Какие элементарные частицы определяют химические свойства атомов

Атомы – мельчайшие частицы, из которых состоит все вокруг: все, что нас окружает, состоит из молекул, состоящих из атомов. Их невозможно увидеть с использованием каких бы то ни было увеличительных приборов в силу их невероятно маленьких размеров. Но ведь атомы тоже должны из чего-то состоять. Значит, должны существовать еще более маленькие частицы. Сразу говорю, это довольна непростая для понимания тема, поэтому текста много, да и читать нужно вдумчиво. Тем не менее, это крайне увлекательно – знать о настолько малых частицах, которые невозможно даже увидеть. Что ж, давайте разбираться!

Немного о самом атоме

Вообще, термин “атом” был изобретен очень давно: за 400 лет до н. э. греческий философ Демокрит выдвинул идею, что вещество можно делить до тех пор, пока не будут получены его наименьшие возможные частицы, названные атомами. Конечно, в гипотезе Демокрита атомы являются совсем не тем, чем их считают сейчас, но, тем не менее, идея атомизма очень древняя. В 1808 г. химик Джон Дальтон сформулировал атомистическую теорию: все вещества состоят из атомов, мельчайших неделимых частиц, которые нельзя ни создать, ни уничтожить. Также, Дальтон утверждал, что атомы одного и того же элемента абсолютно одинаковы. Так зародилась атомистическая теория, и было заложено начало к изучению самих атомов.

Теперь немного о характеристиках атома. Не для кого не секрет, что атом чрезвычайно мал. Но даже его можно измерить – а именно указать его массу и диаметр. Диаметры атомов в среднем – 0,2 нм (0,0000000002 м). Массы рознятся сильнее: от 10 в минус 27 степени (ноль с двадцатью шестью нолями и единицей после запятой) кг до 10 в минус 25 степени ( ноль с двадцатью четырьмя нолями и единицей после запятой) кг. Для избежания участия столь малых цифр в расчетах, массы атомов обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). 1 а. е. м. = 1,661 на 10 в минус 27 степени.

Какие частицы входят в состав атома?

Мы уже представляли себе атом таким, каким его рисуют в sci-fi фильмах: ядро, состоящее из протонов и нейтронов в центре, и электроны, вращающиеся вокруг ядра. Но что представляют из себя протоны, нейтроны и электроны?

Строение атома из фильмов, отражающее частицы, входящие в него

Нейтрон – это элементарная незаряженная частица. Электрический заряд равен 0 е, масса равна 1 а. е. м. Нейтрон был открыт в 1932 г. Чедвиком в ходе ядерной реакции между атомами бериллия и гелия. Нейтрон входит в состав атомного ядра

Протон – это элементарная положительная частица. Электрический заряд равен +1 е, масса равна 1 а. е. м. Открыт в 1919 г. Резерфордом. Входит в состав атомного ядра вместе с нейтроном, представляет собой ядро атома водорода.

Электрон – это элементарная отрицательная частица. Электрический заряд равен -1 е (равен по модулю заряду протона), масса равна 0,00054 а. е. м., поэтому для простоты расчетов считается, что электрон не имеет массы. Открыт в 1897 г. Томсоном при изучении поведения катодных лучей (электронов) в магнитном и электрическом поле. Электроны не входят в состав ядра, а находятся снаружи, двигаясь по специальным траекториям, но об этом позднее.

Как частицы располагаются в атоме?

Ученые Гейгер и Марсден в 1909 г. проводили бомбардировку золотой фольги альфа-частицами (ядрами гелия). Частицы проходили через фольгу, как и ожидалось, однако, малая их часть отражалась обратно. Примерно 1 из 8000 частиц отскакивали. Был сделан вывод, что частицы сталкиваются с положительными и тяжелыми центрами, которые должны располагаться в ничтожно малой части атома, раз так мало частиц отражается обратно. Так появилось представление об атомном ядре: отражались только те частицы, которые сталкивались с ядрами. Таким образом, атомное ядро имеет намного меньший размер, чем сам атом; остальное пространство в атоме занимают электроны. И если с ядром все понятно – лишь малая часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, то с электронами все сложнее.

В 1925 г. Шредингер сформулировал свое уравнение, названное в его честь. Оно позволяло проследить поведение электрона в атоме. Однако, в силу принципа неопределенности Гейзенберга (электрон обладает частично-волновым дуализмом) нельзя определить точное положение электрона и его скорость. Можно лишь говорить об области пространства, где электрон находится чаще. Так появился термин атомная орбиталь – это место, где вероятность нахождения электрона составляет больше 90%. Вот и получаем первое различие с изображениями из фильмов: там электроны вращаются вокруг ядра, оставляя следы в виде полосок. На деле электроны как бы расплываются вокруг ядра. Физик Бор сформулировал постулат о том, что электроны могут обладать определенным количеством энергии, а не произвольным. Так были введены квантовые числа:

• главное квантовое число (n, положительное целое число – 1, 2, 3…) характеризует энергетический уровень электрона и указывает число подуровней на уровне;
• орбитальное квантовое число (l, неотрицательное целое число – 0, 1, 2…) характеризует форму атомной орбитали, на которой находится электрон;
• магнитное квантовое число (ml, целое число от -l до +l) характеризует количество атомных орбиталей на энергетическом подуровне;
• спиновое квантовое число (ms, значения – либо -1/2, либо +1/2) характеризует вращение электрона относительно собственной оси.

