3. Будова атома. Періодичний закон д.І.Менделєєва

3.1. Загальні уявлення про будову атома, природа електрона і характеристики його стану в атомі

Слово “атом” у перекладі з грецької мови означає “неподільний”. За сучасними уявленнями атом — електронейтральна мікросистема, що складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. Ядра атомів складаються з двох типів мікрочастинок (нуклонів) — протонів і ней­тронів , основні характеристики яких подано в табл. 3.1.

Основна маса атома зосереджена в ядрі і характеризується масовим числом А, яке дорівнює сумі чисел протонів (тобто заряду ядра) Z і ней­тронів N:

A = Z + N

Таблиця 3.1.

Основні характеристики елементарних частинок, які входять до складу атома

Частинка	Символ	Маса спокою		Заряд
		абсолютна, кг	а.о.м.	електричний, Кл	відносний
Протон		1,673·10-27	1,007276	1,602·10-19	+1
Нейтрон		1,675·10-27	1,008665	0	0
Електрон		9,109·10-31	0,000549	1,602·10-19	-1

Атом і ядро характеризуються такими лінійними розмірами: атома — ~ 10^-10, ядра — ~ 10^-14 – 10^-15 м. Заряд ядра, як го­ловна характеристика атома, визначає число електронів, що обертаються навколо нього.

Отже, заряд ядра зумовлює належність атома до певного виду хімічних елементів і відповідає порядковому номеру елемента в періо­дичній системі елементів Д. І. Менделєєва. У позначенні елемента відобра­жають масове число А і кількість протонів Z, наприклад , .

Ато­ми з однаковими значеннями Z, але з різними значеннями А і N, на­приклад , , , називають ізотопами.

Атоми з однаковими значеннями N, але з різними значеннями Z і А, наприклад , і , називають ізотонами; з однаковими значеннями А, але різними Z і N, наприклад , , — ізобарами.

За сучасними уявленнями рух електронів в атомі описується законами квантової механіки, в основі якої лежать уявлення про квантування енергії, хвильово-корпускулярну (двоїсту) природу електрона, хвильовий характер його руху. Енергія є найважливішою характеристикою електрона. Вона може приймати лише визначені дискретні значення, поглинається і випромінюється лише порціями – квантами.

Отже, електрон прийнято розглядати одночасно і як мікроматеріальну час­тинку (див. табл. 1.1), і як хвилю. Математично це положення описується рівнянням де Бройля (1924), відповідно до якого частин­ці, що має масу і рухається зі швидкістю v, відповідає хвиля довжини λ:

λ=h/mv,

де h — стала Планка (h = 6,626·10^-34Дж • с).

Із поняття подвійної природи електрона випливає важливий висновок, відомий під назвою принципу невизначеності Гейзенберга: мікрочастинка (електрон), так само як і електронна хвиля, не має одночасно точних зна­чень координат та імпульсу (mv). Цей принцип виявляється в тому, що чим точніше визначаються координати частинки, тим більш невизначеним стає її імпульс (або пов'язана з ним швидкість частинки v), і навпаки. Тому для описування руху мікрочастинки користуються імовірнісним підходом, коли визначають не її точне положення, а ймовірність знахо­дження її в тій чи іншій ділянці навколоядерного простору. Наприклад, якщо для вимірювання координати електрона користуватися розсіюван­ням світлових квантів — фотонів (тобто «освітлювати» електрон), то по­хибка такого вимірювання дорівнюватиме довжині хвилі світла: Δx ~ λ. Причому, чим менше значення λ, тим вища точність вимірювання. Про­те зі зменшенням довжини хвилі λ, світла одночасно зростає імпульс фо­тона p=2nh/λ, який частково передаватиметься електрону під час зіткнення з ним кванта світла.

Отже, в числове значення імпульсу електрона вноситься неконтрольована величина — змінна Δр_х, яка має порядок імпульсу фотона. Величи­ни Δх, Δр_х та інші однойменні компоненти пов'язані такими співвідно­шеннями:

Δx·Δp_x ≥ h; Δy·Δp_y≥h; Δz·Δp_z≥h,

які називають співвідношеннями невизначеності Гейзенберга. Тому умови, сприятливі для точного вимірювання координати електрона (мала довжина хвилі), виявляються несумісними з умовами, необхідними для точ­ного вимірювання його імпульсу (мале значення енергії кванта світла), і навпаки. Така ситуація є результатом того, що електрон з огляду на свою подвійну природу не допускає одночасної локалізації в координатному та імпульсному просторі. Звідси випливає, що рух електрона не можна опи­сати за допомогою поняття про траєкторію.

З огляду на хвильову природу електрон характеризується хвильовою функ­цією ψ, яка є амплітудою тривимірної електронної хвилі, тобто це ампліту­да ймовірності перебування електрона у певній ділянці простору.

Ймовірність знаходження електрона в об'ємі атомного простору dV (об'ємі, що знаходиться між двома сферами з радіусами r i(r + dr), і роз­раховується як добуток 4πr²dr) визначають величиною ψ²dV, або ψ²4πr²dr. Ця величина дає наочне уявлення про розподіл електронної густини в атомі, тобто про функцію радіального розподілу.

Густина ймовірності, або електронна густина, — квадрат абсолютної величини хвильової функції |ψ|², розрахований для певного моменту часу та певної точки простору. Ця величина пропорційна ймовірності вияв­лення електрона у цій точці в зазначений час.

Електронна хмара, або атомна електронна орбіталь (АО), — кванто­во-механічна модель стану (руху) електрона в атомі — ділянка навколоядерного простору атома, що обмежена умовною поверхнею, яка не має чітких меж і де густина ймовірності наявності електрона (тобто елект­ронна густина) досягає наперед заданої величини (як правило, 90 %).

Розрахунок хвильової функції ψ, тобто повне описування руху електро­на в будь-якому тривимірному полі U{x, y_f z), у квантовій механіці здійсню­ють за допомогою рівняння Шредінгера (1926):

де h — стала Планка; т — маса електрона; U, Е — відповідно потен­ційна і повна енергія електрона.

Розв'язування рівняння Шредінгера, отже, математичне опису­вання електронної орбіталі (АО) можливе лише за умови цілком визначе­них дискретних значень певних характеристик електрона, які називають квантовими числами: головним (п), орбітальним (l), магнітним (т_l) і спіновим (m_s).