Было предсказано создание ENA космической плазмой, но их открытие было как преднамеренным, так и случайным. Хотя некоторые ранние усилия были предприняты для обнаружения, их сигнатуры также объясняли противоречивые результаты ионных детекторов в регионах с ожидаемой низкой популяцией ионов. Ионные детекторы были использованы для дальнейших экспериментов по обнаружению ENA в других областях с низким содержанием ионов. Однако разработка специализированных детекторов ENA повлекла за собой преодоление серьезных препятствий как в скептицизме, так и в технологиях.
Хотя ENA наблюдались в космосе с 1960-х по 1980-е годы, первая специализированная камера ENA не использовалась до 1995 года на шведском спутнике Astrid-1 для изучения магнитосферы Земли.
Первые изображения границы гелиосферы, опубликованные в октябре 2009 года, были сделаны инструментами ENA на борту космических кораблей IBEX и Cassini. Эти изображения очень интересны, потому что они бросают вызов существующим теориям о регионе.
Содержание
Создание ENA
Обмен заряда
В столкновении с перезарядкой между ионом плазмы высокой энергии и холодным нейтральным атомом ион «отдает» электроны нейтральным атомом, создавая холодный ион и энергичный нейтральный атом (ENA).
Виды 1 и 2 могут быть одинаковыми или разными, и возможен обмен двумя электронами, например
H + + H → H + H + протон-водородная перезарядка или He 2+ + He → He + He 2+ альфа-гелиевая перезарядка.
Из-за своей зарядовой нейтральности полученный ENA подвержен только гравитационным силам. Поскольку влияние гравитации обычно можно игнорировать, можно с уверенностью предположить, что ENA сохраняет вектор импульса исходного плазменного иона до взаимодействия.
Виды ENA
Фоновые газы
Соответствующие нейтральные газы:
Энергии
Атомы обычно считаются ENA, если их кинетическая энергия явно выше, чем может быть достигнута в типичных термодинамических планетных атмосферах, которая обычно превышает 1 эВ. Эта классификация в некоторой степени произвольна, поскольку обусловлена нижними пределами измерительных приборов ENA. Ограничения верхнего уровня налагаются как методами измерения, так и по научным причинам.
Магнитосферная визуализация ENA
Магнитосфера Земли
Магнитное поле Земли доминирует над земной магнитосферой и не позволяет солнечному ветру ударить нас в лоб. Считается, что из-за отсутствия большой защитной магнитосферы Марс потерял большую часть своих прежних океанов и атмосферы из-за прямого воздействия солнечного ветра. Считается, что Венера с ее толстой атмосферой потеряла большую часть воды в космос в значительной степени из-за абляции солнечного ветра.
Обнаружение ENA в магнитосфере Земли
Первый специальный инструмент ENA был запущен на зондирующей ракете Nike – Tomahawk из форта Черчилль, Манитоба, Канада. За этим экспериментом последовал запуск аналогичного прибора на ракете-носителе Javelin в 1970 году на высоту 840 км на острове Уоллопс у побережья Вирджинии. В 1972 и 1973 годах наличие подписей ENA объяснило несоответствия в измерениях спутников IMP-7 и 8.
Данные ENA со спутника NASA / ESA ISEE 1 позволили построить первое глобальное изображение кольцевого течения шторма в 1982 году. Это был прорыв, проложивший путь к использованию ENA в качестве мощного метода построения изображений. ENA также были обнаружены во время магнитной бури 1982 года прибором SEEP на космическом корабле NASA S81-1. В 1989 году популяция экзосферных атомов водорода вокруг Земли была тщательно изучена спутником NASA Dynamic Explorer (DE-1).
