Единицы Международной системы физических величин

Физическая величина – характеристика тела или процесса, которую можно определить количественно посредством измерений и вычислений, сравнивая данную величину с определённой величиной, принятой за единицу физической величины.

Физические величины обозначаются буквами латинского и греческого алфавитов (с индексами в случае необходимости).

Международная система единиц (System International d’ Unites, сокращённое обозначение системы – SI, в русской транскрипции – СИ) принята 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г., в России (в СССР) введена в 1982 г.[42]

СИ – это десятичная система. В ней представлены основные единицы для массы, длины, объёма и т. д., а также приставки, с помощью которых можно видоизменять основные единицы. Например, приставка кило означает 1 000; килограмм – это 1 000 граммов.

СОДЕРЖАНИЕ

Учебное издание

Строение атома

Учебно-практическое пособие

Рябухин Юрий Иванович – доктор химических наук, профессор кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" Астраханского государственного технического университета.

Огородникова Надежда Петровна – кандидат химических наук, доцент кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" Астраханского государственного технического университета.

АГТУ. Усл. печ. л. 5. Тираж 100 экз. Заказ №

[1] Фридрих Хунд (или Гунд, от Hund) (1896-1997) – немецкий физик-теоретик.

[2] Сформулирован швейцарским физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии по физике Вольфгангом Паули в 1925 г.

[3] Материя (от лат. mater rerum – мать вещей и materia – вещество; субстрат, субстанция; содержание) – объективная реальность, существующая независимо от нашего сознания и воспринимаемая нами с помощью органов чувств. Всё объективно существующее представляет собой различные формы существования и движения материи в пространстве и во времени. Существуют две формы материи – вещество и физическое поле.

Химия относится к естественным наукам, изучающим природу, иными словами, материю и законы её движения. Химия изучает вещество на атомном и молекулярном уровне.

[4] Вещество – форма существования материи, частицы которой имеют массу покоя и могут находиться в относительном покое.

Физическое поле – особая форма существования материи, не имеющая массы покоя (электрическое, магнитное, электромагнитное и гравитационное поля, сильное поле ядерных сил и поле слабых сил взаимодействия элементарных частиц (см. сноску 4 на с. 19).

[5] Áтом, [франц. atome, от лат. atomus, от греч. άτομος (ούσία) – неделимая (сущность)] – термин, обозначающий предел делимости вещества.

Термин ввёл Демокрит (V в. до н.э.) – древнегреческий философ, один из основателей античной атомистики.

2 Корпускула (лат. corpusculum – тельце, частица) – очень малая частица вещества. Корпускулярный – обладающий свойствами частицы.

[6] Электролиз, от электро … и греч. lysis – разложение, распад, растворение.

² Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток вследствие диссоциации на ионы, однако сами эти вещества электрический ток не проводят. Электролитами, например, являются кислоты, основания, соли.

Электролиты – проводники второго рода, вещества, которые в растворе, а термодинамически устойчивые и в расплаве, состоят полностью или частично из ионов, и обладают вследствие этого ионной проводимостью (проводники первого рода − металлы, обладают электронной проводимостью).

[8] Термин "электрон" введён в науку в 1891 г. ирландским физиком Джорджем Джонстоном Стони (от греч. ēlektron – янтарь, лучезарное солнце) для обозначения единицы минимального количества электричества.

Электрон был открыт в 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном Томсоном и независимо – немецким физиком и геофизиком Эмилем Вихертом.

В более ранней дате введения термина, чем открытие электрона, нет ошибки. Мысль о существовании элементарного электрического заряда возникла ещё в XVIII веке, то есть задолго до экспериментального открытия электрона, так как учёные стали догадываться, что, поскольку вещество состоит из атомов, электричество тоже связано как-то с существованием отдельных частиц.

Электрический заряд электрона условились считать отрицательным в соответствии с более ранним соглашением называть отрицательным заряд, который приобретает при трении янтарь. Натёртый шерстью янтарь начинает притягивать лёгкие пылинки, соломинки и т.п.

