АТОМ

АТОМ (грекше «атомос – бөлшектенбейтін») – заттардың өлшемдері мен массаларының микроскопиялық (микробөлшек) бөлігі, химиялық элементтің өзіне тән қасиеттерін тасушы (сақтайтын) ең кіші бөлігі. Химиялық элементтің әрқайсысына шартты белгімен белгіленетін белгілі бір текті атом сәйкес келеді. Атом еркін (газда) және байланысқан күйлерде болады. Атом бірімен-бірі тікелей немесе молекула құрамында байланысып – сұйық және қатты дене құрайды. Атомның барлық химиялық және физикалық қасиеттері атом құрылымдарының ерекшеліктерімен анықталады.
Атом оң электр заряды бар ауыр ядродан және оның төңірегін айнал-

дыра қоршаған жеңіл бөлшектер – теріс зарядты электрондардан түзілген электрондық қабықшадан құралған. Атомның өлшемдері бүтіндей электрондық қабықшаның өлшемдерімен анықталады және де бұл өлшем атом ядросының өлшемімен салыстырғанда одан үлкен болады, атомның сызықтық өлшемі жуықтап алғанда ~10–8 см, ядросынікі ~10–12–10– 13 см. Электрондық қабықшаның қатаң шекарасы жоқ, атомның өлшемдері осы өлшемдерді анықтау тәсілдеріне байланысты болады.
Ядроның заряды – атомның негізгі сипаттамасы болып табылады, ол белгілі элементке тән болуына байланысты; ядроның заряды қарапайым бөлшектің электр зарядына (е) бүтін еселік болады, абсолюттік шамасы бойынша –е электр зарядына тең, яғни +еZ-ге тең, мұндағы Z – атомдық нөмір (элементтер жүйесіндегі элементтің реттік нөмірі). Атом электрлік бейтарап жүйе; +еZ зарядты болатын ядро жалпы заряды –еZ зарядына тең Z электронды ұстап тұрады. Бір немесе бірнеше электрондарынан айырылған (жоғалтқан) атом оң ион деп аталған, оның заряды +еk, мұндағы k – электрондарды өзіне қосып алған атомның иондалу еселігі, бұл теріс ионды атом. Кейде «атом» деп бейтарап атомды да, оның ионын да атаймыз. Оң және теріс иондарды бейтарап атомнан ажырату үшін элементтің химиялық

Ежелгі грек ойшылдары бүкіл дүние құралатын атомдардың төрт түрі және олардың түрі сызбада көрсетілгендей болады деп болжаған. 1903 жылы Джозеф Томсон (1856–1940) болжаған атом моделі сырттай қарағанда кәдімгі қарбызға ұқсастау болған (бірақ оның шөпектері қарбыздағыдай көп емес – аздау болуы тиіс). Томсонның болжалы бойынша атом оң зарядталған сфера тәрізді болып, оның ішінде теріс зарядты электрондар орналасқан. Қарбыздың шөпектерінің орнында (аздаған) электрондар болған деп елестетуімізге болады. Ежелгі аңыз бойынша біздің заманымыздан бұрынғы VI–V ғасырларда ежелгі грек ойшылдары арасында таралған «Әлем неден құралған?» деген сұраққа ойшыл Левкипп (б.з.б. 500–440) кәдімгі алманы бөлшектеп отырып, оны қаншалықты ұсақтап бөлуге болады деген ойға келген. Алманың ең соңында бөлшектенбейтіндей өте ұсақ түйіршекке келетіндігі туралы қорытындыға келеді. Осылайша бөлшектенбейтін материяны ол өз тілінде (яғни грекше) атом деп (яғни сөзбе-cөз тәржімелегенде «ұсақталмайтын» немесе «бөлшектенбейтін» бөлшек) атап, «атом» ұғымы қалыптасқан. Левкипптің шәкірті Демокрит (б.з.б. 460–371) ұстазының идеясынан жаңа философия тұжырымдаған. Оның тұжырымы бойынша «Әлемнің бастамасы – атомдар мен бос кеңістік» деген қорытынды орныққан.

