Атомы водорода и железа отличаются чем

Культура и наука

Со школы нам известно то, что все материальные объекты, нас окружающие, состоят из атомов и молекул. Сейчас это может увидеть каждый, при помощи микроскопа.

Атом урана 232, включает в себя, двести тридцать два протона и нейтрона.

Рассмотрим фотографию молекулы водорода.

Итак, физически плотная (барионная) материя образуется при слиянии семи первичных форм материи. Но для того, чтобы это слияние произошло, необходимы определённые свойства пространства. Эти свойства, пространство обретает под воздействием излучений различных типов.

Иными словами, слияние материи и последующее формирование различных веществ в нашей вселенной (да и не только в нашей), возможно лишь под воздействием на пространство тех или иных излучений.

Чем сильнее излучение воздействует на пространство, тем более сложные формы материи имеют шанс образоваться. Образование физически плотной (барионной) материи происходит при взрыве сверхновых звёзд. Планеты образуются под воздействием излучений, которые «выбрасывает» в пространство вокруг себя, взорвавшаяся сверхновая звезда.

Излучение при взрыве сверхновой имеет волновую структуру.

Поэтому и планеты, сформировавшиеся под воздействием этого волнового излучения, сначала увеличиваются в размерах (От Меркурия до Юпитера), а потом плавно уменьшаются в размерах (От Юпитера до Нептуна).

Всем нам известно, что любая звезда, и Солнце в том числе, «выбрасывает» в окружающее пространство огромное количество излучений различных типов. Именно разнообразие излучений и порождает разнообразие химических элементов, а в конечном итоги и разнообразие форм жизни!

Источник

Урок№9. Простые и сложные вещества.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СООТВЕТСТВУЮЩИХ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ

1. Твёрдое агрегатное состояние (исключение – ртуть)

2. Металлический блеск

3. Хорошие проводники тепла и электричества.

4. Пластичные и ковкие.

2. Металлическим блеском не обладают (исключение йод)

3. Не проводят тепло и электрический ток – ИЗОЛЯТОРЫ.

Об атомах и химических элементах

Другого ничего в природе нет

ни здесь, ни там, в космических глубинах:

все — от песчинок малых до планет —

из элементов состоит единых.

С. П. Щипачев, «Читая Менделеева».

В настоящее время известно более 107 видов атомов, то есть более 107 химических элементов. Нужно различать понятия “химический элемент”, “атом” и “простое вещество”

Простые и сложные вещества

К 70-м гг. XIX в. было уже известно более 60 химических элементов. Их условно классифицировали на металлы и неметаллы

На 2019 год в периодической таблице – 118 химических элементов, которые образуют около 500 простых веществ.

Итак, подытожим вышесказанное. Молекулы вещества бывают двух видов:

1. Простые – молекулы таких веществ состоят из атомов одного вида. В химических реакциях не могут разлагаться с образованием нескольких более простых веществ.

2. Сложные – молекулы таких веществ состоят из атомов разного вида. В химических реакциях могут разлагаться с образованием более простых веществ.

Различие понятий “химический элемент” и “простое вещество”

Отличить понятия “химический элемент” и “простое вещество” можно при сравнении свойств простых и сложных веществ. Например, простое вещество – кислород – бесцветный газ, необходимый для дыхания, поддерживающий горение. Мельчайшая частица простого вещества кислорода – молекула, которая состоит из двух атомов. Кислород входит также в состав оксида углерода (угарный газ) и воды. Однако, в состав воды и оксида углерода входит химически связанный кислород, который не обладает свойствами простого вещества, в частности он не может быть использован для дыхания. Рыбы, например, дышат не химически связанным кислородом, входящим в состав молекулы воды, а свободным, растворенным в ней. Поэтому, когда речь идет о составе каких – либо химических соединений, следует понимать, что в эти соединения входят не простые вещества, а атомы определенного вида, то есть соответствующие элементы.