[9] Крукс Уильям (1832-1919) – английский физик и химик. Исследовал электрические разряды в газах и катодные лучи (в трубках Крукса). Обнаружил сцинтилляции, создал прибор для их наблюдения. Открыл таллий и гелий (совместно с Уильямом Рамзаем).

[10] Термин радиоактивность (от лат. radiare – излучать, испускать, radius – луч и activus – действенный, деятельный) предложил А. Беккерель.

1 Модель (франц. mоdēlе, от итальян. mоdеllо на основе лат. mōdulus – мера, образец) – здесь схема какого-нибудь объекта, явления.

[11] Фотон (от греч. phōs (phōtos) – свет) – элементарная частица, квант поля, электромагнитного излучения. Электрический заряд и масса покоя фотона равны нулю, скорость его движения равна скорости света в вакууме: с ≈ 3·10⁸ м/с.

[12] Postulatum в переводе с латинского означает "требуемое" положение, которое принимается за истинное; нередко служит обобщением опытных фактов.

[13] Дискретный (франц. discret, от лат. diskrētus – отделённый, разделённый) – прерывистый, дробный, состоящий из отдельных частей.

[14] Квант энергии (от лат. quantum – сколько) – наименьшее возможное количество энергии, которое может быть поглощено или отдано молекулярной, атомной или ядерной системой в отдельном акте изменения её состояния.

Квантовая (волновая) механика – раздел физики, который описывает строение, свойства и движение микрочастиц [элементарные частицы, атомы, молекулы и также системы частиц (газы, жидкости, кристаллы)].

Квантовая механика возникла в начале XX в., когда обнаружилась неспособность классической (ньютоновой) механики и электродинамики объяснить факты, полученные опытным путём, такие, как например, двойственная природа света, спектры, устойчивость атомов и т.п. Впервые квантовые представления в науку ввёл М. Планк в 1900 г. в своей работе о тепловом излучении: энергия излучается порциями – квантами. Далее квантовая механика развивалась благодаря работам А. Эйнштейна, А. Комптона, Л. де Бройля, Н. Бора и др. Эта наука использует сложный математический аппарат и понятия, многие из которых не имеют аналогий в макромире.

Законы классической механики – механики макромира – являются частными случаями законов квантовой механики. Составными частями квантовой механики являются корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределённости Гейзенберга и волновое уравнение Шрёдингера (ссылка 1 на с. 26).

Квантовая механика позволила выяснить строение атомов и молекул, атомных ядер, природу химических связей, объяснить периодический закон химических элементов, свойства элементарных частиц, многие свойства макроскопических тел.

[15] Протон открыт Э. Резерфордом в 1920 г. и назван им так потому, что эта частица представляет собой ядро атома водорода – первого химического элемента (англ. proton, от греч. prόtos – первый).

Протий – самый лёгкий (массовое число равно 1), нерадиоактивный (стабильный) и наиболее распространённый (99,98 %) в земной коре нуклид водорода; ядро протия – это ничто иное как протон.

[16] Нейтрон (англ. neutron, от лат. neutrum – ни тот, ни другой) открыт английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 г. В этом же году немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг и русский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра.

[17] Нуклон, от лат. nucleus – ядро, происходящего от nux – орех.

[18] Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых состоят все вещества. В современной физике термин "элементарные частицы" обычно употребляется не в своём точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). В эту группу входят около 400 частиц, в основном нестабильных. Число открытий таких частиц продолжает расти (и, скорее всего, их количество неограниченно велико). Истинно элементарными (далее неделимыми), или фундаментальными, в настоящее время считают, например, кварки, фотоны, глюоны и пока не обнаруженные экспериментально гравитоны.

[19] Масса покоя – масса объекта, находящегося в состоянии покоя. Масса покоя частицы – это масса в системе отсчёта, в которой частица покоится; масса покоя – одна из основных характеристик элементарных частиц; обычно она называется просто массой.

Масса (от лат. massa – глыба, ком, кусок) – фундаментальная физическая величина, определяющая инерционные (инертные) и гравитационные свойства материи – от макроскопических тел до атомов и элементарных частиц. В СИ (см. с. 70) масса измеряется в кг.