шартты белгісіне иондалудың есе- лігін анықтайтын индекс қосылып жазылады (мысалы; О+, О8+, О2–). Бейтарап атом мен әлгіндей электрондар саны бар басқа элементтердің жиынтығы и з о- э л е к т р о н д ы қ қ а т а р д ы құрай- ды (мысалы, сутегіне ұқсас қатар Н, Не+,
Li2+, …).
Атом ядросы зарядының қарапайым зарядқа еселігі атомның құрылымын түсіндіреді: оның құрамына +е зарядты Z протондар, сонымен бірге бейтарап бөлшек – нейтрондар енген. Атомның массасы Z артқан сайын өседі. бір атақты ойшылы Аристотель (б.з.б.
Электронның массасы (≈ 0,91·10–27 г) 384–322) алғашқы материя: от, ауа, су немесе топырақтан (жерден) құралған деп төрт
протонның немесе нейтронның масса- стихияға (бөлшекке, элементке) бөлген. Осысынан (жуық шамамен 1840 есе) едәуір лардан әлемдегі бүкіл заттар аралас-құралас құрылатын болған. Осыларға қосымша оның
аз (≈ 1,67·10–27 г), сондықтан бұлардың ұстазы Платон (б.з.б. 427–347) бесінші атомдық массадағы электрондардың бөлшек (элемент) – эфирді қосқан.
үлесі шамалы ғана.
Бір элементтің атомының массалық саны (протондар саны бірдей, ал нейтрондар саны әрқилы болады) әрқилы болуы мүмкін; бір элементтің атомының осындай әртүрлі болуы изотоптар деп аталған. Ядро массасының әрқилы болуы бір элементтің изотоптарының химиялық және физикалық қасиеттеріне әсерін тигізбейді. Әдеттегі жеңіл сутегінің (протий А = 1), дейтерий (А = 2) және тритий (А = 3) массаларының айырмашылығының үлкен болуы себепті сутегі изотоптарында ең көп айырмашылық (изотоптық эффектілер) сутегі изотоптарында байқалады. Атом массасының дәл мәні масс-спектроскопия әдістерімен анықталады. Өлшеулер мынаны айғақтаған; атомның массасы ядро мен барлық электрондардың массаларының қосындысынан масса кемістігі (дефекті) деп аталған шамаға кем болатынын айғақтаған; Δm = W/с2, мұндағы W – атомның байланыс энергиясы с – жарық жылдамдығы. Ауыр атомдар үшін Δm электрон массасына қарайлас, ал жеңіл атомдар үшін электрон массасы ~10–4-ке тең.
Өлшемі кіші ядроның массасы үлкен болғандықтан атомды жуық шамамен өзінің массасының орталығында тынышталған нүкте ретінде қарастыруға болады. Оған қоса атомды қозғалмайтын тарту орталығының төңірегінде қозғалатын N электрондар жүйесі ретінде де қарастырылады. Оның толық ішкі энергиясы ࣟ барлық электрондардың кинетикалық энергияларының Т және бұларды ядроның тарту және бірін-бірі тебу энергияларының U қосындыларына тең. Қарапайым жағдайда сутегі атомында заряды +е ядроның төңірегінде заряды – е бір электрон шыркөбелек айналып қозғалады.
Атом – кванттық жүйе болып табылады, яғни кванттық-механикалық заңдарға бағынышты; мұның негізгі сипаттамасы – толық ішкі энергиясы ࣟ, бұл энергия мына дискретті қатардың тек бір ғана мәнді қабылдайды: ࣟ1, ࣟ2, ࣟ3, …
(ࣟ1<ࣟ2<ࣟ3< …)
Атом ішкі энергияның ࣟ аралық мәнін қабылдай алмайды. Осы энергияның ࣟ «рұқсат етілген» әрбір мәніне атомның кванттық күйлерінің бір немесе бірнеше орнықты (уақыт бойынша өзгермейтін) мәндері сәйкес келеді. Атом энергиясы бір тұрақты күйден екінші күйге тек секірісті түрде – кванттық ауысу тәсілімен ғана өзгере алады.