При разложении сложных веществ, атомы могут выделяться в свободном состоянии и соединяясь, образовывать простые вещества. Простые вещества состоят из атомов одного элемента. Различие понятий «химический элемент» и «простое вещество» подтверждается и тем, что один и тот же элемент может образовывать несколько простых веществ. Например, атомы элемента кислорода могут образовать двухатомные молекулы кислорода и трехатомные – озона. Кислород и озон – совершенно различные простые вещества. Этим объясняется тот факт, что простых веществ известно гораздо больше, чем химических элементов.

Пользуясь понятием «химический элемент», можно дать такое определение простым и сложным веществам:

Простыми называют такие вещества, которые состоят из атомов одного химического элемента.

Сложными называют такие вещества, которые состоят из атомов разных химических элементов.

Отличие понятий «смесь» и «химическое соединение»

Сложные вещества часто называют химическими соединениями.

Попробуйте ответить на вопросы:

1.Чем отличаются по составу смеси от химических соединений?

2. Сопоставьте свойства смесей и химических соединений?

3. Какими способами можно разделить на составляющие компоненты смеси и химического соединения?

4. Можно ли судить по внешним признакам об образовании смеси и химического соединения?

Сравнительная характеристика смесей и химических

Источник

Мюонный катализ с точки зрения квантовой химии. Часть I: обычный водород vs. мюонный водород

Многабукафф о том, что квантовая химия думает о принципе работы мюонного катализа: как именно мюон понижает температуру требуемой плазмы. В двух частях.

Суть первой части выражается одним предложением: мюон тяжелее, чем электрон, поэтому его сложнее отодрать от протона.

Но те, кто хочет посмотреть на формулки, графики, и узреть концептуальную суть квантовой химии в применении к наипростейшим (квази)атомам, welcome под кат.

Введение

Не секрет, что потребление энергии Человечеством растёт с каждым годом: у каждого из нас больше гаджетов, нам приходится передвигаться туды/сюды, да и нас самих становится не меньше. Поэтому Мы постоянно находимся в раздумьях, где бы достать ещё энергии, и где бы этой энергии сэкономить.

Одной из возможных альтернатив нынешним основным источникам энергии (углю, газу, гидроэлектростанциям, и ядерной энергетике) является термоядерный синтез (ТС). По сути это добрый брат-близнец злой ядерной энергетики главное про Царь-Бомбу не вспоминать: вместо реакций распада ядер, в ТС источником энергии служат слияния лёгких ядер в более тяжёлые. И вроде всё хорошо: все наши источники энергии уже так или иначе появились благодаря ТС, ведь именно он протекает в звёздах (в т.ч. и внутри Солнца) и служит источником света и тепла, за счёт чего протекают все реакции фотосинтеза, текут все реки и дуют ветра. Но также благодаря ТС у нас есть куча элементов тяжелее гелия (в т.ч. и углерод = уголь, нефть, газ, и уран).
Основные предполагаемые реакции синтеза — это реакции слияния разных изотопов водорода (протия , дейтерия и трития ).

Проблема в том, что для запуска ТС в самоподдерживающемся режиме необходимы офигенно высокие температуры. В звёздах с этим проблемы нет, а вот в земных условиях подобное требование всё ещё является препятствием для того, чтобы в каждой розетке тёк ток, полученный из экологичного термоядрённого синтеза.

Одним из способов понижения температуры является мюонный катализ.
Вики сообщает нам, что мюон () — это такой нестабильный тяжёлый клон электрона (): он тяжелее электрона в 207 раз, а живёт всего 2.2 микросекунды. Но, предполагается, что добавка подобных частиц в систему, где идёт ТС, сможет понизить минимальную температуру плазмы, необходимую для слияния новых ядер. А поскольку в ходе некоторых из реакций синтеза могут образовываться мюоны, то вместо распавшихся должны возникать новые частицы, которые позволят продолжать заниматься алхимией жечь водород и другие элементы с образованием более тяжёлых.

В различиях обычных форм водорода и тех, где электрон замещён на мюон и кроется вся суть мюонного катализа. И чтобы это увидеть, надо обратиться к квантовой химии и её концепциям, чем мы и займёмся.

В этой части мы сконцентрируемся на различиях атома водорода () от его мюонного аналога (), в котором электрон замещён на мюон.

Пролетая над гнездом протона.

