атом

АТОМ - наименьшая часть хим. элемента, способная к самостоят. существованию и являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определ. род А., обозначаемый хим. символом этого элемента. А. могут существовать в свободном состоянии в газах. В связанном состоянии А. входят в состав молекул, соединяясь химически с атомами того же элемента или др. элементов, и конденсир. тел (см. Жидкость, Твёрдое тело). В статье будут рассматриваться свободные А. Физ. и хим. свойства свободного А. определяются его составом и строением.

Общая характеристика строения атома. А. состоит из электрически положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Принадлежность А. данному элементу определяется величиной заряда ядра (е - величина элементарного электрич. заряда, Z - ат. номер).

Число электронов в нейтральном А. равно Z, их общий отрицат. заряд равен -. Теряя электроны, нейтральный А. превращается в ионизир. А.- положительно заряженный ион, а после присоединения одного или неск. электронов - в отрицат. ион. Число электронов, к-рое А. потерял (присоединил), определяет кратность иона. Нейтральный А. обозначают символом элемента, для ионов к символу А. добавляют индексы справа сверху, напр. (или ), - однократно и двукратно ионизированные А. азота (положит. ионы), двукратный отрицат. ион кислорода.

Нейтральный А. элемента и ионы А. др. элементов с тем же числом электронов образуют изоэлектронный ряд (напр., Водородоподобные атомы). Членам изоэлектронного ряда присуще значит. сходство в строении А., многие их свойства закономерно изменяются с изменением Z.

Размеры А. определяются размерами его электронной оболочки, не имеющей строго определ. границ, поэтому значения радиуса и объёма А. зависят от способа их эксперим. определения. Размеры А. могут быть получены из определения постоянной b в Ван-дер-Ваалъса уравнении, средней длины свободного пробега в газе, из расстояния между А. в кристаллич. решётке и др. способами. Линейные размеры А.~ 10^-8 см, площадь поперечных сечений ~10^-16см², объём ~10^-24 см³.

В теории атома Бора (см. Атомная физика)радиус простейшего А.- А. водорода - имеет точно определ. значение и равняется радиусу наименьшей возможной круговой орбиты: а0,53*10^-8 см (точнее, 0,52917*10^-8 см). Эта величина оказывается удобной естеств. единицей для измерения линейных размеров (см. Естественные системы единиц).

Линейные размеры атомных ядер много меньше линейных размеров A. (~10^-13-10^-12 см), поэтому ядро часто рассматривают как точечный заряд и лишь для тонких эффектов взаимодействия ядра с электронными оболочками учитывают его конечные размеры.

Масса А. определяется в осн. массой его ядра и возрастает пропорционально массовому числу А, т. е. общему числу протонов и нейтронов - числу нуклонов в ядре (ядро содержит Z протонов к А - Z нейтронов). Масса электрона (0,91*10^-27 г) примерно в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона (1,67*10^-24 г), поэтому центр тяжести А. практически совпадает с ядром и можно приближённо считать, что в системе координат, связанной с А., движутся только электроны, а ядро покоится. Учёт движения ядра относительно общего центра тяжести ядра и электронов приводит в теории А. лишь к малым поправкам (см. Изотопический сдвиг).

Обычно массу A. M выражают в атомных единицах массы (относит. масса А., см Атомная масса). Наиб. точные значения M получаются методами масс-спектроскопии.

Масса А. не равна в точности сумме масс ядра и электронов, а меньше её на величину дефекта масс, дефект масс для лёгких А. значительно меньше массы электрона, растёт с увеличением Z, но не превышает массы электрона даже для самых тяжёлых А.

А характеризуется полной энергией, выделяющейся при его образовании из ядра и электронов,- т. е. энергией связи, равной сумме энергий, необходимых для последоват. отрыва от ядра всех Z электронов. Полная энергия бистро возрастает с увеличением Z. Для тяжёлых А. она составляет неск. сотен кэВ (напр., для А. урана она 400 кэВ).

Внутренняя энергия А.- его осн. характеристика. А. является квантовой системой, его внутр. энергия квантуется - принимает дискретный (прерывный) ряд значений, соответствующих устойчивым, стационарным состояниям А., промежуточные значения эта энергия принимать не может. На схемах уровней энергии возможные значения энергии А. изображаются горизонтальными линиями, расстояния между к-рыми пропорциональны соответствующим разностям энергий.