Атомның ішкі энергиясының мүмкін бо- латын ең аз төменгі деңгейі ࣟ1 негізгі дең- гей, ал бұдан өзгелері (ࣟn>ࣟ1, n=2,3, …) – қоздырылған күй деп аталған, себебі осы деңгейге ауысу үшін атомды қоздыру қажет, сырттан ࣟn–ࣟ1 энергия беру керек. Атомның энергиясын кванттау электрондардың тол- қындық қасиетінің салдары болып табылады. Кванттық механикаға сәйкес, р импульсті микробөлшектің қозғалысына λ=h/р толқын ұзындығы сәйкес болады, атомдағы электрондар үшін λ~10–8 см, яғни атомның сызықтық өлшемімен қарайлас. Атомдағы электрондардың байланысқан қозғалысы (ࣟ<О) тұрғын толқынға ұқсас, оны материалдық нүктенің траектория бо- йынша қозғалысы ретінде емес, күрделі тербелмелі үрдіс ретінде қарастыру керек. Шектеулі көлемдегі тұрғын толқындар үшін λ-ның тек белгілі бір мәнінің болуы мүмкін; Бор атомының моделі үшін, атомдағы электрон белгілі бір орбита бойынша қозғалады, бүтін санды λ (толқын ұзындығы) салынатын дөңгелек орбита мүмкін болады. λ-ның белгілі мәніне р және ࣟ-нің белгілі бір мәндері сәйкес келеді.
Атомнан бөлініп шыққан электронның еркін қозғалысы шексіз көлемдегі қума толқынның
таралуына ұқсас, бұл үшін λ-ның кез келген мәндері мүмкін бо- лады; мұның энергиясы квантталмайды және үздіксіз энергетикалық спектрлі болады. Осындай үздіксіз энергия тізбегі иондалған атомдарға тән, яғни ࣟ>0 болғанда. ࣟ∞ = 0 мәні атомдардың иондану шекарасына сәйкес болады, ал ࣟ∞– ࣟ1 айырымы негізгі иондалу энергиясына тең ࣟион (сутегі үшін ࣟион = 13,6 эВ).
Атом ең жоғары энергиялы ࣟі деңгейден ең аз энергиялы деңгейге ࣟk квант- тық ауысуы кезінде ࣟі – ࣟk энергияны сыртқа шығарады (таратады), кері ауысу кезінде осы энергияны жұтады. Кванттық ауысудың маңызды сипаттамасы 1 секундтағы ауысулар санын анықтайтын ауысу ықтималдығы болып табылады. Атомның сәуле шығару кезіндегі кванттық ауысуында (ࣟk→ࣟі ауысуда) электрмагниттік сәуле жұтады немесе (ࣟі→ࣟk ауысуда) таратады (шығарады) [мысалы көзге көрінетін сәулені, ультракүлгін сәулені, инфрақызыл сәулені, аса жоғары жиілікті (микротолқынды) сәулелерді]. Атомдар электрмагниттік энер- гияны жарық сәуленің кванты – ࣟі – ࣟk = hυ қатынасына сәйкес белгілі бір жиілікпен сипатталатын фотондар түрінде жұтады және шығарады (таратады), (мұндағы hυ – фотонның энергиясы), бұл – сәуле шығаруға байланысты микроүрдістерге арналған энергияның сақталу заңы болып табылады.
Атом негізгі күйде фотондарды тек жұта алады, ал қозған күйде фотондарды жұта да, шығара да алады. Еркін атом негізгі күйде шексіз ұзақ уақыт бола алады; оның қоздырылған күйде болу уақытының
ұзақтығы – қоздырылған энергия деңгейінде болатын бар «өмір сүру» уақыты шектеулі; атом фотон шығарып әрі
Ежелгі гректердің пайымдаулары бойынша атомдар
осындай болмақ энергияның ең төменгі деңгейіне ауысып, қоздыру энергиясын өз еркімен ішінара немесе түгелдей жоғалтады. Қоздырылған атомның өз еркімен ауысу ықтималдығы қаншалықты ұзақ болса, «өмір сүру» уақыты соншалықты қысқа болады (қоздырылған Н атомы үшін ~10–8 секундқа тең).
Сәуле шығару және мүмкін болатын жиіліктер жиынтығы атомның оптика- лық спектрін; төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге ауысу жиілігінің жиынты- ғы – жұту спектрін, жоғарғы деңгейден төменгі деңгейге ауысу-шығару спектрін анықтайды.
