Verbum

ЗО́ННАЯ ТЭО́РЫЯ крышталічных цвёрдых цел,

квантавая тэорыя спектра энергій электронаў крышталя. Паводле З.т. гэты спектр складаецца з зон дазволеных і забароненых энергій. З.т. тлумачыць шэраг уласцівасцей і з’яў у крышталях, у прыватнасці, розны характар іх электраправоднасці.

Аснова З.т. — аднаэлектроннае прыбліжэнне: скорасць руху атамных ядраў каля становішчаў раўнавагі многа меншая за скорасць электронаў; кожны электрон рухаецца ў трохмерна-перыядычным полі, якое ствараецца ядрамі і астатнімі электронамі. Зона праводнасці (с) і валентная зона (v) утвораны сукупнасцю атамных энергет. узроўняў, «расшчэпленых» у выніку аб’яднання свабодных атамаў у крышт. рашотку. Узроўні энергіі валентных электронаў (е) атама расшчапляюцца і зрушваюцца значна больш, чым узроўні ўнутраных электронаў (і). Шырыня забароненай зоны Eg (энергет. шчыліна паміж v- і с-зонамі) вызначаецца раўнаважнай адлегласцю паміж ядрамі (пастаяннай крышт. рашоткі d) У крышталі з N ідэнтычных атамаў кожны атамны ўзровень расшчапляецца на N узроўняў, якія ўтвараюць квазінеперарыўную дазволеную зону або яе частку. Электроны запаўняюць дазволеныя зоны энергій у адпаведнасці з Паўлі прынцыпам: на N узроўнях зоны можа знаходзіцца не больш за 2N электронаў. Уласцівасці крышталя залежаць ад колькасці электронаў у зоне праводнасці і/ці ад колькасці незапоўненых узроўняў (вакансій для электронаў) у валентнай зоне. Калі энергет. зона запоўнена электронамі часткова, то пад уздзеяннем знешняга эл. поля яны пераразмяркоўваюцца па ўзроўнях у зоне. Пры гэтым парушаецца сіметрыя размеркавання электронаў па скорасцях — узнікае эл. ток. Таму крышталь з часткова запоўненай c-зонай з’яўляецца правадніком электрычнасці — металам. Электроны ў поўнасцю запоўненай v-зоне з-за прынцыпу Паўлі не могуць пераразмяркоўвацца па ўзроўнях энергіі; крышталь з пустой с-зонай і поўнасцю запоўненай электронамі v-зонай — дыэлектрык. Калі цеплавая энергія дастатковая для пераводу часткі электронаў з v-зоны ў c-зону, то электраправоднасць крышталя расце пры награванні; такі крышталь — паўправаднік. Пры слаба перакрытых с- і v-зонах крышталь з’яўляецца паўметалам (напр., вісмут), а пры змыканні гэтых зон (Eg=0) — бясшчылінным паўправадніком (напр., шэрае волава). З.т. — набліжэнне да рашэння фундаментальнай задачы: вывесці ўласцівасці крышталя з уласцівасцей атамаў, з якіх ён складаецца.

Літ.:

Харрисон У.А. Электронная структура и свойства твердых тел: Физика химической связи: Пер. с англ. Т. 1—2. М., 1983;

Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел: Пер. с англ. М., 1981.

М.​А.​Паклонскі.

т. 7, с. 107

А́ТАМ (ад грэч. atomos непадзельны),

часціца рэчыва, найменшая частка хім. элемента, якая з’яўляецца носьбітам яго ўласцівасцяў. Кожнаму элементу адпавядае пэўны род атама, якія абазначаюцца сімвалам хім. элемента і існуюць у свабодным стане або ў злучэнні з інш. атамамі, у складзе малекул. Разнастайнасць хім. злучэнняў абумоўлена рознымі спалучэннямі атамаў у малекулах. Фіз. і хім. ўласцівасці свабоднага атама вызначаюцца яго будовай. Атам мае дадатна зараджанае цэнтр. атамнае ядро і адмоўна зараджаныя электроны і падпарадкоўваецца законам квантавай механікі.