Понятие массы было впервые введено Исааком Ньютоном (XVII в.) при определении импульса тела: импульс p, равный m v, прямо пропорционален скорости тела v, где m – коэффициент пропорциональности. Инертная (инерционная) масса входит во второй закон механики Ньютона: F = ma. Тело, массой m, создаёт поле тяготения, пропорциональное этой массе, и испытывает притяжение со стороны других тел, что обуславливает наличие гравитационной массы, эквивалентной инертной.

В теории относительности имеются понятия массы покоя и релятивистской (от лат. relativus – относительный) массы.

[20] Положительный заряд протона – электрический заряд, считающийся наименьшим, то есть элементарный заряд; его рассчитал в 1911 г. американский физикохимик Роберт Эндрюс Милликен.

При описании объектов атомных масштабов заряд протона принимается за единицу. Его абсолютное значение можно вычислить, зная, что электрический заряд в 96 485 Кл (постоянная Фарадея) равен заряду N_A (число, или постоянная, Авогадро) электронов: 96 485/6,022 ∙ 10²³ ≈ 1,602 ∙ 10^–19 Кл [Кл – сокращение от Кулон (по имени французского физика Шарля Кулона) – единица количества электрического заряда].

[21] А.е.м. (или дальтон) – атомная единица массы, равная 1/12 массы атома нуклида углерода-12 12С; 1 а.е.м. = (1,6605655 ± 0,0000086) · 10^–27 кг. Международное обозначение – u. Единица массы, применяемая в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц, атомов и молекул наряду с единицами СИ.

[22] Корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) – это лежащее в основе квантовой теории представление о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые свойства. Корпускула – маленькая частица в классической физике, движется согласно законам механики Ньютона.

[23] За единицу измерения размеров атома принят пикометр (от pico, по исп. pico – малая величина, по франц. – клюв или маленькое количество, либо от итал. piccolo – маленький и метр, по франц. mеtrе, от греч. mеtrоn – мера) – основная единица длины в десятичной системе мер; 1 пм = 10^–12 м.

[24] Совокупность – сочетание, общая сумма, общее количество чего-либо.

[25] Элемент, от лат. еlementum – простейший, первоначальный, основной.

У древнегреческих философов-материалистов – одно из первоначал, одна из составных частей природы, лежащих в основе всех вещей и явлений. О том, как возникло слово ″элемент″ в латинском языке, единого мнения нет. Существует такая точка зрения: когда в Древнем Риме хотели подчеркнуть, что речь идёт о чём-то простом, то говорили: ″Это просто, как последовательность букв в алфавите: эль, эм, эн″. Возможно, отсюда и пошло слово ″элемент″.

[26] Изотопы своё название получили от греч. isos – равный, одинаковый, подобный и tόpos – место, так как занимают одно место в периодической системе химических элементов.

В научной литературе термин "изотопы" длительное время употреблялся не только в указанном значении, но и в единственном числе для обозначения нуклида. В настоящее время такое использование термина "изотопы" неправильно.

[27] Индекс "r" происходит от лат. relativus – относительный.

[28] Относительная атомная масса химического элемента практически совпадает с массовым числом его атомов (A_r ≈ А), которое имеет целочисленное значение. Обратите внимание на тот факт, что хлор, наряду с медью, рубидием и гафнием, является химическим элементом, атомная масса которого не округляется до целого числа.

[29] Волновые свойства электрона были предсказаны Л. де Бройлем в 1924 г.: "Любая движущаяся частица одновременно обладает и механическими, и волновыми свойствами". В 1927 г. волновые свойства электрона установлены экспериментально американскими учёными Дж. Девиссоном и А. Джермером.

[30] Частица – это сосредоточение вещества в малой части пространства. Движение частицы характеризуется траекторией (координатами) и скоростью в каждый момент времени.

Л. де Бройль в 1924 г. установил, что частице массой m, движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной λ: где h – постоянная Планка (квант действия – фундаментальная физическая постоянная; введена М. Планком в 1900 г., равна 6,626 · 10^–34 Дж·с). Предположение де Бройля подтвердилось экспериментально при исследовании дифракции электронов и нашло применение в электронных микроскопах.

