ния внут­рен­ни­ми элек­тро­на­ми ещё бо­лее зна­чи­тель­но. Важ­ную роль в мно­го­элек­трон­ных А. иг­ра­ют свой­ст­ва элек­тро­нов как оди­на­ко­вых мик­ро­час­тиц (см. То­ж­де­ст­вен­но­сти прин­цип), об­ладаю­щих спи­ном $s=$ 1/2, для ко­то­рых спра­вед­лив Пау­ли прин­цип. Со­глас­но это­му прин­ци­пу, в сис­те­ме элек­тро­нов не мо­жет быть бо­лее од­но­го элек­тро­на в ка­ж­дом кван­то­вом со­стоя­нии, что при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию элек­трон­ных обо­ло­чек А., за­пол­няю­щих­ся стро­го оп­ре­де­лён­ны­ми чис­ла­ми элек­тро­нов.

Учи­ты­вая не­раз­ли­чи­мость взаи­мо­дей­ст­вую­щих ме­ж­ду со­бой элек­тро­нов, име­ет смысл го­во­рить толь­ко о кван­то­вых со­стоя­ни­ях А. в це­лом. Од­на­ко при­ближён­но мож­но рас­смат­ри­вать кван­товые со­стоя­ния от­дель­ных элек­тро­нов и ха­рак­те­ри­зо­вать ка­ж­дый из них со­вокуп­но­стью кван­то­вых чи­сел $n, l, m_l$ и $m_s$, ана­ло­гич­но элек­тро­ну в А. во­до­ро­да. При этом энер­гия элек­тро­на ока­зы­ва­ет­ся за­ви­ся­щей не толь­ко от $n$, как в А. во­до­ро­да, но и от $l$; от $m_l$ и $m_s$ она по-преж­не­му не за­ви­сит. Элек­тро­ны с дан­ны­ми $n$ и $l$ в мно­го­элек­трон­ном А. име­ют оди­на­ко­вую энер­гию и об­ра­зу­ют оп­ре­де­лён­ную элек­трон­ную обо­лоч­ку. Та­кие эк­ви­ва­лент­ные элек­тро­ны и об­ра­зо­ван­ные ими обо­лоч­ки обо­зна­ча­ют, как и кван­то­вые со­стоя­ния и уров­ни энер­гии с за­дан­ны­ми $n$ и $l$, сим­во­лами $ns, nр, nd, nf,$ ... (для $l=$ 0, 1, 2, 3, ...) и го­во­рят о $2p$-элек­тро­нах, $3s$-oбо­лочках и т. п.

Со­глас­но прин­ци­пу Пау­ли, лю­бые 2 элек­тро­на в А. долж­ны на­хо­дить­ся в разл. кван­то­вых со­стоя­ни­ях и, сле­до­ва­тель­но, от­ли­чать­ся хо­тя бы од­ним из че­ты­рёх кван­то­вых чи­сел $n, l, m_l$ и $m_s$, а для эк­ви­ва­лент­ных элек­тро­нов ($n$ и $l$ оди­на­ко­вы) – зна­че­ния­ми $m_l$ и $m_s$. Чис­ло пар $m_l, m_s$, т. е. чис­ло разл. кван­товых со­стоя­ний элек­тро­на с за­дан­ны­ми $n$ и $l$, и есть сте­пень вы­ро­ж­де­ния его уров­ня энер­гии $g_l= 2$ $(2l+1)=2, 6, 10, 14,$ ... . Оно оп­ре­де­ля­ет чис­ло элек­тро­нов в пол­но­стью за­пол­нен­ных элек­трон­ных обо­лоч­ках. Т. о., $s$-, $p$-, $d$-, $f$-, ... обо­лоч­ки за­пол­ня­ют­ся 2, 6, 10, 14, ... элек­тро­на­ми, не­за­ви­си­мо от зна­че­ния $n$. Элек­тро­ны с дан­ным $n$ об­ра­зу­ют слой, со­стоя­щий из обо­ло­чек с $l=$ 0, 1, 2, ..., $n-1$ и за­пол­няе­мый $2n^2$ элек­тро­на­ми, т. н. $K$-, $L$-, $M$-, $N$-слой. При пол­ном за­пол­не­нии име­ем:

$\begin{array}{ccccc} n \ . \ .\ . \ . \ . \ . & 1 & 2 & 3 & 4 \\ \text{Слой} \ . \ .\ . \ .  & K\text{-слой} & L\text{-слой} & M\text{-слой} & N\text{-слой} \\ l \ . \ . \ . \ .\ . \ . & 0 & 0 \quad 1 & 0 \quad 1 \quad 2 & 0 \quad 1 \quad 2 \quad 3 \\ \text{Оболочка}. \ . & 1s & 2s \quad 2p & 3s \quad 3 p \quad 3d & 4s \quad 4p \quad 4d \quad 4f \\ \text{Число электронов в слое} & 2 & \underbrace{2 \ + \ 6}_8 & \underbrace {2 \ + \ 6 \ + 10}_{18} & \underbrace{2 \ +\ 6 \ +10 \ +14}_{32}\end{array}$

В ка­ж­дом слое обо­лоч­ки с мень­ши­ми $l$ ха­рак­те­ри­зу­ют­ся бoльшей элек­трон­ной плот­но­стью. Проч­ность свя­зи элек­тро­на с ядром умень­ша­ет­ся с уве­ли­чени­ем $n$, а при за­дан­ном $n$ – с уве­ли­чением $l$. Чем сла­бее свя­зан элек­трон в со­от­вет­ст­вую­щей обо­лоч­ке, тем вы­ше ле­жит его уро­вень энер­гии. Яд­ро с за­дан­ным $Z$ присое­ди­ня­ет элек­тро­ны в по­ряд­ке умень­ше­ния проч­но­сти их свя­зи: сна­ча­ла два элек­тро­на $1s$, за­тем два элек­тро­на $2s$, шесть элек­тро­нов $2p$ и т. д. А. ка­ж­до­го хи­мич. эле­мен­та при­су­ще оп­ре­де­лён­ное рас­пре­де­ле­ние элек­тро­нов по обо­лоч­кам – его элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция, напр.: $$\begin{array}{ccccccc} \ce{H} & \ce{He} & \ce{Li} & \ce{Be} & \ce{B} & \ce{C} & \ce{N} \\ 1s & 1s^2 & 1s^22s & 1s^22s^2 & 1s^22s^22p & 1s^22s^22p^2 & 1s^22s^22p^3 \end{array} $$(чис­ло элек­тро­нов в дан­ной обо­лоч­ке ука­зы­ва­ет­ся ин­дек­сом спра­ва свер­ху). Пе­рио­дич­ность в свой­ст­вах эле­мен­тов оп­ре­де­ля­ет­ся сход­ст­вом внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек А. Напр., ней­траль­ные ато­мы $\ce{P, As, Sb, Bi}$ ($Z= 15, 33, 51, 83)$ име­ют по три $p$-элек­тро­на во внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ке, по­доб­но ато­му $\ce{N}$, и схо­жи с ним по хи­мич. и мн. фи­зич. свой­ст­вам.