В новом тысячелетии компания ENA Imaging вступила в свои права. Обширные и подробные наблюдения магнитосферы Земли были выполнены с помощью трех инструментов ENA на борту миссии NASA IMAGE в период с 2000 по 2005 год. В июле 2000 года во время геомагнитной бури был сделан набор изображений кольцевого тока Земли с помощью ENA. (См. Изображение вверху страницы.) Шторм был вызван быстрым выбросом корональной массы, который произошел от Солнца 14 июля 2000 г. и прибыл на Землю на следующий день.
Запущенная в 2008 году миссия NASA TWINS (два широкоугольных спектрометра нейтральных атомов) обеспечивает возможность стереоскопического изображения магнитосферы. Создавая изображения ENA в широком диапазоне энергий (
1–100 кэВ) с использованием идентичных инструментов на двух широко разнесенных высотных и наклонных космических аппаратах, TWINS обеспечивает трехмерную визуализацию и разрешение крупномасштабных структур и динамики в магнитосфере.
Планетарные и другие магнитосферы
Магнитосферы других планет изучались с помощью пролетающих космических аппаратов, орбитальных аппаратов, спускаемых аппаратов и наблюдений с Земли.
Луна Земли
Меркурий
Запущенная в 2018 году миссия ESA BepiColombo включает инструменты ENA для достижения своей цели по изучению происхождения, структуры и динамики магнитного поля Меркурия. Инструмент LENA будет напоминать инструмент SARA, отправленный на Луну Земли. Помимо магнитосферных ENA, ожидается также распыление с поверхности Меркурия.
Венера
Запущенный в 2005 году космический аппарат ESA VEX ( Venus Express ) ASPERA (Energetic Neutral Atoms Analyzer) состоит из двух специализированных детекторов ENA. В 2006 г. были получены изображения взаимодействия солнечного ветра с верхними слоями атмосферы Венеры, полученные с помощью ENA, которые показали массовый выброс планетарных ионов кислорода.
Юпитер
Сатурн
Главный радиационный пояс Сатурна был измерен, начиная с высоты 70 000 км от его поверхности и доходя до 783 000 км. Кассини также обнаружил ранее неизвестный внутренний пояс у его поверхности толщиной около 6000 км.
Динамика магнитосферы Сатурна сильно отличается от земной. Плазма вращается вместе с Сатурном в своей магнитосфере. Сильное магнитное поле и быстрое вращение Сатурна создают сильное вращающееся электрическое поле, которое ускоряет плазму в его магнитосфере, пока она не достигнет скорости вращения, близкой к скорости вращения планеты. Поскольку спутники Сатурна по существу «сидят неподвижно» в этом очень высокоскоростном потоке, наблюдалось сложное взаимодействие между этой плазмой и атмосферой луны Титана.
Титан
Прибор Кассини MIMI-INCA ENA неоднократно наблюдал Титан, обнаруживая структуру взаимодействия магнитосферы с плотной атмосферой Титана.
Было проведено несколько исследований выбросов ENA Титана.
Уран и Нептун
« Вояджер-2» НАСА воспользовался своей орбитой, чтобы исследовать Уран и Нептун, единственный космический корабль, который когда-либо делал это. В 1986 году космический аппарат обнаружил уранское магнитное поле, которое одновременно является большим и необычным. Более подробное расследование еще не проведено.
Гелиосферная визуализация ENA
Фоновый нейтральный газ для образования ENA на границе гелиосферы происходит в основном из межзвездного газа, проникающего в гелиосферу. Незначительное количество поступает от нейтрализации межпланетной пыли солнечным ветром около Солнца. Границы гелиосферы невидимы и колеблются. Несмотря на низкую плотность, огромная толщина гелиооболочки делает ее основным источником ENA, помимо планетных магнитосфер. Из-за сильной зависимости характеристик ENA от свойств гелиосферы, методы получения изображений удаленной ENA обеспечат глобальное представление о структуре и динамике гелиосферы, недостижимое никакими другими средствами.