Сәуле шығарусыз өтетін кванттық ауысуларда атом өзімен соқтығысатын (мысалы, газдарда) немесе ұзақ уақыт байланысқан (молекулаларда, сұйықтарда және қатты денелерде) өзге бөлшектермен өзараәсерлескенде энергия бөліп шыға- рады (береді) немесе жұтады (алады). Атомаралық газдарда соқтығысулар аралығындағы уақытта атомдарды еркін атомдар деп санауға болады; соқ- тығысулар (соққы) кезінде атом энергияның өзге деңгейіне өте алады (серпімсіз соқтығысу, серпімді соқтығысулар кезінде атомның тек кинетикалық энергиясы ғана өзгеріске ұшырайды, ал ішкі энергиясы өзгеріссіз қалады). Еркін атомның шапшаң қозғалатын электронмен соқтығысулары электрондық соққымен атомның қоздырылуы – атом энергиясының деңгейін анықтайтын әдістердің бірі болып табылады.
Атомның көпшілік қасиеттері және оның электрондары әлсіз байланысқан сыртқы электрондық қабықшасының құрылымы мен сипаттамасы бойынша анықталады. Электрондары едәуір берік байланысқан ішкері қабықшаларының құрылымы тек атомдардың шапшаң қозғалатын бөлшектермен және жоғары энергиялы фотондармен өзараәсерлесуі кезінде байқалады. Осындай өзараәсерлесу атомның рентгендік спектрлерін және бөлшектердің шашырауын айғақтайды. Атомның массасы атомның механикалық қасиеттерін – оның импульсін, кине- тикалық энергиясын түгелдей анықтайды. Атом ядросының механикалық және онымен байланысты магниттік және электрлік моменттері бірқатар физикалық аса дәл эффектілерге тәуелді (ядролық магниттік резонанс, ядролық квадруполді резонанс, аса дәл құрылым т.б.).
Атомның сыртқы қабықшасындағы электрондар сыртқы әсерлерге оңай ұшырайды. Атомдар бір-бірімен жақындасқан кезде күшті өзараәсерлесу туады (алмаспалы өзараәсерлесу деген де қосылады), осының нәтижесінде молекулалар түзіледі. Сыртқы қабықшадағы электрондар химиялық байланыстарға қатысады.
Екі атомның әлсіз электрстатикалық өзараәсерлесуі әлгілердің өзара полярлануында – элекрондардың ядроға қатысты ығысуынан байқалады. Атомдар арасындағы тартылыс күштерінің полярлануы пайда болады. Атомдардың полярлануы сыртқы электр өрісінде жүзеге асырылады; нәтижесінде энергия деңгейлері ығысады, бұл жайт қайта туған энергия деңгейлерінде өте маңызды, олар ыдырайтын болады (Штарк эффектісі). Атом жарық сәуленің электрлік өрісінің әсерінен полярлана алады; полярлану жиілік пен сыну көрсеткішіне тәуелді болады. Атомның оптикалық сипаттамасының оның электрлік қасиеттерімен тығыз байланысы, оның оптикалық спектрінен айқын байқалады.
Атомның магниттік қасиеттері сыртқы электрондарымен анықталады. Қа- бықшалары электрондармен түгелдей толтырылған атомның магниттік моменті, толық механикалық момент ретінде нөлге тең. Электрондармен түгелдей тол- тырылмаған сыртқы қабықшалы атомның магниттік моменті нөлге тең емес; мұндай атом парамагниттік атом болып табылады. Сыртқы магнит өрісінде магниттік моменттері нөлге тең емес атомдардың бүкіл деңгейлері ыдырайтын болады (Зееман эффектісі). Барлық атомдар сыртқы магнит өрісінің әсерінен магниттік моменттері (индукцияланған момент деп аталған) пайда болатын диамагнетизм қасиетіне ие болады.
Қозған атом – атомның негізгі күйдегі энергиясымен салыстырғанда артық энергиялы күйі.
Сутекке ұқсас атом – сыртқы қабықшасында бір ғана электроны болатын атом.
Дүмпулік атом, т е б у л і к а т о м – ядросы радиоактивтік түрлену кезінде атом орналасқан ортаның бөлшектерінің жылулық қозғалыс энергиясынан айтарлықтай артық энергия алған атом.