Ка­ж­дый А. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся нор­маль­ной элек­трон­ной кон­фи­гу­ра­ци­ей, по­лучаю­щей­ся, ко­гда все элек­тро­ны в А. свя­зы­ва­ют­ся наи­бо­лее проч­но, и воз­буж­дён­ны­ми элек­трон­ны­ми кон­фи­гу­ра­ция­ми, ко­гда один или неск. элек­тро­нов свя­за­ны бо­лее сла­бо – на­хо­дят­ся на бо­лее вы­со­ких уров­нях энер­гии. Напр., для А. ге­лия на­ря­ду с нор­маль­ной $1s^2$ воз­мож­ны воз­бу­ж­дён­ные элек­трон­ные кон­фи­гу­ра­ции: $1s2s, 1s2p,$ ... (воз­бу­ж­дён один элек­трон), $2s^2, 2s2p,$ ... (воз­бу­ж­де­ны оба элек­тро­на). Оп­ре­де­лён­ной элек­трон­ной кон­фи­гу­ра­ции со­от­вет­ст­ву­ет один уро­вень энер­гии А. в це­лом, ес­ли элек­трон­ные обо­лоч­ки це­ли­ком за­пол­не­ны (напр., нор­маль­ная кон­фи­гу­ра­ция ато­ма $\ce{Ne}$ $1s^22s^22p^6$), и ряд уров­ней энер­гии, ес­ли име­ют­ся час­тич­но за­пол­нен­ные обо­лоч­ки (напр., нор­маль­ная кон­фи­гу­ра­ция A. азо­та $1s^22s^22p^3$, для ко­то­рой обо­лоч­ка $2p$ за­пол­не­на на­по­ло­ви­ну). При на­ли­чии час­тич­но за­пол­нен­ных $d$- и $f$-oболочек чис­ло уров­ней энер­гии, соот­вет­ст­вую­щих ка­ж­дой кон­фи­гу­ра­ции, мо­жет дос­ти­гать мно­гих со­тен, так что схе­ма уров­ней энер­гии А. с час­тич­но за­пол­нен­ны­ми обо­лоч­ка­ми по­лу­ча­ет­ся очень слож­ной. Осн. уров­нем энер­гии А. яв­ля­ет­ся са­мый ниж­ний уро­вень нор­маль­ной элек­трон­ной кон­фи­гу­ра­ции.

Квантовые переходы в атоме

При кван­то­вых пе­ре­хо­дах А. пе­ре­хо­дит из од­но­го ста­цио­нар­но­го со­стоя­ния в дру­гое – с од­но­го уров­ня энер­гии на дру­гой. При пе­ре­хо­де с бо­лее вы­со­ко­го уров­ня энер­гии $E_i$ на бо­лее низ­кий $E_𝑘$ А. от­да­ёт энер­гию $E_i-E_𝑘$, при об­рат­ном пе­ре­хо­де по­лу­ча­ет её. Как для лю­бой кван­то­вой сис­те­мы, для А. кван­то­вые пе­ре­хо­ды мо­гут быть двух ти­пов: с из­лу­че­ни­ем (оп­тич. пе­ре­хо­ды) и без из­лу­че­ния (бе­зыз­лу­ча­тель­ные, или не­оп­ти­че­ские, пе­ре­хо­ды). Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка кван­то­во­го пе­ре­хо­да – его ве­ро­ят­ность, оп­ре­де­ляю­щая, как час­то этот пе­ре­ход мо­жет про­ис­хо­дить.

При кван­то­вых пе­ре­хо­дах с из­лу­че­ни­ем А. по­гло­ща­ет (пе­ре­ход $E_𝑘→E_i$) или ис­пус­ка­ет (пе­ре­ход $E_i→E_𝑘$) элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние. Элек­тро­маг­нит­ная энер­гия по­гло­ща­ет­ся и ис­пус­ка­ет­ся А. в ви­де кван­та све­та – фо­то­на, – ха­рак­те­ри­зуе­мо­го оп­ре­де­лён­ной час­то­той ко­ле­ба­ний $ν$, со­глас­но со­от­но­ше­нию:$$E_i–E_𝑘=\hbar ν,\tag7$$где $\hbarν$ – энер­гия фо­то­на. Со­от­но­ше­ние (7) пред­став­ля­ет со­бой за­кон со­хра­не­ния энер­гии для мик­ро­ско­пич. про­цес­сов, свя­зан­ных с из­лу­че­ни­ем.