У каждого электрона в атоме свой набор квантовых чисел, на основании которых можно оценить его энергию, по которой можно судить о его местоположении в атоме. В заполнении электронами атомных орбиталей участвуют некоторые закономерности. Одна из них – это запрет Паули. Он гласит о том, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми наборами всех квантовых чисел, т. е. обладающих одинаковыми энергиями.

Немного об атомных орбиталях

Другое отличие реального атома от киношного изображения – это изображение атомных орбиталей. На картинках электроны движутся по окружностям. В реальности электроны не только расплываются, но и делают это по определенной области – орбитали. На каждой атомной орбитали может находится только 2 электрона. Всего различают 5 видов орбиталей в зависимости от значения орбитального квантового числа l:

• l = 0 – s-орбиталь;
• l = 1 – p-орбиталь;
• l = 2 – d-орбиталь;
• l = 3 – f-орбиталь;
• l = 4 – g-орбиталь.

s-орбиталь представляет собой симметричную относительно ядра сферу. Вероятность нахождения электрона на каждом участке орбитали одинакова. Всего на s-орбитали может располагаться два электрона.

s-орбиталь

p-орбиталь представляет собой форму гантели. Она направлена в трех разных направлениях – по координатным осям x, y и z и в совокупности они образуют энергетический подуровень.

p-орбитали, направленные по разным осям

d-, f- и g-орбитали имеют еще намного более сложные формы, чем p-орбиталь, поэтому их описание не представляется целесообразным.

Формы d-орбиталей, по-разному расположенных в пространстве

Каждое значение орбитального числа l является энергетическим подуровнем атома. Для каждого следующего энергетического уровня количество энергетических подуровней увеличивается и содержит в себе подуровни прошлых уровней. Звучит сложновато, да. Говоря проще, чем больше значение n, тем больше ему соответствует значений l. Попробуем на примере. Значение главного числа n задает основной энергетический уровень. Например: n=1, тогда l=0. Это значит, что на первом энергетическом уровне есть только один подуровень с одной s-орбиталью. Теперь пусть n=2. Это второй энергетический уровень. Для него l=0 и l=1. Это значит, что на нем два подуровня: на одном s-орбиталь, а на другом p-орбиталь. Для n=3 уже 3 подуровня и т. д. Такое заполнение электронами орбиталей является еще одной закономерностью, называемой правилом Клечковского. Правило Клечковского гласит о том, что электроны заполняют атомные орбитали так, чтобы их суммарная энергия была минимальна, т. е. начиная с меньших энергетических уровней.

Пример сопоставления энергетическим уровням (n) энергетических подуровней (l) и орбиталей

Теперь давайте поговорим о заполнении непосредственно орбиталей. Представим себе s-орбиталь: сфера вокруг ядра, на которой есть 2 электрона: спиновое число одного – 1/2, другого – -1/2. Теперь представим себе p-орбиталь в форме гантели. Три p-орбитали (направленные по координатным осям) образуют энергетический подуровень. Поскольку на каждой орбитали может быть по 2 электрона, то на таком подуровне может быть всего 6 электронов. Но как они его заполняют? Допустим, у нас есть 4 электрона. Заполняют ли они сначала одну орбиталь, затем другую, а третью оставляют нетронутой? Здесь на помощь приходит третья закономерность – правило Гунда. Оно гласит, что электроны при заполнении подуровней занимают максимальное число свободных орбиталей. Таким образом, сначала по один займет каждую орбиталь, а затем еще один займет полузаполненную орбиталь. Таким образом, две орбитали будут заполнены наполовину, а одна полностью.

Так устроен атом. Подведем итоги. В маленькой части атома, в центре, располагается атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг располагаются энергетические уровни с подуровнями, на которых находятся орбитали разной формы – места, где скорее всего находятся электроны в данный момент времени. Электроны заполняют орбитали в соответствии запретом Паули, правилом Клечковского и правилом Гунда.

Если Вам понравилась статья, подписывайтесь на канал и ставьте лайки!

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

История открытия первых частиц

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с  работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Спин электрона

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Стандартная модель в физике

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

• Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
• Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.

• Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

• Верхний (u);
• Очарованный (c);
• Истинный (t);
• Нижний (d);
• Странный (s);
• Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином  ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

• Электрон;
• Электронное нейтрино;
• Мюон;
• Мюонное нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

• Глюон – сильное;
• Фотон – электромагнитное;
• Z-бозон — слабое;
• W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный бозон Хиггса, частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

• Время жизни.
• Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
• Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9•10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
• Масса.
• Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
• Массивные частицы – все остальные.
• Значение спина.
• Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
• Частицы с полуцелым спином — фермионы.
• Участие во взаимодействиях.
• Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
• Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

Интересные факты

• Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
• Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
• Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
• Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
• Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. интересные эффекты гравитации).
• Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.

Полная версия: https://spacegid.com/elementarnyie-chastitsyi.html

Читайте и смотрите нас там, где удобно!

Вконтакте: https://vk.com/space_astro
Twitter: https://twitter.com/astrogid
Instagramm: https://www.instagram.com/spacegid/
Одноклассники: https://ok.ru/group/52581467685067
Google+: https://plus.google.com/+Spacegidcom
Facebook: https://www.facebook.com/spacegid
Telegram: https://t.me/spacegid

Наш сайт: Гид в мире космоса

Подписывайтесь на наш канал в Дзен