Кассини также получил изображение гелиосферы с помощью ENA, и его результаты дополняют и расширяют результаты исследований IBEX, что позволяет ученым построить первую полную карту звездного неба гелиосферы. Предварительные данные Кассини предполагают, что гелиосфера, возможно, не имеет кометоподобной формы, предсказанной существующими моделями, но ее форма может быть больше похожа на большой круглый пузырь.
Вспышки / CME
Инструменты ENA
Хотя исследование ENA обещало улучшить понимание глобальных магнитосферных и гелиосферных процессов, его продвижение было затруднено из-за изначально огромных экспериментальных трудностей.
В конце 1960-х годов первые попытки прямого измерения ENA выявили связанные с этим трудности. Потоки ENA очень слабые, иногда менее 1 частицы на см 2 в секунду, и обычно обнаруживаются посредством вторичной электронной эмиссии при контакте с твердой поверхностью. Они существуют в регионах, содержащих ультрафиолетовое (УФ) и крайнее ультрафиолетовое (EUV) излучение с потоками, в 100 раз превышающими аналогичные выбросы.
В идеале инструмент ENA также должен:
Проблема дистанционного зондирования с помощью ENA заключается в сочетании масс-спектрометрии с получением изображений потоков слабых частиц в рамках строгих ограничений, накладываемых приложением на космический корабль.
Камеры ENA средней и высокой мощности
Очень рано стало ясно, что для успеха инструменты должны специализироваться на определенных энергиях ENA. Ниже в очень упрощенном виде описывается типичная функция прибора для прибора с высокой (HENA) или средней (MENA) энергией, с отмеченными отличиями. На прилагаемой иллюстрации изображена камера HENA, использовавшаяся в миссии NASA IMAGE, а описание, которое следует ниже, наиболее похоже на инструменты миссии IMAGE.
Коллиматор
Набор электростатических пластин отклоняет заряженные частицы от прибора и коллимирует пучок входящих нейтральных атомов на несколько градусов.
Отклонение фотонов и время полета (TOF)
HENA : TOF определяется требованием обнаружения совпадений, которое также эффективно устраняет фотонный фоновый шум. ENA проходит через тонкую пленку к детектору энергии частиц с почти полностью сохраненной энергией. В то же время электроны, рассеянные вперед от пленки, электростатически отклоняются к детектору, чтобы создать стартовый импульс. ENA, прибывающий к своему твердотельному детектору (SSD), создает конечный импульс, а его положение удара определяет его траекторию и, следовательно, длину пути. Сигналы пуска и останова позволяют определить TOF.
Если электроны рассеиваются входящими фотонами, никакой ENA не будет обнаружен для создания стоп-импульса. Если в течение установленного времени, соответствующего энергии ожидаемых частиц, импульс остановки не обнаруживается, импульс запуска отбрасывается.
MENA : ENA средней энергии будут терять слишком много энергии, проникая через пленку, используемую в приборе HENA. Требуемая более тонкая пленка будет уязвима для повреждения падающим УФ и EUV. Таким образом, фотоны не попадают в прибор с помощью золотой дифракционной решетки. На тыльной стороне решетки закреплена сверхтонкая углеродная пленка. ENA проходят через решетку и пленку, чтобы воздействовать на твердотельный детектор (SSD), рассеивая электроны и позволяя определять длину пути и время пролета, как для HENA выше.
Зная длину пути и время пролета, можно определить скорость.
Энергия
Твердотельный детектор (SSD), на который воздействует ENA после прохождения через фольгу, регистрирует свою энергию. Небольшие потери энергии из-за прохождения через фольгу компенсируются калибровкой прибора.
Масса
Зная энергию и скорость, масса частицы может быть вычислена из энергии = MV 2 /2. В качестве альтернативы, количество обнаруженных рассеянных электронов также может служить для измерения массы ENA.
Требования к разрешению по массе обычно невысоки, требуя различать не более чем атомы водорода (1 а.е.м.), гелия (4 а.е.м.) и кислорода (16 а.е.м.) с серой (32 а.е.м.), которая также ожидается в магнитосфере Юпитера.