А. в осн. со­стоя­нии мо­жет толь­ко погло­щать фо­то­ны, а в воз­бу­ж­дён­ных состоя­ни­ях мо­жет как по­гло­щать, так и ис­пус­кать их. Сво­бод­ный А. в осн. состоя­нии мо­жет су­ще­ст­во­вать не­ог­ра­ни­чен­но дол­го. Про­дол­жи­тель­ность пре­бы­ва­ния А. в воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии (вре­мя жиз­ни это­го со­стоя­ния) ог­ра­ни­че­на, А. спон­тан­но (са­мо­про­из­воль­но), час­тич­но или пол­но­стью те­ря­ет энер­гию воз­бу­ж­де­ния, ис­пус­кая фо­тон и пе­ре­хо­дя на бо­лее низ­кий уро­вень энер­гии; на­ря­ду с та­ким спон­тан­ным ис­пус­ка­ни­ем воз­мож­но и вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние, про­ис­хо­дя­щее, по­доб­но по­гло­ще­нию, под дей­ст­ви­ем фо­то­нов той же час­то­ты. Вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го А. тем мень­ше, чем боль­ше ве­ро­ят­ность спон­тан­но­го пе­ре­хо­да, для А. во­до­ро­да оно по­ряд­ка 10–8 с.

Со­во­куп­ность час­тот $n$ воз­мож­ных пе­ре­хо­дов с из­лу­че­ни­ем оп­ре­де­ля­ет атом­ный спектр со­от­вет­ст­вую­ще­го А.: со­вокуп­ность час­тот пе­ре­хо­дов с ниж­них уров­ней на верх­ние – его спектр по­гло­ще­ния, со­во­куп­ность час­тот пе­ре­хо­дов с верх­них уров­ней на ниж­ние – спектр ис­пус­ка­ния. Ка­ж­до­му та­ко­му пе­ре­хо­ду в атом­ном спек­тре со­от­вет­ст­ву­ет оп­ре­де­лён­ная спек­траль­ная ли­ния час­то­ты $ν$.

При бе­зыз­лу­ча­тель­ных кван­то­вых пе­ре­хо­дах А. по­лу­ча­ет или от­да­ёт энер­гию при взаи­мо­дей­ст­вии с др. час­ти­ца­ми, с ко­то­ры­ми он стал­ки­ва­ет­ся в га­зе или дли­тель­но свя­зан в мо­ле­ку­ле, жид­ко­сти или твёр­дом те­ле. В га­зе А. мож­но счи­тать сво­бод­ным в про­ме­жут­ках вре­ме­ни ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми; во вре­мя столк­но­ве­ния (уда­ра) А. мо­жет пе­рей­ти на бо­лее низ­кий или вы­со­кий уро­вень энер­гии. Та­кое столк­но­ве­ние на­зы­ва­ет­ся не­уп­ру­гим (в про­ти­во­по­лож­ность уп­ру­го­му столк­но­ве­нию, при ко­то­ром из­ме­ня­ет­ся толь­ко ки­не­тич. энер­гия по­сту­пат. дви­же­ния А., а его внутр. энер­гия ос­та­ёт­ся не­из­мен­ной). Важ­ный ча­ст­ный слу­чай – столк­но­ве­ние сво­бод­но­го А. с элек­тро­ном; обыч­но элек­трон дви­жет­ся бы­ст­рее А., вре­мя столк­но­ве­ния очень ма­ло и мож­но го­во­рить об элек­трон­ном уда­ре. Воз­бу­ж­де­ние ато­ма элек­трон­ным уда­ром яв­ля­ет­ся од­ним из ме­то­дов оп­ре­де­ле­ния его уров­ней энер­гии.

