| а уровней, объясняемого в квантовой электродинамике.
Для всех уровней энергии А. водорода наблюдается и сверхтонкая
структура, обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами. Уровень Ei расщепляется на 2 подуровня с расстоянием между ними примерно 5-10- 6эв.
Электронные оболочка сложных атомов. Теория сложных А., содержащих 2 или более электронов, принципиально отличается от теории А. водорода, т. к. в сложном А. имеются в з а и м од е й с т в у ю щ и е друг с другом одинаковые частицы - электроны. Взаимное отталкивание электронов в многоэлектроином А. существенно уменьшает прочность их связи с ядром. Напр., энергия отрыва единственного электрона в ионе гелия (Не+) 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. Чрезвычайно важную роль в сложных А. играют свойства электронов как одинаковых микрочастиц (см. Тождественности принцип), обладающих спином s = 1/2, для к-рых справедлив Паули принцип. Согласно этому принципу, в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом квантовом состоянии, что для сложного А. приводит к образованию электронных оболочек, 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 четырёх квантовых чисел п, I, mi и ms, аналогично электрону в А. водорода. При этом энергия электрона оказывается зависящей не только от п, как в А. водорода, но и от l; от mi и ms она по-прежнему не зависит. Электроны с данными п и l в сложном А. имеют одинаковую энергию и образуют определённую э л е к тр о н н у ю о б о л о ч к у; их называют э к в и в а л е н т н ы м и электронами. Такие электроны и образованные ими оболочки обозначают, как и квантовые состояния и уровни энергии с заданными n и /, символами ns, np, nd, nf, ... (для l=0, 1, 2, 3, ...) и говорят о 2р-электро-нах, Ss-оболочках и т. п.
З а п о л н е н и е э л е к т р о н н ы х о б о л о ч е к и с л о е в. В силу принципа Паули любые 2 электрона в А. должны находиться в различных квантовых состояниях и, следовательно, отличаться хотя бы одним из четырёх квантовых чисел n, l, mi и тs . Для эквивалентных электронов (n и l одинаковы) должны быть различны пары значений mi и ms. Число таких пар равно числу различных квантовых состояний электрона с заданными n и l, т. е. степени вырождения его уровня энергии. Это число gi = 2 (2l +1) = =2, 6, 10, 14, ... и определяет число электронов, полностью заполняющих данную оболочку. 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, ..., п-1 и заполняемый 2п2 электронами, т. н. К-, L-, М-, N-, ...слой. При полном заполнении имеем:
Наиболее близко к ядру расположен 1C-слой, затем идёт L-слой, М-слой, N-слой, ... В каждом слое оболочки с меньшими l характеризуются большей электронной плотностью вблизи ядра. Прочность связи электрона уменьшается с увеличением n, а при заданном n - с увеличением l; на рис. 5 схематически показаны (без соблюдения масштаба энергий) уровни энергии отдельного электрона в сложном А.
Рис. 5. Последовательность заполнения уровней энергии отдельного электрона в сложном атоме. Справа даны числа заполнения оболочек.
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 Is, затем два электрона 2s, шесть электронов 2р и т. д. в соответствии со схемой рис. 5. Это определяет э л е к т р о н н ы е к о н ф и г у р а ц и и, т. е. распределения электронов по оболочкам, для ионов и нейтрального А. данного элемента. Напр., для азота (Z = 7) получаются электронные конфигурации (число электронов в данной оболочке указывается индексом справа сверху).
Такие же электронные конфигурации, как и ионы азота, имеют нейтральные атомы последовательных элементов в пе-риодич. системе, обладающие тем же числом электронов: Н, Не, Li, Be, В, С (z = 1,2,3,4,5,6). Периодичность в свойствах элементов определяется сходством внешних электронных оболочек А. Напр., нейтральные А. Р, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) имеют по три р-элект-рона во внешней электронной оболочке подобно А. N и схожи с ним по химическим и многим физ. свойствам.