2D и 3D изображения
Обычно получение изображений с вращающегося космического корабля обеспечивает второе измерение определения направления. Благодаря объединению синхронизированных наблюдений с двух разных спутников становится возможным создание стереоизображения. С нетерпением ждем результатов миссии TWINS, так как две точки обзора предоставят существенно больше информации о трехмерной природе магнитосферы Земли.
Камеры ENA с низким энергопотреблением
Коллиматор похож, но в приборах с низким энергопотреблением, таких как NASA GSFC LENA, используется метод снятия фольги. Падающие ENA взаимодействуют с поверхностью, такой как вольфрам, для генерации ионов, которые затем анализируются ионным спектрометром.
Будущее
Для совершенствования техники все еще необходимо несколько улучшений. Хотя угловое разрешение теперь уменьшилось до нескольких градусов, и можно разделить различные виды, одной из проблем является расширение диапазона энергий вверх примерно до 500 кэВ. Этот диапазон высоких энергий покрывает большую часть давления плазмы внутренней магнитосферы Земли, а также некоторые из радиационных поясов с более высокими энергиями, поэтому он желателен для построения изображений наземной ENA.
Для ENA с более низкой энергией, ниже 1 кэВ, методы визуализации полностью отличаются и основаны на спектроскопическом анализе ионов, оторванных от поверхности падающим ENA. Для получения изображения магнитосферы Меркурия потребуются улучшения в измерениях субкэВ из-за его меньшего магнитного поля и меньшей геометрии.
Значение для Земли
Помимо очевидных интеллектуальных преимуществ, которые дает более глубокое понимание нашей космической среды, есть много практических причин для расширения наших знаний о космической плазме.
Без магнитосферы Земля подверглась бы прямой бомбардировке солнечным ветром и, возможно, не могла бы удерживать атмосферу. Это, а также повышенное воздействие солнечного излучения означает, что жизнь на Земле в том виде, в каком мы ее знаем, была бы невозможна без магнитосферы. Точно так же гелиосфера защищает Солнечную систему от большинства других разрушительных космических лучей, а остальная часть отклоняется магнитосферой Земли.
Хотя большинство орбитальных спутников защищены магнитосферой, геомагнитные бури вызывают токи в проводниках, которые нарушают связь как в космосе, так и в кабелях на земле. Лучшее понимание магнитосферы и кольцевого тока и его взаимодействия с солнечным ветром во время высокой солнечной активности позволит нам лучше защитить эти активы.
Астронавты, выполняющие миссии в дальний космос, не будут иметь защиты Земли, поэтому понимание факторов, которые могут повлиять на их воздействие космических лучей и солнечного ветра, имеет решающее значение для пилотируемых космических исследований.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Содержание
История становления понятия
Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.
На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.
Модели атомов
Квантово-механическая модель атома
Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).
Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).
Массу атома принято измерять в атомных единицах массы (дальтонах), равных 1 ⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12 C.
Строение атома
Субатомные частицы
Шаблон:Main Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.
Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726Шаблон:E кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749Шаблон:E кг).Шаблон:Sfn
При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5Шаблон:E м, хотя размеры этих частиц определены плохо.Шаблон:Sfn
В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный + 2 ⁄3 или (− 1 ⁄3 ) элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами. [10] [11]
Электроны в атоме
Шаблон:Main При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.
Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.
Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.
Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон в атоме может перейти на уровень с большей энергией при столкновении данного атома с другим атомом, электроном, ионом, или же поглотив фотон соответствующей энергии. При переходе на более низкий уровень электрон отдаёт энергию путём излучения фотона, либо путём передачи энергии другому электрону (безызлучательный переход, удары второго рода). Как и в случае поглощения, при излучательном переходе энергия фотона равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). Частота испускаемого излучения ν связана с энергией фотона E соотношением E = hν, где h — постоянная Планка.