Химические и физические свойства атома

Боль­шин­ст­во свойств А. оп­ре­деля­ет­ся строе­ни­ем и ха­рак­те­ри­сти­ка­ми его внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек, в ко­то­рых элек­тро­ны свя­за­ны с ядром срав­ни­тель­но сла­бо (энер­гии свя­зи от не­сколь­ких эВ до не­сколь­ких де­сят­ков эВ). Строе­ние внутр. обо­ло­чек А., элек­тро­ны ко­то­рых свя­за­ны го­раз­до проч­нее (энер­гии свя­зи в сот­ни, ты­ся­чи и де­сят­ки ты­сяч эВ), про­яв­ля­ет­ся лишь при взаи­мо­дей­ст­ви­ях А. с бы­ст­ры­ми час­ти­ца­ми и фо­то­на­ми боль­ших энер­гий (бо­лее со­тен эВ). Та­кие взаи­мо­дей­ст­вия оп­ре­де­ля­ют рент­ге­нов­ские спек­тры А. и рас­сея­ние бы­ст­рых час­тиц (см. Ди­фрак­ция час­тиц). От мас­сы А. за­ви­сят его ме­ха­нич. свой­ст­ва при дви­же­нии А. как це­ло­го – ко­ли­че­ст­во дви­же­ния, ки­не­тич. энер­гия. От ме­ха­ни­че­ских и свя­зан­ных с ни­ми маг­нит­ных и элек­трич. мо­мен­тов А. за­ви­сят разл. ре­зо­нанс­ные и др. фи­зич. свой­ст­ва А. (см. Элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс, Ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс, Ядер­ный квад­ру­поль­ный ре­зо­нанс).

Элек­тро­ны внеш­них обо­ло­чек А. лег­ко под­вер­га­ют­ся внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям. При сбли­же­нии ато­мов воз­ни­ка­ют силь­ные элек­тро­ста­тич. взаи­мо­дей­ст­вия, ко­то­рые мо­гут при­во­дить к об­ра­зо­ва­нию хи­ми­че­ской свя­зи. Бо­лее сла­бые элек­тро­ста­тич. взаи­мо­дей­ст­вия двух А. про­яв­ля­ют­ся в их вза­им­ной по­ля­ри­за­ции – сме­ще­нии элек­тро­нов от­но­си­тель­но ядер, наи­бо­лее силь­ном для сла­бо свя­зан­ных внеш­них элек­тро­нов. Воз­ни­ка­ют по­ля­ри­за­ци­он­ные си­лы при­тя­же­ния ме­ж­ду А., ко­то­рые на­до учи­ты­вать уже на боль­ших рас­стоя­ни­ях ме­ж­ду ни­ми. По­ля­ри­за­ция А. про­ис­хо­дит и во внеш­них элек­трич. по­лях; в ре­зуль­та­те уров­ни энер­гии А. сме­ща­ют­ся и, что осо­бен­но важ­но, вы­ро­ж­ден­ные уров­ни энер­гии рас­ще­п­ля­ют­ся (эф­фект Штар­ка). По­ля­ри­за­ция А. мо­жет воз­ник­нуть под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля све­то­вой (элек­тро­маг­нит­ной) вол­ны; она за­ви­сит от час­то­ты све­та, что обу­слов­ли­ва­ет за­ви­си­мость от неё и по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния (см. Дис­пер­сия све­та), свя­зан­но­го с по­ля­ри­зуе­мо­стью А. Тес­ная связь оп­тич. ха­рак­те­ри­стик А. с его элек­трич. свой­ст­ва­ми осо­бен­но яр­ко про­яв­ля­ет­ся в его оптич. спек­трах.

Маг­нит­ные свой­ст­ва А. оп­ре­де­ля­ют­ся в осн. строе­ни­ем их элек­трон­ных обо­ло­чек. Маг­нит­ный мо­мент А. за­ви­сит от его ме­ха­нич. мо­мен­та (см. Маг­ни­то­меха­ни­че­ское от­но­ше­ние), в А. с пол­ностью за­пол­нен­ны­ми элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми он ра­вен ну­лю, так же, как и ме­ха­нич. мо­мент. А. с час­тич­но за­пол­нен­ны­ми внеш­ни­ми элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми об­ла­да­ют, как пра­ви­ло, от­лич­ны­ми от ну­ля маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми и яв­ля­ют­ся па­ра­маг­нит­ны­ми. Во внеш. маг­нит­ном по­ле все уров­ни А., у ко­то­рых маг­нит­ный мо­мент не ра­вен ну­лю, рас­ще­п­ля­ют­ся – име­ет ме­сто эф­фект Зее­ма­на. Все А. об­ла­да­ют диа­маг­не­тиз­мом, ко­то­рый обу­слов­лен воз­ник­но­ве­ни­ем у них маг­нит­но­го мо­мен­та под дей­ст­ви­ем внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля (т. н. ин­ду­ци­ро­ван­но­го маг­нит­но­го мо­мен­та, ана­ло­гич­но­го элек­трич. ди­поль­но­му мо­мен­ту А.).