При рассмотрении заполнения электронных эболочек необходимо учитывать, что, начиная с n=4, электроны с меньшим l, но 5бльшим п, связываются прочнее, чем электроны с большим l, но меньшим n, напр. электроны As связаны прочнее, чем электроны 3d.Это отражает рис. 5, показывающий расположение уровней энергии, соответствующее действительному порядку (несколько схематизированному) заполнения электронных оболочек для последовательных элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Числа, стоящие справа у скобок, определяют числа элементов в периодах этой системы, заканчивающихся атомами инертных газов с внешними оболочками типа np6 (n=2, 3, 4, 5, 6) для Ne, Аг, Кг, Хе, Rn (Z = 10, 18, 36, 54, 86). У р о в н и э н е р г и и с л о жн ы х а т о м о в. Каждый А. характеризуется н о р м а л ь н о й 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 электронной конфигурацией Is2 возможны возбуждённые: 15 2s, Is 2р, ... (возбуждён один электрон), 2s2, 2s2p, ... (возбуждены оба электрона). Определённой электронной конфигурации соответствует один уровень энергии А. в целом, если электронные оболочки целиком заполнены (напр., нормальная конфигурация А. Ne Is2 2s2 In6), и ряд уровней энергии, если имеются частично заполненные оболочки (напр., нормальная конфигурация Л. N Is2 2s2 2p3, для к-рой оболочка 2р заполнена как раз наполовину). При наличии частично заполненных d- и f-оболочек число уровней энергии, соответствующих каждой конфигурации, может достигать многих сотен, так что схема уровней энергии А. с частично заполненными внешними оболочками получается очень сложной. Основным 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 Ei на более низкий Еk А. отдаёт энергию Ei-En, при обратном переходе получает её. Как для любой квантовой системы, для А. квантовые переходы могут быть двух типов: с излучением (о п т и ч е с к и е п е р е х о д ы) и без излучения (б е з ы з л у ч а т е л ь н ы е или н е о п т и ч е с к и е переходы). Важнейшая характеристика квантового перехода - вероятность перехода, определяющая, как часто этот переход будет происходить.
К в а н т о в ы е п е р е х о д ы с излучением. При этих переходах А. поглощает (переход En-Ei) или испускает (переход Ei -> Eh) электромагнитное излучение, напр, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, СВЧ (микроволновое) излучение. Электромагнитная энергия поглощается и испускается А. в виде кванта света -
фотона, характеризуемого определённой частотой колебаний v, согласно соотношению:
(8)
где h - постоянная Планка; hv - энергия фотона. Закон (8) представляет собой закон сохранения энергии для микроско-пич. процессов, связанных с излучением.
А. в основном состоянии может только поглощать фотоны, а А. в возбуждённых состояниях может как поглощать, так и испускать их. Свободный А. в основном состоянии может существовать неограниченно долго; продолжительность пребывания А. в возбуждённом состоянии - время жизни на возбуждённом уровне энергии - ограничена, А. спонтанно, т. е. 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; см. Квантовые переходы). Время жизни возбуждённого А. тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода. Для возбуждённых А. водорода это время порядка 10-8 сек.
Совокупность частот возможных переходов с излучением определяет оптич. с п е к т р соответствующего А.: совокупность частот переходов с нижних уровней на верхние - его спектр поглощения, совокупность частот переходов с верхних уровней на нижние - его с п е к т р и с п у с к а н и я. Каждому такому переходу соответствует определённая с п е к т р а л ь н а я л ин и я. Для А. водорода, согласно формулам (4) и (8), получаем совокупность спектральных линий с частотами
о)
При nk = l и ni =2, 3, 4, 5, ... получается спектральная серия Лаймана (линии ...), при nk = =2 и ni =3, 4, 5, ... - серия Б а л ь м е р а (линии Нa , Нр, Нy ...), при nk = 3 и ni = 4, 5, ...- с е р и я П а ш е-н а (рис. 1, б). Для А. др. элементов в соответствии с более сложной схемой уровней энергии получается и более сложный спектр (см. Атомные спектры). К в а н т о в ы е п е р е х о д ы б е з и з л у ч е н и я. При этих переходах А. получает или отдаёт энергию при взаимодействии с другими частицами, с к-рыми 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, благодаря кратковременному взаимодействию, перейти на другой уровень энергии. Такое столкновение наз. неупругим (в противоположность упругому столкновению, при к-ром изменяется только кинетич. энергия поступательного движения А., а его внутренняя энергия остаётся неизменной). Важный частный случай - столкновение свободного А. с электроном; обычно электрон движется быстро по сравнению с А., время столкновения очень мало и можно говорить об э л е ктронном ударе. Возбуждение А. электронным ударом является одним из методов определения уровней энергии А. Вероятности неупругих столк-
новений и, в частности, возбуждения А. электронным ударом могут быть рассчитаны методами квантовой механики (см. Столкновения атомные).
Химические и физические свойства атома. Большинство свойств А. определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в к-рых электроны связаны сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эв до нескольких десятков эв). Строение внутренних оболочек А., электроны к-рых 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 атомом быстрых частиц (см. Рассеяние микрочастиц, Дифракция частиц). От массы А., определяемой массой его ядра, зависят его механич. свойства при движении А. как целого - количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрич. моментов А. зависят нек-рые тонкие эффекты, проявляющиеся при изучении физ. свойств А. (см. Моменты атомных ядер, Ядерный магнитный резонанс, Ядерный квадруполъныйрезонанс, Сверхтонкая структура).