Асн. характарыстыка атама, што абумоўлівае яго прыналежнасць да пэўнага элемента, — зарад ядра, роўны +Ze, дзе Z = 1, 2, 3, ... — атамны нумар элемента, e — элементарны эл. зарад. Ядро з зарадам +Ze утрымлівае вакол сябе Z электронаў з агульным зарадам -Ze. У цэлым атам электранейтральны. Пры страце электронаў ён ператвараецца ў дадатна зараджаны іон. Маса атама ў асноўным вызначаецца масай ядра і прапарцыянальная яго атамнай масе, якая прыблізна роўная масаваму ліку. Пры яго павелічэнні ад 1 (для атама вадароду, Z = 1) да 250 (для атама трансуранавых элементаў, Z>92) маса атама мяняецца ад 1,67∙10​⁻²⁷ да 4∙10​⁻²⁵ кг. Памеры ядра (парадку 10​⁻¹⁴—10​⁻¹⁵ м) вельмі малыя ў параўнанні з памерамі ўсяго атама (10​⁻¹⁰ м). Паводле квантавай тэорыі, для электронаў у атаме магчымы толькі пэўныя (дыскрэтныя) значэнні энергіі, якія для атама вадароду і вадародападобных іонаў вызначаюцца формулай ${\displaystyle {\mathrm{E}}_{\mathrm{n}}=-\mathrm{h}\mathrm{c}\mathrm{R}\frac{{\mathrm{Z}}^2}{{\mathrm{n}}^2}}$ , дзе h — Планка пастаянная, c — скорасць святла, R — Рыдберга пастаянная, n = 1, 2, 3 ... цэлы лік, які вызначае магчымае значэнне энергіі і наз. галоўным квантавым лікам. Велічыня hcR=13,60 эВ ёсць энергія іанізацыі атама вадароду, г. зн. энергія, неабходная на тое, каб перавесці электрон з асн. ўзроўню (n=1) на ўзровень n=∞, што адпавядае адрыву электрона ад ядра. Электроны ў атаме пераходзяць з аднаго ўзроўню энергіі на другі паводле квантавага закону ${\mathrm{E}}_{\mathrm{i}}-{\mathrm{E}}_{\mathrm{k}}=\mathrm{h\nu }$. Кожнаму значэнню энергіі адпавядае 2n​² розных квантавых станаў, што адрозніваюцца значэннямі трох дыскрэтных фізічных велічыняў: арбітальнага моманту імпульсу M_e, яго праекцыі M_ez на некаторы напрамак z і праекцыі (на той жа напрамак) спінавага моманту імпульсу M_sz. M_e вызначаецца азімутальным квантавым лікам 1, які прымае n значэнняў (1=0, 1, 2 ..., n-1); M_ez — арбітальным магнітным квантавым лікам m_e, які прымае 21+1 значэнняў (m₁ = 1, 1-1, ..., -1); Msz спінавым магнітным квантавым лікам ms, які мае значэнні ½ і −½ (гл. Спін, Квантавыя лікі). Агульны лік станаў з аднолькавай энергіяй (зададзена n) наз. ступенню выраджэння ці статыстычнай вагой. Для атама вадароду і вадародападобных іонаў ступень выраджэння ўзроўняў энергіі ${\mathrm{g}}_{\mathrm{n}}=2{\mathrm{n}}^2$. Зададзенаму набору квантавых лікаў n, 1, m_e адпавядае пэўнае размеркаванне электроннай шчыльнасці (імавернасці знаходжання электрона ў розных месцах атама). Паводле Паўлі прынцыпу, у атаме не можа быць двух (або больш) электронаў у аднолькавым стане, таму максімальны лік электронаў у атаме з зададзенымі n і 1 роўны 2 (21 + 1). Электроны ўтвараюць электронную абалонку атама і цалкам яе запаўняюць. На аснове ўяўлення пра паступовае запаўненне, з павелічэннем Z, усё больш аддаленых ад ядра электронных абалонак можна растлумачыць перыядычнасць хім. і фіз. уласцівасцяў элементаў. Гл. таксама Перыядычная сістэма элементаў Мендзялеева.