Пара общих слов

Атом водорода. Его все обсуждают и проходят в школе на уроках физики и химии, поэтому и мы обсудим то, как замена электрона на мюон повлияет на свойства его (энергии и вида орбиталей).
Рассмотрим мы эти частицы с двух общих позиций:

Боровские орбиты

По-сути, старая квантовая механика — это попытки приспособить классическую механику для описания систем, которые ей не подчиняются. Несмотря на то, что для полного описания подобный подход весьма ущербный (о чём мы поговорим в следующем разделе), он является важным и интересным, а заодно необычно простым.

С частицей обычно у нас ассоциируется модель материальной точки: бесструктурной штуки, у которой мы можем измерить её положение (пусть ) и скорость (, от «velocity»), т.е. изменение положение с ходом времени .

И суть описания движения такой точки очень простая: если мы знаем положение/скорость точки в некоторый начальный момент времени , мы можем предсказать, где окажется эта точка в любой другой момент времени , а также с какой скоростью она будет в этот момент двигаться. Причём мы настолько всемогущи, что можем заглядывать не только в будущее, но даже в прошлое: момент может быть и до (),

Само предсказание, в соответствии со всеми законами волшебного жанра, должно основываться на неком заклинании, и оно известно каждому школолольнику, изучавшему физику. Это второй закон Ньютона, который есть ни что иное, как сильное шаманство из рода дифференциальных уравнений 2-го порядка:

Здесь, как обычно, a — это ускорение (от «acceleration»), первая производная скорости по времени (), или же вторая для координаты (, поэтому и второй порядок).

Но помимо ускорения в этом колдунстве у нас появляется ещё одно чудо-юдо, которое и отвечает за то, как будет двигаться частица: это сила F. Она, как все помнят, описывает то нечто, что управляет движением частицы. Особый род сил, к которым относятся два самых знакомых каждому фундаментальных взаимодействия (гравитационно-бессердечное и электромагнитное) — это т.н. потенциальные силы. В этом случае можно ввести другую сущность, под названием потенциальная энергия (будем её обозначать буквой V), который и будет руководить превращениями разных систем.

В сухом остатке, для предсказания движения материальной точки нам необходимо иметь (помимо её характеристик, типа массы и заряда):

Перейдём собственно, к задаче. Итак, у нас есть две разноимённо заряженные частицы, которые притягиваются друг к другу по закону Кулона, т.е. потенциальная энергия притяжения это

Эта ситуация и изображена на картинке выше. Но где-то мы видели похожую систему, не правда ли? Собственно, на одной из таких пар мы и живём: Солнце + Земля или Земля + Луна, или Земля + МКС — это всё тоже две частицы, которые притягиваются похожим потенциалом, выражаемым законом Ньютона:

где G — это гравитационная постоянная, а — массы.

Протон в 1836 раз тяжелее электрона, а поскольку мюон тяжелее электрона в 207 раз, то протон тяжелее мюона почти в 9 раз. В обоих случаях мы имеем систему «тяжелая частица + лёгкая частица», поэтому примем приближение, в котором электрон/мюон обращается вокруг протона. Конечно, точность этого предположения в случае будет существенно ниже, чем для атома водорода, но для иллюстрации вполне подойдёт. В случаях Солнце + Земля, Земля + МКС обычно используют аналогичные приближения.

Нас интересует стабильная система, в которой ничто никуда не падает, т.к. атомы водорода, если их не трогать, существуют очень долго.

Подобные движения в случае всех аналогов из Солнечной системы нам известны, а для пары Земля + МКС даже очевидны: это стабильные орбиты, при которой станция движется вокруг Земли со скоростью, достаточной, чтобы не упасть. Эта скорость зовётся, как все помнят, первой космической скоростью, т.е. нам бы нужна первая космическая скорость для атома водорода/его мюонного аналога. И её просто найти по школьным формулам (см. рисунок выше).

При движении по круговой орбите с радиусом R (на рисунке он обозначен как , и скоро мы дойдём до этого) необходимо иметь скорость . Можно представить себе, что в каждый момент на частицу, летящую по кругу, действуют две силы, перпендикулярные вектору скорости движения:

где m — масса электрона/мюона (естественного спутника протона).

