Строение атома.

Школьный курс физики - это хорошо. Но даже если ты был увлечен, школьный курс не всё объясняет.
Я на всякий случай решил проверить, действительно ли это так, или я просто всё забыл. Но да, многие вещи упоминаются вскользь, что-то я мог и правда забыть. В результате, я на старости лет задумываюсь, а как это работает. И понимаю, что не всегда понимаю, как именно.

Сейчас меня увлекло всё это взаимодействие с электронами, но начнём всё же с атомов.

Устройство атома.

Есть популярное выражение, что все предметы на 99,9999% состоят из пустоты. Мне кажется, оно популярно из-за того, что бросает дерзкий вызов привычному интуитивному пониманию вещей.
Мы трогаем предметы, они нам кажутся цельными. Они обычно не пропускают свет. А значит в сознании они представляются сплошным монолитным веществом.
Но правда в выражении тоже есть: размер ядра атома (диаметр) и расстояние между атомами может различаться в 10 тысяч раз, а то и больше.

Если мы отмасштабируем ядро атома золота и наше Солнце до шара с радиусом 1 фут (Изображение 1), то внешний радиус атома будет находиться от него дальше, чем Плутон от Солнца. (Внешний радиус - по самому внешнему электрону). Грубо говоря, различие между размером Солнца и солнечной системой - 5 порядков. И между размером атома и ядра золота - тоже 5 порядков.

Есть другой пример, наверное ЧУТЬ БОЛЕЕ осязаемый.

На Изображении 2 можно примерно оценить размеры стадиона (в принципе не важно какого) пусть будет диаметром 150м. И размеры черники/стеклянных шариков, пусть будет 1см. Это даст тоже примерную разницу размеров в 4 порядка. Но по крайней мере почти все, я надеюсь, видели стадион. И все могут представить размер ягодки в 1 см.

Получается, если виртуально увеличить масштаб, то твёрдая сплошная стальная ложка, например, будет представлять собой редкие атомы железа, углерода и хрома, разбросанные в пустоте на огромном расстоянии между собой.

А что не так с этим выражением? А то, что это расстояние между атомами - не пустота. Оно заполнено электронами. Хоть они маленькие, легкие, но они крайне важны для функционирования нашего мира.

Немного истории нашего представления о том, что такое атом.

С древних греков до Дальтона представление об атомах было простым: это просто очень мелкий кусочек материи, который нельзя разделить. Дальше наука двигалась, были обнаружены электроны, которые непонятно куда надо было деть, и так вышла модель "сливовый пудинг", которая в русском языке обычно называется "булка с изюмом" или "пудинг с изюмом". Потом стало понятно, что есть небольшое ядро, а электроны летают вокруг него на заметном расстоянии - так появилась каноничная модель атома (Резерфорда), где электроны летают вокруг ядра на одинаковом расстоянии. Дальнейшие изучения привели к тому, что электроны находятся на разном расстоянии, у них есть уровни. А потом стало понятно, что электроны никуда не летают (в привычном понимании), а находятся на каких-то орбиталях на различных уровнях. Это модель Шредингера, которая и сегодня весьма хорошо описывает то, как устроен атом.

Несмотря на то, что это было в далеком (почти 100 лет прошло!) 1926-м году, у многих людей модель атома в голове выглядит либо как "каноничная" (Резерфорда), либо как планетарная (Бора). Хотя наиболее точная - Шредингера.

Состав атома

Получается, что у нас есть Ядро и Электроны. Ядра состоят из Протонов (всегда) и Нейтронов (опционально). Более подробно про Ядра и Электроны сделаю отдельный текст (там происходит всякое интересное, лучше отдельно написать), а пока общая информация.

Ядро тяжелое, почти вся масса атома сосредоточена там. Электроны, соответственно легкие.

Протоны и Электроны - носители электрического заряда, они притягиваются друг к другу. И сила этого притяжения очень велика, гораздо больше, чем гравитационное. Гравитация вообще довольно слабая, относительно других фундаментальных сил.