В простейшем случае А. водорода расстояния между уровнями энергии (рис. 1) закономерно уменьшаются и, бесконечно сгущаясь, уровни сходятся к границе ионизации , соответствующей отрыву электрона. Выше границы ионизации лежит непрерывный энергетич. спектр. Разность энергий есть энергия ионизации А. Схема уровней энергии водородоподобных ионов отличается от приведенной на рис. только увеличением масштаба в Z² раз. Для А., содержащих 2 электрона и более, схемы уровней энергии усложняются.

Рис. 1. Уровни энергии А. водорода и квантовые переходы. Цифрами указаны длины волн спектральных линия, группирующихся в Спектральные серии. Для серий Лаймана и Бальмера даны обозначения отдельных линий.

Самый нижний (основной) уровень энергии А. соответствует состоянию А. с наименьшей энергией - его основному, или нормальному, состоянию; осн. состояние А. наиб. устойчиво, в нём свободный, не подверженный внеш. воздействиям А. может находиться неограниченно долго. Все остальные - возбуждённые - состояния А. обладают большей энергией. В возбуждённое состояние А. может перейти из основного путём излучательного квантового перехода, поглотив квант эл--магн. энергии, или получив энергию от др. частицы при столкновении с ней (безызлучательный квантовый переход).

Возбуждённые состояния имеют конечное время жизни (для свободного А. оно ~10^-8 с), т. к. А. стремится перейти в состояние с меньшей энергией; при этом А. испускает фотон, энергия к-рого равна , где и - энергии верхнего и нижнего уровней А. соответственно, - частота испускаемого эл--магн. излучения. При обратном переходе с нижнего уровня на верхний А. должна быть сообщена энергия . Каждому излучатель-ному квантовому переходу А. соответствует спектральная линия частоты (или длины волны ), совокупность спектральных линий А. образует его спектр (см. А томные спектры). Интенсивность спектральных линий зависит от вероятностей соответствующих квантовых переходов, к-рые в свою очередь определяются т. н. Эйнштейна коэффициентами. (На рис. 1 показаны спектральные серии, в к-рые группируются спектральные линии А. водорода, для последних указаны длины волн .)

Значения дозволенных энергий А. можно определить, либо изучая возбуждение его электронным ударом - по значениям энергии возбуждающих электронов (потенциалов возбуждения), либо путём расшифровки атомных спектров; последний метод является основным для определения уровней энергии А., поскольку частоты испускаемых и поглощаемых фотонов определяются с гораздо большей точностью, чем потенциалы возбуждения.

Квантование энергии А. является следствием волновых свойств электрона, к-рыми он (как и др. микрочастицы) обладает наряду с корпускулярными свойствами (см. Корпускулярно-волновой дуализм ).Движению электрона в А. соответствует стоячая волна с длиной 10^-8 см, т. е. порядка линейных размеров А. Поскольку для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определ. значения , то и энергия А. также может принимать лишь дискретный ряд значений. Свободный электрон, оторванный от А., имеет непрерывный энергетич. спектр.

Теория атома водорода и водородоподобных ионов. Последовательная теория А. основана на законах квантовой механики. Квантовомеханич. теория объясняет устойчивость А., необъяснимую в рамках классич. физики, а также позволяет достаточно точно рассчитать для простейших А. уровни энергии, вероятности переходов и т. д., с помощью разл. приближённых методов можно рассчитывать характеристики сложных А. На основе квантовых представлений с единой точки зрения можно объяснить оптич., магн., электрич. и хим. (см. Квантовая химия)свойства А., а также периодическую систему элементов Менделеева.

Теорию одноэлектронного А.- А., состоящего из ядра с зарядом+Ze и одного электрона с зарядом -е, обычно наз. теорией А водорода. Движение электрона относительно ядра представляет собой движение частицы с тремя степенями свободы в кулоновском поле ядра (центр. поле). Потенциальная энергия электрона в таком поле , зависит только от расстояния r электрона от ядра и не зависит от направления радиуса-вектора. T. о., имеет место сферическая симметрия. Возможные значения энергии одноэлектронного А. (и соответствующие волновые ф-ции, характеризующие состояние электрона в нём) получаются при решении Шрёдингера уравнения, в гамильтониан к-рого подставляется выражение для U(r). Когда энергия электрона отрицательна (для связанного электрона), возможные её значения задаются ф-лой:

где n=1, 2, 3 ...-главное квантовое число, определяющее энергию различных состояний А., а постоянная hcR (R - Ридберга постоянная)представляет собой энергию ионизации А. водорода, равную энергии его основного состояния (Z=1, n = 1), взятой с обратным знаком.