Условием того, чтобы лёгкая частица не грохнулась на тяжёлую состоит в том, что сумма этих сил, перпендикулярных направлению движению частицы, должна быть нулевой (), а значит у нас получается уравнение

откуда мы получаем скорость, с которой необходимо лететь электрону/мюону с массой m при радиусе орбиты R, чтобы не грохнуться на протон:

И всё было бы зашибись, не будь электрон/мюон заряжен, а заряженные частицы при движении по кругу излучают электромагнитные волны (это зовётся лучистым трением), из-за чего подобная система не была бы стабильной: электрон/мюон при вращении испускал бы свет, в результате чего терял энергию и уменьшал радиус своей орбиты, и в конечном счёте упал бы на протон, и был бы маленький беленький пушистый зверёк всему. Но, очевидно, так не происходит, а значит что-то должно кардинально отличаться в поведении таких маленьких частиц, как электрон/мюон.

Собственно, Нильс Бор и предложил очень стрёмную (на тот момент) гипотезу. Он допустил, что существуют орбиты с определённым радиусом, находясь на которых атом водорода ничего не излучает. И теперь вопрос в том, как найти эти орбиты. Для простоты мы воспользуемся достижением более поздним, чем было доступно Бору: выражением для длины волны де Бройля:

Предполагается, что материя (частицы) тоже обладают волновыми свойствами, и им можно приписать некую длину волны, которая даётся формулой де Бройля. Тогда, чтобы движение по кругу было стационарным во времени (было стоячей волной), требуется, чтобы в длину орбиты () укладывалось целое число волн.

Тогда волновое движение электрона/мюона можно представить как-то так (взято с Вики):

На языке формул это выражается как:

Подставляя сюда первую космическую протонную скорость, полученную выше, получаем уравнение . Возведя в квадрат обе части, получаем выражение для радиуса n-й стационарной орбиты электрона/мюона:

Здесь (у нас нет ограничения на количество укладываемых волн), а — это т.н. приведённая постоянная Планка. Чем больше волн мы уложим, тем больше будет радиус орбиты. При минимальном же радиусе (n=1) в случае электрона (т.е. m равно массе электрона m_e) такой радиус называется боровским радиусом, как говорит К.О., в честь Нильса Бора, и обозначается он как a₀ (см. рис. выше):

По ходу выкладок мы мимоходом ввели новую сущность: число , которое определяет число волн и радиус орбиты, и даже скорость электрона на орбите. Это число известно всем со школы: это то самое главное квантовое число водородоподобного атома. Об этом поговорим подробнее в следующем разделе, а пока можно попробовать найти энергию каждого из уровней.

Как мы понимаем, энергия замкнутой системы (а в том, что наш водородоподобный атом такой и есть сомневаться не приходится) состоит из двух частей:

Тогда . С потенциалом же всё проще: . Суммируя эти вклады получаем полную энергию водородоподобного атома:

И эта формула сыграла огромную в доказательстве правильности квантовой механики, поскольку в спектрах атома водорода наблюдались кучи серий спектральных линий (Лаймана, Бальмера, Пашена и т.д.). И вот одной формулой и простой моделью их все удалось разом объяснить, что стало офигенно убедительным аргументом в пользу признания идей Бора.

Выжав из этой простейшей модели все соки, можно переходить к правильному рассмотрению задачи, с позиций честной квантовой механики.

Орбитали водородоподобного атома

Вторая же, ещё более важная вещь — это то, что такое квантовая механика, и как она работает. Вспоминать это можно по разным источникам. Я же рекомендую:

Впрочем, и хардкорно-сжатая выжимка нужных вещей есть и тут:

где — это погрешность измерения координаты частицы, а — погрешность измерения импульса частицы, который связан со скоростью как . По-сути это неравенство говорит: если измерить очень точно положение частицы (погрешность маленькая), то платой для этого станет огромная погрешность измерения импульса частицы (а значит и скорости), и наоборот. И нижняя планка такой совместной точности выражается через приведённую постоянную Планка ħ = 1.054571800(13) × 10 −34 Дж·c, которая связана с обычной постоянной Планка h как . Как видно, эта величина очень маленькая, поэтому в нашем мире, на пределе точности измерений наших обычных приборов (спидометров, линеек и т.д.) мы не чувствуем этот нижний предел этого неравенства, поэтому нам кажется, что можно всё измерять с какой угодно точностью.
Но для маленьких и легких частиц, таких как электрон и мюон, как бы мы не старались, невозможно в каждый момент времени узнать где и с какой скоростью эта фиговина летит.