При по­сле­до­ва­тель­ной ио­ни­за­ции А., т. е. при от­ры­ве его элек­тро­нов, на­чи­ная с са­мых внеш­них в по­ряд­ке уве­ли­че­ния проч­но­сти их свя­зи, со­от­вет­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся все свой­ст­ва А., оп­ре­де­ляе­мые его внеш­ней обо­лоч­кой. Внеш­ни­ми ста­но­вят­ся всё бо­лее проч­но свя­зан­ные элек­тро­ны; в ре­зуль­та­те силь­но умень­ша­ет­ся спо­соб­ность А. по­ля­ри­зо­вать­ся в элек­трич. по­ле, уве­ли­чи­ва­ют­ся рас­стоя­ния ме­ж­ду уров­ня­ми энер­гии и час­то­ты оп­тич. пе­ре­хо­дов ме­ж­ду эти­ми уров­ня­ми (что при­во­дит к сме­ще­нию спек­тров в сто­ро­ну всё бо­лее ко­рот­ких длин волн). Ряд свойств об­на­ру­жи­ва­ет пе­рио­дич­ность: сход­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся свой­ст­ва ио­нов с ана­ло­гич­ны­ми внеш­ни­ми элек­тро­на­ми; напр., $\ce{N^{3+}}$ (два элек­тро­на $2s$) об­на­ру­жи­ва­ют сход­ст­во с $\ce{N^{5+}}$ (два элек­тро­на $1s$). Это от­но­сит­ся к ха­рак­те­ри­сти­кам и от­но­си­тель­но­му рас­по­ло­же­нию уров­ней энер­гии и к оп­тич. спек­т­рам, к маг­нит­ным мо­мен­там А. и т. д. Наи­бо­лее рез­кое из­ме­не­ние свойств про­ис­хо­дит при уда­ле­нии по­след­не­го элек­тро­на из внеш­ней обо­лоч­ки, ко­гда ос­та­ют­ся лишь пол­но­стью за­пол­нен­ные обо­лоч­ки, напр. при пе­ре­хо­де от $\ce{N^{4+}}$ к $\ce{N^{5+}}$ (элек­трон­ные кон­фи­гу­ра­ции $1s^22s$ и $1s^2$). В этом слу­чае ион наи­бо­лее ус­той­чив и его пол­ный ме­ха­ни­че­ский и пол­ный маг­нит­ный мо­мен­ты рав­ны ну­лю.

Свой­ст­ва А., на­хо­дя­ще­го­ся в свя­зан­ном со­стоя­нии (напр., вхо­дя­ще­го в со­став мо­ле­ку­лы), от­ли­ча­ют­ся от свойств сво­бод­но­го А. Наи­боль­шие из­ме­не­ния пре­тер­пе­ва­ют свой­ст­ва А., оп­ре­де­ляе­мые са­мы­ми внеш­ни­ми элек­тро­на­ми, при­ни­маю­щи­ми уча­стие в при­сое­ди­не­нии дан­но­го А. к дру­го­му. Вме­сте с тем свой­ства, оп­ре­де­ляе­мые элек­тро­на­ми внут­рен­них обо­ло­чек, мо­гут прак­ти­че­ски не из­ме­нить­ся, как это име­ет ме­сто для рент­ге­нов­ских спек­тров. Не­ко­то­рые свой­ст­ва А. мо­гут ис­пы­ты­вать срав­ни­тель­но не­боль­шие из­ме­не­ния, по ко­то­рым мож­но по­лу­чить ин­фор­ма­цию о ха­рак­те­ре взаи­мо­дей­ст­вий свя­зан­ных А. Важ­ным при­ме­ром мо­жет слу­жить рас­ще­п­ле­ние уров­ней энер­гии А. в кри­стал­лах и ком­плекс­ных со­еди­не­ни­ях, ко­то­рое про­ис­хо­дит под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­лей, соз­да­вае­мых ок­ру­жаю­щи­ми ио­на­ми.