А фундаментальные силы (взаимодействия) у нас такие:

• Сильное взаимодействие. Самое сильное, но эффективно действует на очень малом радиусе. По сути, только внутри ядра.
• Электромагнитное. второе по силе, действует на больших расстояниях (бесконечно)
• Слабое. третье по силе, так же как и сильное, работает только на очень малых дистанциях.
• Гравитационное. Самое слабое, но так же как электромагнитное, работает на бесконечные расстоянии.

Наука что-то понимает про 3 из 4-х этих взаимодействий. А именно про Сильное, Слабое и Электромагнитное. Известны специальные частицы, которые являются носителями этого взаимодействия: бозоны.
Для Сильного - это глюон, для Электромагнитного - фотон, для слабого - W и Z бозон.
С гравитацией всё довольно сложно, условный "гравитон" пока не обнаружен.

Довольно важный момент: эти частицы (бозоны) являются переносчиком взаимодействия, и это самое взаимодействие переносят порциями, квантами. Поэтому это всё и называется квантовой физикой.
Это важный момент, потому что помогает объяснить многие вещи, которые интуитивно не понятны. Квантовая физика интуитивно не понятна.

Ещё важный момент: между собой могут взаимодействовать те частицы, которые имеют общую характеристику. Например через электромагнитное могут взаимодействовать только частицы с зарядом. А через сильное - только частицы с "цветом" (это как электрический заряд, но для сильного взаимодействия). Электрон не сможет провзаимодействовать через сильное, потому что у него нет "цвета". А нейтрон не может провзаимодействовать с протоном или электроном через электромагнитное.
Так же и для гравитационного, могут взаимодействовать только частицы с массой. (но безмассовых частиц у нас не густо)

Электроны в атоме.

Это, возможно, будет сложно, но вроде это было в школьной физике и химии.

Итак, каждый уровень электронных оболочек вмещает 2n² электронов. где n - это уровень (от 1). Это максимальная емкость. Так же, каждая оболочка состоит из орбиталей. Они бывают разного типа, различаются, формой. Они не хотят, как в планетарной модели, просто находиться на разном расстоянии от ядра, они все хотят втиснуться как можно ближе. Из-за этого они принимают различные формы, формируют что-то вроде 3D паззла вокруг ядра. И по типу формы их называют s, p, d и f.

И каждая орбиталь стремится к полному завершению. Там немного сложный механизм, в каком порядке орбитали заполняются, но сейчас для нас важно само стремление заполниться.

Смысл энергетических уровней.

Это момент, который объясняет механизм ОЧЕНЬ МНОГИХ явлений. Я, наверное, про приколы с электроном напишу отдельно, чтобы не перегружать статью.

Но коротко суть следующая: когда электрон занимает какое-то место в атоме, он при этом теряет часть своей энергии. И именно потому что он её потерял, он не может покинуть это место так просто.
Можно рассмотреть такой пример: вы неловко двинули рукой и что-то уронили со стола: карандаш/телефон/мышку. И этот карандаш потерял часть своей энергии (в данном случае - потенциальной). Чтобы поднять карандаш обратно на стол надо будет вернуть ему эту энергию. Более того, надо эту энергию подать ему прицельно, точно в него.
Так же и с электронами, если он занял какой-то уровень, он при этом отдал энергию. Чтобы его убрать на уровень выше нужно конкретно ему передать энергию.

И тут тоже проявляется квантовость явлений: электрон переходя с 3 уровня на 2 отдаёт конкретное количество энергии. Он не может отдать больше или меньше. Он отдаёт ровно столько. И он не может остановиться где-то на середине. Интуитивно понятный карандаш при падении со стола теряет энергию плавно, пропорционально высоте; он может быть пойман в процессе. С электронами так не работает, или всё или ничего.

В общем, важно понять, что на этом уровне энергия приходит и уходит порциями, кусками, квантами.

Межатомные связи.