существуют версии (формализмы) квантовой механики, где так или иначе есть траектории. Самыми явными примерами являются:

Поэтому для описания движения квантовых объектов потребовался новый язык и новый взгляд на вещи, и после долгих мучений и куч попыток разной степени удачности, в 1926-м году Эрвином Шрёдингером

Вместо траекторий частицы у нас появляется новая сущность: волновая функция , комплексная (в общем случае) функция зависящая только от координат частицы и времени.

В этой сущности и заключена вся суть квантовой механики: вместо точного предсказания положения/скорости/любой другой физической величины частицы мы можем только точно узнать вероятность того или иного исхода измерения, и более ничего. Сами же результаты измерения будут случайными, но если мы возьмём большое количество одинаковых систем и произведём кучу измерений некоторой физической величины, то статистический результат будет согласовываться с нашим предсказанием, но не конкретных исходов измерений, как в классической физике, а вероятностей разных измерений.

В частности, вероятность найти частицу в момент времени в диапазоне будет примерно равна , где «*» обозначает комплексное сопряжение.
Иными словами, величина (квадрат модуля волновой функции) — это плотность вероятности распределения положений частицы, т.е., грубо говоря, «размазанность» частицы по пространству. Естественно, из этого смысла следует, что , поскольку полная вероятность найти частицу хоть где-то должна быть равна 1.

Но так просто всё только для положения частицы. В общем же случае все физически измеряемые величины выражаются в виде особых штук: операторов. Обозначаются эти операторы крышечкой сверху, т.е. если у нас была некоторая классическая величина , то её квантовым аналогом будет оператор .

По-сути, оператор набор некоторых преобразований, которые необходимо проделать с волновой функцией, и записывается это как .

Внимательный читатель заметил, что в уравнении Шрёдингера уже была штуковина с крышкой, . Это оператор энергии системы, который называют оператором Гамильтона, или просто гамильтонианом. Как уже вспомнили, энергия частицы — это сумма её кинетической энергии T и потенциальной энергии V. Значит и оператор энергии выглядит также:

Обычно потенциал это просто некая функция от координат () и её конкретный вид зависит от задачи, но как выглядит классическая кинетическая энергия мы и так знаем: , а значит оператор кинетической энергии выглядит как

.
Следовательно, уравнение Шрёдингера для частицы записывается в виде

Это ни что иное как уравнение в частных производных второго порядка, и по виду это уравнение теплопроводности с комплексным коэффициентом диффузии тепла.

В куче случаев нас интересует задача о стационарных состояниях системы, когда на неё ничего не действует и она существует себе сферическая в вакууме и в нирване абсолютном спокойствии. В таких случаях уравнение Шрёдингера, содержащее время, упрощается и нам остаётся только решить более простое уравнение:

которое зовут стационарным уравнением Шрёдингера. Его решение — это волновая функция , описывающее стационарное состояние, и энергия этого состояния (E).

Это уравнение является уравнением в частных производных второго порядка, и в нём мы одновременно ищем волновую функцию , описывающую конкретное состояние системы и показывающую «размазанность» отрицательной частицы по пространству вокруг протона, и энергию этого состояния E. Колдунство, решающее его можно найти более-менее везде.