С в о й с т в а а т о м а, о п р е д ел я е м ы е е г о в н е ш н и м и э л е к т р о н а м и. Электроны во внешних оболочках А., связанные сравнительно слабо, легко подвергаются внешним воздействиям. При сближении данного А. с другими возникают сильные электростатич. взаимодействия (включая т. н. обменные взаимодействия), к-рые могут приводить к возникновению химической связи А., т. е. к образованию молекулы. В химич. связи участвуют электроны внешних оболочек; в случае ко-валентной связи эти электроны принадлежат уже не отдельным А., а образовавшейся молекуле в целом, и входят в состав её молекулярных электронных оболочек. Т. о., внеш. электроны А. определяют его хим. свойства.
Более слабые электростатич. взаимодействия двух А. проявляются в их взаимной поляризации - смещении электронов относительно ядер, наиболее сильном для слабо связанных внешних электронов (см. Поляризация частиц). Возникают поляризационные силы притяжения между А., к-рые надо учитывать уже на больших расстояниях между ними (см. Межмолекулярное взаимодействие). Поляризация А. происходит и во внешних электрич. полях; в результате уровни энергии А. смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни энергии расщепляются (поляризация различна для различных квантовых состояний А., соответствующих той же его энергии) - имеет место Штарка явление. 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 со способностью А. поляризоваться - с поляризуемостью А. (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул). Тесная связь оптич. характеристик А. с его электрич. свойствами особенно ярко проявляется в его о п т и ч. с п е к т р а х.
Внешними электронами определяются и магнитные свойства А. Они схожи для элементов с аналогичными внешними электронными оболочками А. Магнитный момент А. зависит от его механич. момента (см. Магнитоме-ханическое отношение): в А. с полностью заполненными электронными оболочками он равен нулю, так же как и механич. момент. При наличии частично заполненных внешних электронных оболочек магнитные моменты А., как правило, постоянны, и А. являются парамагнитными (см. Парамагнетизм). Во внешнем магнитном поле все уровни А., у которых магнитный момент неравен нулю, расщепляются (см. Зеемана явление). Все А. обладают диамагнетизмом, к-рый обусловлен возникновением у них магнитного момента под действием магнитного поля (т. н. и н д у ц и р ов а н н о г о м а г н и т н о г о м ом е н т а, аналогичного электрич. диполь-ному моменту А.).
С в о й с т в а и о н и з о в а н н ог о а т о м а. При последовательной ионизации А., т. е. при отрыве его электронов, начиная с самых внешних, в порядке увеличения прочности их связи (рис. 5), соответственно изменяются все свойства А., определяемые его внешней оболочкой. Внешними становятся все 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. N7+ и N3+ (один и два электрона 2s) обнаруживают сходство с N6+ и N5+ (один и два электрона Is). 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 N4+ к N5+ (электронные конфигурации Is22s и Is2 ). В этом случае ион наиболее устойчив и его полный механич. и полный магнитный моменты равны нулю. Особенно устойчивы, помимо ионов с электронной конфигурацией Is2, ионы с полностью заполненной внешней оболочкой np(n=2, 3, 4, ...).
С в о й с т в а с в я з а н н ы х а т ом о в. 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. Нек-рые свойства А. могут испытывать сравнительно небольшие изменения, по к-рым можно получить информацию о характере взаимодействий связанных А. Важным примером может служить расщепление уровней энергии А. в кристаллах и комплексных соединениях, к-рое происходит под действием электрич. полей, создаваемых окружающими ионами (см. Кристаллического поля теория). Лит. см. при ст. Атомная физика.
М. А. Елъяшевич.
АТОМИ3ДАТ, специализированное издательство Комитета по печати при Совете Министров СССР, в Москве. Осн. в 1957 как изд-во Гл. управления по использованию атомной энергии при Совете Министров СССР, в 1960-63 - Госатомиздат, с 1963 - А. Выпускает научную, учебную, справочную, производственную и научно-популярную лит-ру по атомной и ядерной физике, физике плазмы, ядерной энергетике, геологии сырья атомной пром-сти, радиохимии, физике твёрдого тела, ядернофизическому и изотопному приборостроению, дозиметрии, радиобиологии, защите от излучений и др. Издаёт журналы "Атомная энергия" (с 1956), "Атомная техника за рубежом" (с 1957).
В. А.Кулямин.
АТОМИЗМ, атомное учение, атомистика, учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи. А. утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц; до конца 19 в. они считались неделимыми. Для совр. А. характерно признание не только атомов (см. также Атомная физика), но и др. частиц материи как более крупных, чем атомы (напр., мо-лекул), так и более мелких (атомные ядра, электроны и др.). С точки зрения совр. А., электроны суть "атомы" отрицат. электричества, фотоны - "атомы" света и т. д. А. распространяется и на биологич. явления, в т. ч. на явления наследственности. В более широком смысле под А. понимается иногда дискретность вообще к.-н. предмета, свойства, процесса (социальный А., логический А.).
А. выступал почти всегда как материа-листич. учение. Поэтому борьба вокруг него отражала прежде всего борьбу между материализмом и идеализмом в науке. А. уже с древности был направлен против идеалистич. и р |