Свойства атома
По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). [12] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом оганесона, в ядре которого 118 протонов. [13] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.Шаблон:Sfn [14]
Масса
Шаблон:Main Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1 ⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66Шаблон:E г. [15] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м. [16] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы [17] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208Шаблон:Sfn с массой 207,9766521 а. е. м. [18]
Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022Шаблон:E). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г. [15]
Размер
Шаблон:Main Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами одинаковых атомов, которые образовали химическую связь (ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. [19] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. [20] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).Шаблон:Sfn Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. [21] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2Шаблон:E) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. [22] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. [23] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.Шаблон:Sfn
Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра. [24]
Радиоактивный распад
У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм [25] ).
Существуют три основные формы радиоактивного распада [26] [27] :
Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа. [25]
Магнитный момент
Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — в состоянии со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов. [29]
В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля. [29] [30]
Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии. [31] Шаблон:Sfn
Энергетические уровни
Шаблон:Main Электрон в атоме находится в связанном состоянии; находясь на возбуждённом уровне, он обладает потенциальной энергией, которая пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ), и максимальное её значение равно энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). По мере перехода электрона (в атоме) на более низкие уровни потенциальная энергия уменьшается, но превращается не в кинетическую, а в энергию излучаемых фотонов. Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным (потенциальная энергия равна нулю — электрон глубже падать уже не может), а все остальные — возбуждёнными. [32]
Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Эту энергию можно сообщить атому путём удара другой частицей либо путём поглощения или, соответственно, испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Частота испускаемого излучения пропорциональна энергии фотона, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра.Шаблон:Sfn Каждый химический элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов. [33]
Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно возвращаются на уровень, лежащий ниже по шкале энергии, снова испуская фотоны. Испущенные фотоны излучаются не в том направлении, в каком падал поглощённый, а произвольно в телесном угле 4 пи стерадиан. В результате в непрерывном спектре появляются участки с очень низким уровнем излучения, то есть темные линии поглощения. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных линий и полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём. [34]
Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона. [35]
Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.
Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена — Бака). [36] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.Шаблон:Sfn
Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот. [37]
Валентность
Шаблон:Main Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки. [38]
Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы. Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами. [39] [40]
Дисперсионное притяжение
Деформационная поляризация атома
Деформация электронной оболочки атома приводит к смещению электронной плотности в атоме, что сопровождается образованием наведённого электрического дипольного момента μ. Дипольный момент равен произведению величины положительного заряда q на расстояние между зарядами L и направлен от отрицательного заряда к положительному μ=qL. В относительно слабых электрических полях наведённый дипольный момент пропорционален напряжённости электрического поля E. μ =αeE, где αe — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.
Ионизация атома
При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля наблюдается необратимая деформация атома, сопровождающаяся отрывом электрона.
Происходит ионизация атома, атом отдаёт электрон и превращается в положительно заряженный ион — катион. Отрыв электрона от атома требует затраты энергии, называемой потенциалом ионизации или энергией ионизации.
Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Изменение энергии отрыва первого электрона в зависимости от порядкового номера элемента приведено на рисунке.
Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I1, I2, I3… соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.
Взаимодействие атома с электроном
Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион.
На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3-4 эВ):
Атом
Энергия сродства к электрону, эВ [43]
F
3,62 ± 0,09
Cl
3,82 ± 0,06
Br
3,54 ± 0,06
I
3,23 ± 0,06
Электроотрицательность атома
Электроотрицательность атома (χ) — фундаментальное свойство атома смещать к себе общие электронные пары в молекуле. Способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений (по Малликену) электроотрицательность атома (χ) может быть выражена как полусумма его энергии ионизации (i) и сродства к электрону (F):
Имеется около двадцати шкал электроотрицательности атома, в основу расчёта значений которых положены различные свойства веществ. Полученные значения разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково.