[31] Волна – процесс, занимающий значительный объём двухмерного пространства и развивающийся во времени, чаще всего периодически. Характеристиками волны являются её длина, частота, скорость движения, а также амплитуда и её знак.

Амплитуда (от лат. amplitudo – величина) – наибольшее отклонение (от среднего значения) величины, совершающей гармонические колебания, то есть колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному закону. Например, отклонение маятника от положения равновесия. Другими словами, амплитуда определяет размах колебаний. В строго периодических колебаниях амплитуда – величина постоянная.

[32] Дифракция (от лат. diffractus – разломанный, преломлённый) – в первоначальном узком смысле – огибание волнами (световыми, звуковыми) препятствий. В современном более широком смысле – любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции вóлны могут попадать в область геометрической тени: огибать препятствия, стелиться вдоль поверхности, проникать через небольшие отверстия в экранах. Например, звук может быть услышан за углом дома или радиоволна может проникнуть за горизонт даже без отражения от ионосферы.

Дифракция микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов) наблюдается при рассеянии их кристаллами или молекулами жидкостей и газов 2, при котором из начального пучка частиц 1 возникают дополнительные отклонённые пучки этих же частиц 3. Этот эффект обусловлен тем, что при взаимодействии частицы с кристаллом или молекулой её энергия меняется, к ней добавляется потенциальная энергия взаимодействия, что приводит к изменению движения частицы и соответственно меняется характер распространения связанной с ней волны.

1 – источник электронов, 2 – кристалл, 3 – экран, 4 – электронограмма

Схема дифракции электронов на кристалле

Интерференция (от лат. inter – взаимно и ferio – ударяю) – сложение волн, при котором происходит их усиление или ослабление, т.е. увеличение или уменьшение амплитуды результирующей волны. Наблюдается только при сложении когерентных (с одинаковой частотой) волн. В природе интерференцией объясняется радужная окраска тонких масляных плёнок, крыльев насекомых.

Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, его дви­жение в атоме подобно световым и звуковым волнам или колебаниям струны можно описать волновым уравнением. Такое урав­нение было предложено Э. Шрёдингером в 1926 г.: где h – постоянная Планка; m – масса электрона; Е – полная энергия электрона; V – потенциальная энергия электрона; х, у, z – координаты электрона; Ψ – волновая функция, или функция "пси", которая количественно характеризует амплитуду трёхмерной волны электрона.

Электронные (как и все квантово-механические) волны – это волны амплитуды вероятности. Вероятность обнаружения элек­трона в том или ином околоядерном атомном пространстве изменя­ется по волновому закону.

Физический смысл волновой функции Ψ (x, y, z) таков, что квадрат её значения Ψ2 пропорционален плотности вероятности нахождения электрона в какой-либо точке пространства с координатами x, y, z, а Ψ2dV – вероятность нахождения электрона в объёме dV(dxdydz). Определяя значения функции Ψ, удовлетворяющие уравнению Шрёдингера, рассчитывают границы околоядерного атомного пространства, или атомной орбитали, где с наибольшей вероятностью пребывает электрон.

Уравнение Шрёдингера имеет много решений, каждое из которых описывает электронное облако и соответствующую ему полную энергию и показывает вероятность пребывания электрона в данной точке пространства. Каждое из этих решений определяется квантовыми числами (раздел 5).

Важнейшим принципом квантовой механики является установленный в 1927 г. В. Гейзенбергом принцип неопределённости, отражающий статистическую картину наблюдений. Невозможно одновременно точно определить положение в пространстве микрочастицы и скорость её движения (или импульс), то есть нельзя движение микрочастицы характеризовать траекторией как линией.

Математическое выражение принципа неопределённости: где ∆q – неопределённость координат, или положения, частицы в пространстве; ∆p – неопределённость её импульса (p = mv, где m – масса частицы, v – её скорость); h –постоянная Планка, ħ – приведённая постоянная Планка.