Состояние А., кроме гл. квантового числа п, определяется также азимутальным (наз. также орбитальным) квантовым числом l и магн. квантовым числом . Квантовое число l = 0, 1, 2, ..., п - 1 определяет величину орбитального момента А., т. е. момента импульса электрона относительно ядра: . При заданном п число l принимает п разл. значений. Квантовое число определяет величину проекции орбитального момента на произвольно выбранное направление z: ; при заданном l число принимает 2l+1 значений: - l, l - 1, ..., -l. Квантовые числа n, l и полностью характеризуют состояние электрона в А. Состояния с l=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ... принято обозначать буквами s, р, d, f, g, h, i, ... соответственно.

Точное положение электрона в А. в определ. момент времени установить нельзя вследствие неопределённостей соотношения. Состояние электрона в А. определяется волновой ф-цией , к-рая при заданных значениях п. l и определ. образом зависит от координат; даёт плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Т.о., состояние электрона в А. можно характеризовать распределением в пространстве его электрич. заряда с некоторой плотностью - распределением электронной плотности (рис. 2). При этом электроны как бы размазаны в пространстве и образуют электронное облако, размеры к-рого растут ~ n². Для s-состояний (l=0) волновая ф-ция и распределение электронной плотности обладают сферич. симметрией и обращаются в нуль на (n-1)-й сфере, то есть имеют п-1 узловую сферическую поверхность; при этом в центре (соответствующем началу координат) и отличны от нуля, что является характерной особенностью s-состояний; в точке, где находится ядро, вероятность нахождения электрона не равна нулю. Для р-состояний (l=1) и d-состояний (l=2) значения волновой ф-ции и распределение электронной плотности в разных направлениях различны и зависят от абс. значения ; при этом и обращаются в нуль на нек-рых узловых поверхностях и всегда равны нулю в начале координат.

В явном виде волновые ф-ции получаются при решении ур-ния Шрёдингера:

где - радиальная часть волновой ф-ции, а - угловая часть, являющаяся сферической функцией. Электронная плотность

Вероятность найти электрон в элементе объёма

равна

Рис. 2. Распределение электронной плотности в одноэлектронном атоме для состояний с п= 1,2 и 3, полученное фотографированием специальных моделей. При переходе от n=1 к n=2 и от п-2 к n=3 масштаб уменьшается.

Множитель определяет радиальное распределение электронной плотности - вероятность найти электрон на определ. расстоянии от ядра, рассчитанную на единицу длины; множитель определяет угловое распределение электронной плотности - зависимость от (от квадрат модуля сферич. ф-ции не зависит, что приводит для состояния с заданным значением к распределению электронной плотности, обладающему аксиальной симметрией относительно выделенной оси).

Важным свойством состояний водородоподобного А. является независимость его энергии от l и . А. с определ. значением энергии может находиться в неск. состояниях с разл. значениями l и , т. е. имеет место вырождение состояний (вырождение уровней энергии) А., причём число состояний с одинаковой энергией наз. степенью или кратностью вырождения. Независимость энергии А. от (вырождение по m_l) связана со сферич. симметрией А. - энергия А. не зависит от значения проекции орбитального момента на произвольное направление, а независимость энергии от l (вырождение по l) связана с тем, что электрон в атоме движется в кулоновском поле ядра.

Для объяснения нек-рых явлений (напр., тонкой структуры, в атомных спектрах) теоретически был введён собств. момент импульса электрона - его спин (см. Дирака уравнение ),существование к-рого подтвердилось экспериментально Штерна - Герлаха опытом. Со спином электрона связан спиновый магн. момент электрона. Проекция спинового момента M_SZ электрона в А. на произвольную ось z определяется магн. спиновым (наз. также просто спиновым) квантовым числом : . T. о., при заданных l и возможны два разл. состояния А., отличающихся значениями . Полная кратность вырождения по l, и равна .

