Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Силы взаимодействия, определяющие структуру атома, являются в основном силами электрического взаимодействия электронов с ядром и между собой: электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Другие силы (магнитные) играют в атоме сравнительно второстепенную роль. Заряд ядра, а тем самым и электрическое поле, в котором движутся электроны, определяется атомным номером,— в этом снова выявляется фундаментальная роль этого числа для свойств атома.
Совершенно никакой роли не играет в атоме гравитационное взаимодействие. Действительно, энергия электрического взаимодействия, например, между двумя электронами на расстоянии г друг от друга есть е2/г, а энергия гравитационного взаимодействия равна Gtn2Ir-, отношение этих двух величин
Это число столь мало, что говорить о гравитационном взаимодействии в атоме не имеет никакого смысла.
Свойства атомов ни в какой степени не могут быть описаны с помощью классической механики — эта механика не в состоянии объяснить не только структуру атома, но и самый факт его существования как устойчивого образования. Классическая механика оказывается совершенно неприменимой к движению частиц столь малой массы, как электроны, происходящему в таких малых областях пространства, как размеры атома. Атомные явления могут быть 118
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
[ГЛ. V
поняты лишь на основании законов совершенно иной механики, так называемой квантовой механики.
Под влиянием тех или иных внешних воздействий атом может потерять из своей электронной оболочки один или более электронов. Тогда мы получим уже не электрически нейтральную, а заряженную атомную частицу — положительно заряженный ион. Энергию, которую необходимо затратить для удаления из атома первого наружного электрона, называют ионизационным потенциалом атома.
Для измерения энергий в атомных явлениях пользуются обычно особой единицей, так как эрг являлся бы для этой цели слишком большой величиной. Эта единица представляет собой энергию, приобретаемую электроном при прохождении им в электрическом поле разности потенциалов в один вольт; она называется электрон-вольтом (эв). Поскольку производимая электрическим полем работа равна произведению величины заряда на разность потенциалов, а 1 вольт составляет 1I300 часть СГСЭ единицы потенциала, то электрон-вольт составляет
1 эв = 4,80 • 10~10 —эрг= 1,60 • 10""12 эрг.
В электрон-вольтах измеряются и ионизационные потенциалы атома. Они колеблются в пределах от наименьшего 3,89 эв для атома цезия до наибольшего 24,6 эв для атома гелия. Ионизационный потенциал атома водорода равен 13,6 эв.
Если рассматривать ионизационный потенциал атома как функцию его атомного номера, то оказывается, что эта функция имеет очень своеобразный периодический характер. Она более или менее монотонно возрастает в каждом периоде таблицы Менделеева, достигая наибольшего значения в атоме благородного газа, и затем резко падает к началу следующего периода. Это является одним из главных проявлений периодических свойств атомов, которые дали таблице атомов название периодической системы.
Величина ионизационного потенциала характеризует собой энергию связи внешних электронов в атоме. Электроны же внутренние, движущиеся в глубине оболочки атома, обладают значительно большими энергиями связи. Энергия, которую надо было бы затратить для удаления из изотопы
электронной оболочки наиболее глубоких электронов, достигает в тяжелых атомах IO4-IO5 эв.
Наряду с положительно заряженными ионами могут существовать также отрицательные атомные ионы, т. е. ионы, в которых атом присоединяет к себе лишний электрон. Однако далеко не всякий изолированный атом способен образовать устойчивую систему при присоединении электрона; не все атомы обладают, как говорят, сродством к лишнему электрону. Могут образовывать отрицательные ионы лишь атомы элементов группы галоидов (F, Cl, Br, I), включая водород, и элементов группы кислорода (О, S, Se, Те). Сродство к электрону у этих элементов различно — наибольшее у галоидов и наименьшее у водорода, где энергия связи в отрицательном ионе составляет всего около 0,1 эв.
Ионы принято обозначать символом химического элемента с индексами H- или —, повторенными в числе, равном заряду иона: H + , СГ и т. п. (вместо индексов + и — иногда пишут точки и штрихи: H', СГ).
§ 38. Изотопы
Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие, вообще говоря, из многих частиц. Этими составными частями ядра являются протоны — ядра атома водорода и так называемые нейтроны — частицы с массой, почти совпадающей с массой протона, но отличающиеся от протона отсутствием электрического заряда. Общее число протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом. Поскольку заряд ядра определяется содержащимися в нем протонами, то, будучи выражен в элементарных зарядах е, он равен числу протонов; другими словами, число протонов в ядре совпадает с атомным номером Z. Остальную долю частиц в ядре составляют нейтроны.
Частицы в ядре удерживаются вместе специфическими силами неэлектрической природы. Это взаимодействие чрезвычайно сильно, и энергии связи частиц в ядре измеряются десятками миллионов электрон-вольт, т. е. огромны по сравнению с энергиями связи электронов в атоме. По этой причине во всех явлениях, не имеющих специально ядерного происхождения, атомные ядра не подвергаются 120