Літ.:

Шпольский Э.В. Атомная физика. Т. 1—2. М., 1984;

Борн М. Атомная физика. М., 1970;

Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику. М., 1988;

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 3. Квантовая механика;

Нерелятивистская теория. 4 изд. М., 1989.

М.​А.​Ельяшэвіч.

т. 2, с. 66

ПЕРЫЯДЫ́ЧНАЯ СІСТЭ́МА ЭЛЕМЕ́НТАЎ МЕНДЗЯЛЕ́ЕВА,

упарадкаванае мноства хім. элементаў, іх натуральная класіфікацыя, якая з’яўляецца таблічным выражэннем перыяд. закону Мендзялеева; фундаментальная аснова агульнай і неарганічнай хіміі і навук. база яе выкладання. Прапанавана Дз.І.Мендзялеевым у 1869 у выглядзе табліцы, названай ім «Спроба сістэмы элементаў, заснаваная на іх атамнай вазе і хімічным падабенстве». Стварэнне табліцы паслужыла асновай для адкрыцця перыяд. закону. Пасля стварэння ядз. мадэлі атама і эксперым. доказу лікавай роўнасці парадкавага нумару элемента ў П.с.э.М. зараду ядра (Z) яго атама (1913, закон Мозлі) з’явілася сучасная фізічна абгрунтаваная фармулёўка перыяд. закону Мендзялеева: уласцівасці хім. элементаў, а таксама ўтвораных імі простых і складаных рэчываў знаходзяцца ў перыяд. залежнасці ад велічыні зараду ядзер іх атамаў. Тэарэт. аснова П.с.э.М. — квантавая мадэль атама — распрацавана ў пач. 1920-х г. Н.Борам. Паводле гэтай мадэлі ў адпаведнасці з павелічэннем Z адбываецца паслядоўнае запаўненне электронных абалонак атамаў (гл. Паўлі прынцып), прычым электронныя канфігурацыі знешніх абалонак перыядычна паўтараюцца. Прынцып перыяд. паўтаральнасці падобных электронных канфігурацый атамаў — гал. прычына фіз. прыроды перыядычнасці і аснова перыяд. сістэмы свабодных атамаў элементаў. Гал. сучасная праблема П.с.э.М. — нявызначанасць яе верхняй мяжы, з ростам Z устойлівасць атамных ядзер памяншаецца, устанавіць значэнне Z элемента, атамы якога будуць мець такі кароткі час жыцця, што распадуцца ў момант утварэння, пакуль немагчыма (гл. Радыеактыўнасць, Ядро атамнае).