Для уровней энергии с п/2 вырождение снимается вследствие влияния спина на орбитальное движение электрона в А. - спин-орбитального взаимодействия - магн. взаимодействия магн. спинового момента электрона с его орбитальным магн. моментом, возникающим в результате орбитального движения электрона. Снятие вырождения приводит к расщеплению уровней энергии - появлению их тонкой структуры. Состояния А. характеризуются в этом случае полным моментом импульса . Величина определяется квантовым числом полного момента (иногда для него употребляют старый термин-внутр. квантовое число). В результате получается 2n - 1 состояний, отличающихся значениями l и j. При n = 1, 2, 3 получаются состояния:

(обозначения в последнем столбце см. в ст. Атомные спектры).

Решение ур-ний квантовой механики с учётом спина электрона (релятивистская квантовая механика) приводит к изменению выражения для энергии - к ней добавляется величина

где -тонкой структуры постоянная .Зависимость от j приводит к расщеплению уровня энергии с заданным п на п подуровней. От l поправка не зависит, т. е. энергии состояний с одинаковыми j, но разными l должны быть равны. Величина расщепления уровней равна:

.

Множитель 1/18800, поэтому расщепление мало; так, для А. водорода при n= 2 величина получается равной 4,5*10^-5 эВ. С увеличением Z, абс. величина расщепления очень быстро растёт (как Z⁴, относит. величина расщепления).

Исследования тонкой структуры спектральных линий и особенно непосредств. измерение расщепления уровней энергии А. водорода и гелия методами радиоспектроскопии с большой точностью подтвердили теоретически полученное выражение для . Опыт показал, что кроме расщепления наблюдается сдвиг уровней энергии - квантовый эффект, связанный с реакцией излучения. Наиб. точное определение сдвига уровней А. водорода, полученное методами радиоспектроскопии, показало, что расхождение опыта с теорией меньше 0,1%.

Наряду с тонкой наблюдается сверхтонкая структура уровней энергии, обусловленная взаимодействием магн. моментов электрона с магн. моментом ядра (см. Ядро атомное ),а также изотопич. смещение, связанное с различием масс ядер изотопов одного элемента. Нек-рое искажение сверхтонкой структуры возникает вследствие влияния квадрупольного электрич. момента ядра. Изучение всех этих малых эффектов спектроскопич. методами позволяет определять свойства и структуру атомных ядер. Для атома водорода сверхтонкая структура наблюдается и для основного уровня энергии (n=1, l=0; тонкая структура в этом случае отсутствует); это объясняется взаимодействием полного электронного момента атома со спиновым моментом ядра (протона). При переходе между двумя появляющимися подуровнями сверхтонкого расщепления основного уровня водорода возникает излучение с длиной волны=21 см, наблюдаемое для межзвёздного водорода.

Квантовомеханическая теория сложных атомов. Строение и свойства А., содержащих 2 и более электронов, значительно отличаются от теории водородоподобных атомов. Это объясняется прежде всего тем, что возникает необходимость учёта взаимодействий электронов друг с другом: электростатич. отталкивание и магн. взаимодействия спиновых и орбитальных магн. моментов электронов. Электростатич. взаимодействия электронов в А. велики по сравнению с магнитными. Они значительно ослабляют прочность связи электронов с ядром. Так, для А. гелия и гелиеподобных ионов Li⁺,Be²⁺, . . .) потенциальная энергия электронов:

,

где r₁ и r₂ - расстояния 1-го и 2-го электронов от ядра, расстояние r_l2 между электронами определяет энергию их взаимодействия , играющую весьма существ. роль; напр., энергия связи электрона в He⁺ равна 54,40 эВ, а энергия связи двух электронов в А. гелия в осн. состоянии - 78,98 эВ, т. е. меньше удвоенной энергии связи одного электрона в , что объясняется отталкиванием электронов в Не.

Теория многоэлектронного А. должна учитывать принципиальную неразличимость и тождественность ого электронов (см. Тождественности принцип). Поэтому электронную оболочку сложного А. рассматривают как единую систему. При строгом квантовомеханич. рассмотрении сложный А. характеризуется волновой ф-цией, одинаково зависящей от координат всех электронов, антисимметричной относительно любой пары электронов, т. е. она должна менять знак при перестановке любых двух электронов (см. Паули принцип).