Но более простую вещь: найти решение для основного состояния водородоподобного атома может любой человек, знакомый с дифференциальными уравнениями. Чтобы не пугать всех остальных, этот кусок убран в спойлер:

Здесь R — это расстояние до протона (то самое, что стоит в законе Кулона), а сферические углы, где — полярный угол в плоскости , а — угол выхода частицы из этой плоскости:

Естественно, у нас в новых координатах переписывается и кусок со вторыми частными производными:

Выглядит, что мы усложнили себе жизнь, но это не совсем так. Предположим, что волновая функция одинакова во все стороны от протона (т.е. при фиксированном расстоянии от центра он размазан равномерно по сфере этого радиуса), тогда у нас волновая функция не зависит от углов , и значит большой и страшный кусок вторых производных у нас просто зануляется.

В итоге мы остаёмся с уравнением для одной координаты:

И уже не так страшно, правда, как решать такое уравнение, всё ещё не очень ясно.

Поэтому воспользуемся грязным хаком: посмотрим на это уравнение в непосредственной близости от протона (при ). В этом случае 2 куска, содержащих взмывают до огромных значений, а остальные 2 члена офигивают и остаются маленькими.

Домножив его на и распихав слагаемые по разным сторонам равенства получаем стандартный дифур 1-го порядка:

И решить его просто:

Иными словами, волновая функция имеет вид:

где это просто какой-то коэффициент, а вот — это радиус боровской орбиты при (см. предыдущий раздел). Неожиданно, но старое решение у нас вновь возникло и в честной квантовой механике.

Осталось проверить, является ли полученная волновая функция решением уравнения Шрёдингера везде, а не только около протона. Для этого подставим полученное решение в изначальное уравнение, для этого удобно заранее найти вторую производную по R:

Результатом подстановки становится:

т.е. , решение остаётся решением. А сокращая в левой и правой части получаем:
, что равно энергии боровской орбиты с .

Результатом решения уравнения Шрёдингера становится набор орбиталей, который описывается при помощи трёх целых чисел n, l и m, называемых «квантовыми числами». Зависимость энергий этих орбиталей от приведена ниже (и стырен с клёвого ресурса по химии):

Вот число этих «лепестков» и определяется орбитальным квантовым числом. Чтобы запутать всех ещё сильнее, каждому из таких сортов волновых функций дали своё название.

Так чем же отличаются атом водорода () от своего мюонного аналога ()?

Теперь применим полученные формулы для того, чтобы понять, что именно меняется при замене электрона на мюон в атоме водорода.

Соответственно, потенциал ионизации (IP) системы протон+электрон/мюон будет даваться формулой:

и поэтому чем больше , тем быстрее убывает волновая функция при удалении от протона, и тем меньше её «размер», т.е. локализация отрицательно заряженной частицы. Этот радиус R₁ при переходе от электрона к мюону падает в 207 раз, поэтому получается, что мюон более плотно пристроен к протону, чем электрон. И поэтому же его сложнее отодрать, поскольку ионизация — это по-сути переход на бесконечно удалённую орбиту, т.е. мюону надо прошагать больше, чем электрону, чтобы убежать от протона.

Концептуально все наши выводы из формул безгранично просты: решения задачи для и выглядят одинаково, но из-за того, что мюон тяжелее, он больше «липнет» к протону, и ему сложнее от него сбежать.

Очевидно, не так ли? Но с формулами всё ещё очевиднее.

Что будет дальше?

Этот текст был всего лишь подготовкой к следующей части.

В ней мы непосредственно обсудим, предполагаемый механизм понижения минимальной температуры термоядерного синтеза.

P.S. Атомная система единиц

Напоследок обсудим штуку, которая бы очень упростила нам все формулы, написанные выше. В разных (даже школьных) задачах выбор единиц измерения может сильно облегчить жизнь. И в случае квантовой механики тоже есть очень удобная система единиц. Это т.н. атомная система единиц. Она относится к классу естественных единиц, который противоположен по сути антропоцентрическим единицам (СИ, СГС), в которых в качестве эталонных штук используются величины, которые человек может себе сразу представить. Например, в СИ единица длины — метр (примерно длина руки/ноги взрослого человека), массы — килограмм (примерно масса пиваса в кружке на Октоберфесте), всё это мы наблюдаем в обычной жизни.

Естественные же системы единиц берут за основу нечто, что упрощает формулы в соответствующей области знания. И в случае атомных единиц:

В следующей части мы будем активно сидеть в этих единицах.

Источник