Рис. 3. Изображение атомной структуры поверхности кремния, полученное проф. Оксфордского ун-та М. Капстеллом с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Экс­пе­рим. ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния струк­ту­ры А., его уров­ней энер­гии, его взаи­мо­дей­ст­вий с др. ато­ма­ми, эле­мен­тарны­ми час­ти­ца­ми, мо­ле­ку­ла­ми, внеш­ни­ми по­ля­ми и т. д. раз­но­об­раз­ны, од­на­ко осн. ин­фор­ма­ция со­дер­жит­ся в его спек­трах. Ме­то­ды атом­ной спек­тро­ско­пии во всех диа­па­зо­нах длин волн, и в осо­бен­но­сти ме­то­ды совр. ла­зер­ной спек­тро­ско­пии, по­зво­ля­ют изу­чать всё бо­лее тон­кие эф­фек­ты, свя­зан­ные с А. С нач. 19 в. су­ще­ст­во­ва­ние А. для учё­ных бы­ло оче­вид­ным, од­на­ко экс­пе­ри­мент по до­ка­за­тель­ст­ву ре­аль­но­сти его су­ще­ст­во­ва­ния был по­став­лен Ж. Пер­ре­ном в нач. 20 в. С раз­ви­ти­ем мик­ро­ско­пии поя­ви­лась воз­мож­ность по­лу­чать изо­бра­же­ния А. на по­верх­но­сти твёр­дых тел. Впер­вые А. уви­дел Э. Мюл­лер (США, 1955) с по­мо­щью изо­бре­тён­но­го им ав­то­ион­но­го мик­ро­ско­па. Совр. атом­но-си­ло­вые и тун­нель­ные мик­ро­ско­пы по­зво­ля­ют по­лу­чать изо­бра­же­ния по­верх­но­с­тей твёр­дых тел с хо­ро­шим раз­ре­ше­ни­ем на атом­ном уров­не (см. рис. 3).

Су­ще­ст­ву­ют и ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в различных ис­сле­до­ва­ни­ях т. н. эк­зо­ти­че­ские ато­мы, напр. мю­он­ные ато­мы, т. е. ато­мы, в ко­то­рых все или часть элек­тро­нов за­ме­не­ны от­ри­ца­тель­ны­ми мюо­на­ми, мю­о­ний, по­зи­тро­ний, а так­же ад­рон­ные ато­мы, со­стоя­щие из за­ря­жен­ных пио­нов, као­нов, про­то­нов, дей­тро­нов и др. Осу­ще­ст­в­ле­ны так­же пер­вые на­блю­де­ния А. ан­ти­во­до­ро­да (2002) – ато­ма, со­стоя­ще­го из по­зи­тро­на и ан­ти­про­то­на.

Лит.: Борн М. Атом­ная фи­зи­ка. 3-е изд. М., 1970; Фа­но У., Фа­но Л. Фи­зи­ка ато­мов и моле­кул. М., 1980; Шполь­ский Э. В. Атом­ная фи­зи­ка. 7-е изд. М., 1984. Т. 1–2; Ель­я­ше­вич М. А. Атом­ная и мо­ле­ку­ляр­ная спек­тро­ско­пия. 2-е изд. М., 2000.

Вернуться к началу