В грубом приближении можно считать, что каждый электрон в А. находится в своём квантовом состоянии, характеризуемом четырьмя квантовыми числами п, l, m_l и , а состояние А. сводится к определ. сочетанию индивидуальных состояний отд. электронов. Тогда требование антисимметрии волновой ф-ции А. может быть сведено к простейшей формулировке одного из осн. принципов для квантовой системы тождественных частиц - принципа Паули: в сложном А. в каждом из возможных квантовых состояний может находиться не более одного электрона, т. е. состояния электронов в А. должны отличаться хотя бы одним из 4 квантовых чисел п, l, m_l или . Характеристика состояний отд. электронов в сложном А. при помощи набора квантовых чисел позволяет систематизировать уровни энергии такого А.

В данном одноэлектронном состоянии энергия электрона оказывается зависящей не только от п, как в А. водорода, но и от l; от и она по-прежнему не зависит. Электроны с данными п и l, т.н. эквивалентные электроны, обладают одинаковой энергией и образуют электронную оболочку А.

Энергия отд. электрона в сложном А. может быть представлена в виде, аналогичном энергии А. водорода:

где , т. е. эфф. заряд, - постоянная экранирования, приближённо учитывающая взаимодействие между электронами. T. о., электроны А. экранируют положительно заряж. ядро от рассматриваемого электрона. возрастает с увеличением га, а при данном п - с увеличением l (чем больше l и п, тем дальше от ядра находится электрон и тем большее число электронов экранируют от него ядро). Электроны с меньшими значениями l связаны прочнее:

Выражение для соответствует предположению о том, что полное электрич. поле ядра и остальных электронов, действующее на данный электрон, обладает сферич. симметрией, как и кулоновское поле ядра в одноэлектронном А. Квантование орбитального момента импульса для многоэлектронного А. связано именно со сферич. симметрией электрич. поля, и квантовое число l сохраняет свой смысл.

Определение энергии А. с Z/2 и усреднённых полей, действующих на данный электрон со стороны остальных электронов, возможно лишь на основе приближённых квантовомеханич. методов расчёта. Так, для двух-электронного А. приближённое решение может быть получено с большой точностью путём применения вариационного метода. Приближённое квантовомеханич. решение для многоэлектронных А. может быть получено путём сведения его к задаче для одноэлектронной системы. В методе самосогласованного поля решается система ур-ний для движения каждого электрона в усреднённом поле всех остальных электронов; получающееся распределение электронной плотности отражает структуру электронных оболочек А. Хартри - Фока метод учитывает тождественность электронов.

Электронные оболочки атома. Периодическая система элементов. Индивидуальные состояния электронов в приближённой модели сложного А. группируются по значениям квантовых чисел n и l, причём число электронов в А. с заданными значениями п и l определяется принципом Паули. При заданном l магн. квантовое число m_l принимает 2l+1 значений, a m_S - два значения, поэтому число возможных состояний в электронной оболочке с данным l равно 2(2 l+1). Так, оболочка l=0 (s-оболочка) заполняется двумя электронами, оболочка l=1 (р-оболочка) - 6 электронами, оболочка l=2 (d-оболочка) - 10 электронами, оболочка l=3 (f-оболочка) - 14 электронами. Все электроны с заданным п образуют электронный слой, содержащий 2 п² электронов. Слои с n= 1,2,3,4,5,..., согласно терминологии, принятой для рентгеновских спектров, часто наз. K-, L-, M-, N-, P-слоями и т. д. Макс. число электронов в слое равно:

К-слой	L-слой	М -слой	N- слой
n = 1	n = 2	n = 3	п = 4
l = 0	l = 0,1	l = 0, 1, 2	l = 0, 1,2,3
2 электрона	2 + 6 = 8 электронов	2 + 6+10=18 электронов	2 + 6 + 10 + 14 = 32 электрона

Рассматривая последовательное заполнение электронных слоев и оболочек, можно дать физ. объяснение пе-риодич. закона элементов Менделеева. Вблизи ядра А. находятся наиболее прочно связанные электроны с n=1, затем менее прочно связанные с n=2 и т. д. Соответственно этому происходит заполнение слоев при переходе от одного А. к другому, более тяжёлому. Так, у А. водорода и гелия имеются только один электронный слой и одна оболочка (n=1, l=0). При переходе к А. с большим Z, вследствие возрастания заряда ядра, электронный слой стягивается к ядру и начинает заполняться слой n=2 и т. д. При заданном п сначала заполняется состояния s-электронов (l=0), затем р-электронов (Z=1), d-электронов (l=2), f-электронов (n=3) и т. д. С точки зрения пространственного распределения, это означает, что сначала заполняются внутренние, более близкие к ядру слои, затем более внешние. При этом по мере возрастания Z внешние электронные оболочки периодически заполняются электронами с теми же значениями l (при возрастающих n); это приводит к периодичности хим. и физ. свойств элементов.

Периоды в периодич. системе элементов соответствуют последовательному заполнению электронных оболочек с возрастающими значениями n и l. Ядро с зарядом Z присоединяет электроны в порядке уменьшения прочности их связи. Для элементов 1-го периода происходит сначала заполнение оболочки 1 s, для элементов 2-го и 3-го периодов - оболочек 2 s, 2 р и 3 s, 3 р. Однако начиная с 4-го периода последовательность заполнения оболочек нарушается вследствие конкуренции близких по энергии связи электронов; при этом прочнее могут оказаться связанными электроны с большим n, но меньшим l (напр., электроны 4 s прочнее связаны, чем 3 d).

Распределение электронов в А. по оболочкам определяет его электронную конфигурацию. Для указания электронной конфигурации А. пишут в ряд символы заполненных электронных состояний оболочек, начиная с самой близкой к ядру; индексом справа вверху отмечают числа электронов в оболочке, находящихся в этих состояниях. Так, у атома Al (Z=13) в слое с n=1 имеются два s-электрона, в слое с n=2- два s- и шесть р-электронов, в слое с n=3 - два s- и один р-электрон. Это может быть записано в виде:

При заполнении -оболочек получаются группы переходных металлов, при заполнении - и 5f-оболочек - группа лантаноидов (редкоземельных элементов) и группа актиноидов (2-я группа редкоземельных элементов).

Порядок заполнения электронных оболочек при увеличении Z можно представить с помощью схемы:

В последующих оболочках электроны связаны менее прочно, чем в предшествующих, причём сначала заполняются оболочки с меньшими значениями n+l, а при том же значении n+l - с бблыпими значениями l (правило Клечковского).

Данная схема относится к последовательности заполнения внеш. оболочек А., что и определяет последовательность элементов в периодич. системе. При увеличении Z для внутр. оболочек восстанавливается нормальная последовательность оболочек по энергиям связи в них электронов, когда электроны с меньшим п связаны прочнее, чем электроны с большим п, независимо от значений l. Это происходит потому, что при возрастании Z разница в энергиях связи электронов с данным п, но разл. значениями l, становится менее существенной.

Наряду с нормальной электронной конфигурацией А., соответствующей наиб. прочной энергии связи всех электронов, при возбуждении одного или неск. электронов получаются возбуждённые электронные конфигурации. Каждой электронной конфигурации в случае полностью укомплектованных оболочек соответствует один уровень энергии А., а в случае недостроенных внутр. оболочек (напр., s, р, р², р³, sp,...) - ряд уровней энергии. Самый глубокий уровень энергии нормальной конфигурации А. наз. основным, все остальные уровни энергии - возбуждённые.

А. гелия имеет нормальную конфигурацию 1 s² и возбуждённые конфигурации , , ... (возбуждён один электрон) и , ... (возбуждены оба электрона). Нормальной электронной конфигурации и конфигурациям , , ..., содержащим электроны с одинаковым п и l=0, соответствует по одному уровню энергии, остальным конфигурациям - по нескольку уровней энергии. При этом все уровни энергии разбиваются на две системы уровней: систему уровней ортогелия и систему уровней парагелия; первая соответствует параллельной ориентации спинов электронов [спиновые моменты электронов и (в единицах h)складываются в полный спиновый момент, равный 1], вторая - антипараллельной ориентации спинов (спиновые моменты компенсируются и полный спиновый момент равен нулю). Для нормальной конфигурации гелия вследствие принципа Паули возможна только антипараллельная ориентация спинов электронов, соответствующая парагелию.