Электроны ответственны за межатомные связи. Точнее, даже не сами электроны, а их количество. А если ещё точнее, то их количество определяет форму, конфигурацию электронов атома.

Чуть выше я написал, что орбитали капец как хотят быть законченными. А это стремление и дает возможность соединять атомы между собой. Незаполненные орбитали готовы принять электроны от других атомов; или поделиться своими, избавиться от незавершенной оболочки.

А электроны способны попадать на энергетические уровни не только своего атома, но и чужого. И тоже при этом отдавать энергию.

Вот пример соединения двух атомов водорода с одним атомом кислорода. Кислороду не хватает двух электронов, чтобы завершить все свои орбитали. У водорода (в данном случае атомарного) 1 электрон; а ему хотелось бы получить ещё один. И два водорода хорошо дополняют один кислород. А участвующие электроны при этом падают на энергетические уровни других атомов и теряют энергию.
А если они энергию потеряли, то всё, так просто их не выкинешь. Потеря энергии электроном обеспечивает связь между атомами. Больше потеряли энергии - прочнее связь.

Этот тип межатомной связи называется ковалентным - тут электроны общие.

Есть другой тип связи: ионная.
Она происходит между металлом и неметаллом. Суть в том, что неметалл отбирает электрон у металла и становится отрицательно заряженным ионом. Второй атом остается положительно заряженным ионом. И они притягиваются друг к другу:

Ещё есть водородная связь. Но она уже не межатомная, а межмолекулярная и внутримолекулярная.

Что тут происходит:
У водорода всего один электрон. И этот электрон образует ковалентную связь с кислородом. Этот электрон оттянут в сторону ядра кислорода.
А это значит, что с другой стороны положительно заряженное ядро "торчит" наружу.
Кислород, встраивает электроны, которые он делит с водородом, в свою структуру орбиталей, и выходит так, что они находятся с одной стороны, а с другой стороны у него, как обычно, всё прикрыто электронами.
Вся молекула образует диполь: со стороны водородов она положительно заряжена, а с другой стороны - отрицательно.
И связь образуется между "голым" ядром водорода (а это по сути просто протон) и электронами другого атома.

Эта связь молекул воды объясняет, почему она (вода) имеет довольно большую температуру кипения. Эта связь дополнительно соединяет молекулы между собой, поэтому надо гораздо больше энергии потратить на то, чтобы оторвать их друг от друга и началось интенсивное испарение.

Так же, эта связь определяет форму кристаллов воды при охлаждении (замерзании):

У молекул уменьшается скорость (кинетическая энергия) и они формируют упорядоченную структуру благодаря водородным связям.

Какая связь сильнее? Ковалентная или ионная? Вопрос не самый простой. Многие говорят, что ионная. Но я скажу, что надо сравнивать конкретные случаи. И сила связи - это разница энергий всей системы. До связи и после связи. Где больше энергии выделилось, там и связь сильнее.

Выводы.

• Вещество очень тяжелое, но распределено в привычном пространстве не очень густо.
• Электроны очень странные, и ведут себя не так как представляется интуитивно.
• Очень много свойств вещества зависит от того, сколько электронов крутится вокруг ядра.

Послесловие для самых смелых, кто смог долистать до конца.

Я, наверное, раз 10 переписывал этот текст. Писать сразу всё - это какая-то необъятная история получается. Мне (да и вам) такое не надо. Поэтому я решил разбить на части. Ещё наверное попробую отдельно написать про то как устроены ядра атомов (не полезу сильно глубоко), отдельно про всякие приколы, связанные с электронами, а так же надо будет отдельно написать про фотоны и приколы с ними. Ожидайте.

Т.к. текст много повидал, возможны косяки, и ошибки. Можете написать в комментариях и я постараюсь поправить.

Если остались какие-то вопросы, которые вас, возможно, волнуют, но про них ничего не было сказано, то так же можно в комментариях в ТГ его оставить, постараюсь ответить.