П.с.э.М. ўключае 109 хім. элементаў; 89 з іх знойдзены ў прыродзе, астатнія атрыманы штучна ў выніку ядзерных рэакцый. Пасля адкрыцця П.с.э.М. апублікавана больш за 500 розных варыянтаў яе відарысаў; найб. пашыраны паўдоўгі варыянт (гл. іл.). Асн. прынцып пабудовы П.с.э.М. заключаецца ў вылучэнні перыядаў (гарыз. рады) і груп (верт. слупкі). Ў П.с.э.М. 7 перыядаў і 8 груп. Перыяд — рад элементаў, які пачынаецца шчолачным металам (акрамя 1 -га перыяду) і канчаецца інертным газам. Дакладнага вызначэння групы няма; фармальна, пачынаючы з 3-га перыяду, нумар групы (N) адпавядае макс. значэнню акіслення ступені элементаў, што ўваходзяць у групу. Кожная група падзяляецца на гал. (A) і дадатковую (B) падгрупы. У падгрупы ўваходзяць элементы з падобнымі канфігурацыямі знешніх электронных абалонак атамаў і хім. ўласцівасцямі. У большасці груп пэўнае падабенства ўласцівасцей элементаў падгруп выяўляецца пераважна ў вышэйшых ступенях акіслення. Асобае становішча ў структуры П.с.э.М. займае VIII гр., у якой аб’яднаны інертныя газы (падгрупа VIIIA) і «трыяды» элементаў (падгрупа VIIIB): Fe—Co—Ni і Ru—Rh—Rd, Os—Ir—Pt (плацінавыя металы). Падабенства ўласцівасцей паміж элементамі гэтых падгруп практычна не назіраецца. Першы перыяд П.с.э.М. ўключае 2 элементы — вадарод і гелій. Атам вадароду мае 1 электрон; у злучэннях можа мець ступень акіслення +1 (як шчолачныя металы) ці -1 (як галагены), таму сімвал Н размяшчаюць у падгрупе IA ці ў VIIA або ў абедзвюх адначасова. Есць варыянты табліцы, у якіх вадарод займае адну працяглую клетку над усімі (акрамя неону) элементамі 2-га перыяду. Другі перыяд (Li—Ne) уключае 8 элементаў. У ім назіраецца пераход ад тыповых металаў да тыповых неметалаў (кісларод і фтор з’яўляюцца найб. актыўнымі сярод неметалаў). У злучэннях дадатную ступень акіслення, роўную N, маюць толькі элементы I—IV груп, для астатніх элементаў перыяду яна вызначаецца паводле правіла 8 - N, што абумоўлена асаблівасцямі будовы знешніх электронных абалонак атамаў. Трэці перыяд (Na—Ar) уключае 8 элементаў. Усе элементы (акрамя Ar) праяўляюць ступень акіслення, роўную N. У гэтым перыядзе, як і ў 2-м, па меры павелічэння Z назіраецца паслабленне метал. і ўзмацненне неметалічнага характару элементаў. Элементы 1—3 перыядаў П.с.э.М. — элементы падгруп A. Паводле сучаснай тэрміналогіі элементы падгруп IA і IIA наз. S-элементамі (сімвалы ў клетачках ружовага колеру), падгруп IIIA—VIIIA — p-элементамі (сімвалы ў клетачках жоўтага колеру). Пры павелічэнні Z, што адпавядае руху зверху ўніз, у падгрупах IA і IIA метал. актыўнасць элементаў нарастае, у IIIA—VIIA падгрупах назіраецца пераход ад тыповых неметалаў (B—F) да элементаў з метал. ўласцівасцямі (Tl—At), устойлівасць злучэнняў элементаў у вышэйшай ступені акіслення зніжаецца. Чацвёрты перыяд (K—Kr) і пяты перыяд (Rb—Xe) маюць па 18 элементаў. У іх пасля s-элементаў ідуць рады з 10 пераходных элементаў, ці d-элементаў, якія ўваходзяць у падгрупы B (сімвалы ў клетачках блакітнага колеру). Для большасці d-элементаў вышэйшая ступень акіслення роўная N, а для Cu і Au нават вышэйшая за N (+2 і +3, адпаведна). Характар змянення ўласцівасцей элементаў 4-га і 5-га перыядаў пры павелічэнні Z аналагічны назіраемаму ў 3-м перыядзе, але больш складаны, што найперш абумоўлена наяўнасцю d-элементаў. Шосты перыяд (Cs—Rn) уключае 32 элементы, сёмы перыяд (Fr—Mt) — 23, пакуль незавершаны. Гэтыя перыяды акрамя 10 d-элементаў уключаюць сем’і з 14 f-элементаў: лантаноіды ў 6-м і актыноіды ў 7-м перыядзе. Лантаноіды і актыноіды дадзены асобнымі радкамі ўнізе пад табліцай. d-элементы 7-га перыяду з ат. н. 104 і больш з’яўляюцца хім. аналагамі элементаў адпаведных груп 6-га перыяду. У падгрупах d-элементаў IB—VIIIB пры руху зверху ўніз метал. актыўнасць памяншаецца, устойлівасць злучэнняў элементаў у вышэйшай ступені акіслення павялічваецца.

П.с.э.М. належыць значная роля ў развіцці прыродазнаўства. Яна дазволіла прадказаць існаванне невядомых элементаў і іх уласцівасці, а таксама новыя ўласцівасці вядомых элементаў, служыць асновай для стварэння новых неарган. матэрыялаў.

В.​Ф.​Цікавы.

т. 12, с. 323