Периодичность хим., оптич., электрич. и магн. свойств А. разл. элементов в зависимости от Z связана со сходным строением внеш. электронных оболочек, определяющим эти свойства. Эта периодичность сохраняется и для ионов: теряя один электрон, А. становится подобен по ряду свойств атомам предыдущей группы элементов (напр., однократно ионизованные щелочноземельные А.- атомам щелочных металлов). Сходными свойствами обладают члены изоэлектронного ряда. Совр. техника эксперимента позволяет получать многозарядные ионы тяжёлых элементов и исследовать их. Для таких высокоионизованных атомов и масштаб энергий возрастает ~Z².

Влияние на атом электрических и магнитных полей. А.- система электрически заряженных частиц, поэтому на него оказывают воздействие внеш. электрич. и магн. поля. Свободные А. не могут обладать постоянным электрическим дипольным моментом, но во внеш. электрич. поле они поляризуются - приобретают индуцированный дипольный момент (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул). Большинство А. обладают пост. магн. моментом, отличным от нуля и зависящим от того, как складываются спиновые и орбитальные моменты электронов. А. с целиком заполненными электронными оболочками, в частности А. инертных газов и щелочноземельных металлов, не имеют магн. момента, т. к. для любой заполненной оболочки все моменты (спиновые и орбитальные) отд. электронов при сложении компенсируются. А. с частично заполненными оболочками, как правило, имеют магн. моменты и являются парамагнитными (см. Парамагнетизм). Все А. обладают диамагнетизмом ,к-рый обусловлен появлением у них магн. момента под действием внеш. магн. поля.

Во внеш. поле А. приобретает дополнит. энергию и его уровни расщепляются, т. е. происходит снятие вырождения уровней энергии свободного А. кратности 2J+1, где квантовое число J определяет величину полного момента импульса А. В результате расщепления уровней энергии расщепляются и спектральные линии в спектре А. (см. Зеемана эффект, Штарка эффект). Магн. поле вызывает прецессию электронной оболочки вокруг направления поля (см. Лармора прецессия ).Дополнит. энергия, к-рую А. приобретает в магн. поле, зависит от абс. величины и знака квантового числа т_J, определяющего проекцию полного момента на некрое направление. T. к. т_J принимает 2J+1 значение, то уровень энергии в магн. поле расщепляется на 2J+1 подуровней.

Во внеш. электрич. поле дополнит. энергия, к-рую приобретает А., не зависит от знака , поэтому в электрич. поле происходит неполное расщепление уровней энергии - подуровни с дважды вырождены (уровень с невырожден).

На А., находящийся в связанном состоянии, существ. влияние оказывают неоднородные поля окружающих частиц. Особенно значительны воздействия электрич. полей, воздействия магн. полей играют меньшую роль. Уровни энергии ионов в кристалле или растворе могут сильно отличаться от уровней энергии свободного иона и терять дискретную структуру. Дискретная структура уровней может сохраняться в кристалле у ионов с достраивающимися d- и f-оболочками, действие на них полей окружающих частиц сводится к расщеплению уровней энергии, зависящему от симметрии поля. А., входящий в состав молекулы, ещё более отличается от свободного, т. к. внеш. электроны, определяющие осн. свойства А., участвуют в образовании хим. связи и лишь внутр. оболочки А. изменяются мало.

Для изучения свойств А. очень важно рассмотрение его поведения в газе и плазме, где действие на А. электрич. полей окружающих частиц приводит, в частности, к уширению спектральных линий.

Лит.: 1) Шпольский Э. В., Атомная физика, т. 1, 7 изд., M., 1984; 2) Борн M., Атомная физика, пер. с англ., 3 изд., M., 1970; 3) Зоммерфельд А., Строение атома и спектры, пер. с нем., т. 1-2, M., 1956; 4) Ландау Л. Д., Лифшиц Е. M., Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., M., 1974; 5) Давыдов А. С., Квантовая механика, 2 изд., M., 1973; 6) Фано У., Фано Л., Физика атомов и молекул, пер. с англ., M., 1980; 7) Moore C. E., Atomic energy levels, v. 1-3, Wash., 1949-58; 8) Bashkin S., Stoner J., Atomic energy level and grotrian diagrams, v. 1-3, Amst., 1975-81. M. А. Ельяшевич.

   <<      Предметный указатель      >>