Из принципа неопределённости следуют два вывода:

- невозможно представить траекторию движения электрона в атоме;

- электрон в атоме нельзя рассматривать с математической точностью; можно лишь вычислить вероятность его пребывания в околоядерном атомном пространстве.

1 Употребляя выражения "электронное обла­ко" и "распределение электронной плотности", следует помнить, что электронное облако – это не наглядный образ самого электрона, а изображение распределения вероятности его нахождения в той или иной единице объёма атомного пространства.

[34] Термин "орбиталь" принят в 1962 г. вместо термина "орбита". Строго говоря, орбиталь – понятие математическое, его смысл вытекает из волнового уравнения Шрёдингера (см. сноску 1 на с. 26).

1 Энергетическое состояние электронов в атоме, изображаемое с помощью соответствующей диаграммы, лишь качественно характеризует относительные энергии электронов на разных энергетических уровнях и подуровнях (рис. 15 и 21).

[35] Расщепление энергетических уровней на подуровни А. Зоммерфельд объяснил тем, что электроны движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам.

Орбитальный момент количества движения электрона, согласно квантовой механике, может принимать только дискретные значения, задаваемые орбитальным квантовым числом, поэтому формы электронных облаков не могут быть произвольными: каждому значению l соответствует определённая форма электронного облака.

Момент импульса (от лат. momentum – время, миг; impulsus – удар, толчок) тоже, что момент количества движения – одна из важных характеристик вращательного движения. Единица момента импульса – кг·м²/c.

Вектор момента импульса электрона в атоме расположен вдоль оси, вокруг которой движется электрон в направлении, определяемом правилом правой руки: если разместить большой, указательный и средний пальцы взаимно перпендикулярно и направить указательный в сторону движения электрона, средний – к центру вращения, то большой палец покажет направление вектора импульса.

[37] Для обозначения энергетических подуровней взяты начальные буквы английских названий, обозначавших до 1890 г. серии спектральных линий атомов щелочных металлов: s – sharp (резкая), p – principalе (основная), d – diffusion (диффузная, размытая) и f – fundamental (фундаментальная). Эти обозначения никак не связаны с формами граничных поверхностей атомных орбиталей.

[38] Русский химик и агрохимик Клечковский Всеволод Маврикиевич (1900-72).

[39] Начиная с шестого периода порядок заполнения подуровней приобретает более сложный характер. Например, 4 f -электрон появляется не в атоме лантана ₅₇La, а в атоме следующего за ним церия ₅₈Ce; последовательное заполнение 4 f -подуровня нарушается появлением 5 d -электрона в атоме гадолиния ₆₄Gd; заполнение 5 f -орбиталей начинается с атома протактиния ₉₁Pa, а не с атомов актиния ₈₉Ac и тория ₉₀Th (торий, так же как и Ас, является d-элементом). Причины этих и других исключений в настоящем пособии не рассматриваются.

[40] 1 кДж = 1 кг ∙ м²/с² = 6,24 ∙ 10²¹ эВ (1 эВ = 1,602 · 10^–19 Кл · 1 В = 1,602 · 10^–19 Дж); 1 эВ (электрон-вольт) – это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле с разностью потенциала 1 В.

[41] Значения радиусов атомов H, He, Li и Be приведены из учебного пособия для вузов "Общая химия" (Глинка Н.Л. / Под ред. А.И. Ермакова. – М.: Интеграл-Пресс, 2000), значения энергий ионизации – из справочника "Элементы" (Дж. Эмсли. – М.: Мир, 1993).

1 Валентность атома (от лат. valentia – сила) – это способность атома химического элемента образовывать химические связи; количественной мерой валентности (в рамках метода валентных связей) является число связей, образованных данным атомом с другими атомами или атомными группами. В случае ионных связей валентность равна числу отданных или принятых данным атомом электронов.

Валентные электроны – это электроны внешнего энергетического уровня (для s - и p -элементов), либо электроны внешнего и предвнешнего (или предпредвнешного) уровней (для d - и f -элементов).

[42] Обычно эту систему называют метрической. На самом же деле между этими двумя системами (СИ и метрической) есть небольшие различия, но в основном они являются взаимозаменяемыми.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: