Итак, атом  это микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в поле ядра.

Любое определение, включая и приведенное выше, отражает лишь ограниченное число свойств оригинала. Например, следует принять во внимание структуру ядра атома.

Ядро атома – это тоже микросистема, которая состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра (Z_я), а число нейтронов (N) в сумме с числом протонов выражают массовое число атома (А):

А = Z_я + N

1.2. Взаимодействия в атомах

Энергия притяжения электронов к ядру, а также энергия движения электронов, стремящаяся оторвать электрон от атома, уравновешены, и атом сохраняет устойчивое состояние. Только воздействие внешней среды способно вывести атом из этого состояния. В роли внешней среды выступают микрочастицы вещества (атомы, молекулы, электроны) и поля (фотоны).

Рассмотрим атом водорода. По законам классической механики и электродинамики атом водорода – неустойчивая система. По законам квантовой механики, это устойчивая система, и сближение электрона с ядром не должно привести к его «падению» на ядро.

В 1927 г. В. Гейзенберг сформулировал действующий в квантовой механике принцип неопределенности: объект микромира невозможно одновременно с наперед заданной точностью характеризовать координатой и импульсом. Если неопределенность в определении координаты х составляет х, а неопределенность в определении импульса m составляет (m), то неопределенности этих величин удовлетворяют условию (1.1)

, (1.1)

где m – масса;  – скорость микрочастицы, движущейся вдоль координаты х; h – постоянная Планка.

Уравнение (1.1) получило название соотношения неопределенности Гейзенберга.

Потенциальная энергия (Е) атома водорода складывается из кинетической энергии электрона (U):

U =

и энергии притяжения электрона ядром (V). Заряды ядра (в данном случае протона) и электрона равны по величине и противоположны по знаку (заряд е):

Е = U+V=,(1.2)

где   скорость движения электрона массой m; r – радиус орбитали.

Состояние электрона с точно установленными значениями координаты r и импульса m означало бы нарушение соотношения неопределенности Гейзенберга. Допустим, что неопределенность в определении координаты имеет порядок самой координаты (r  r), а неопределенность в определении импульса имеет порядок самого импульса (m  m). Согласно соотношению неопределенности получим:

r m = (1.3)

Подставляя значение  из уравнения (1.3) в выражение потенциальной энергии (1.2), получим:

Е = (1.4)

Устойчивому состоянию атома соответствует минимум потенциальной энергии . Продифференцировав выражение (1.4) поr и приравняв , получим:

_{+= 0.}

Отсюда (1.5)

Полученное значение r_min совпадает с радиусом первой боровской орбиты атома водорода. Подставив r_min из уравнения (1.5) в уравнение (1.4), найдем энергию основного состояния атома водорода:

Эта величина соответствует минимальной энергии атома водорода (рис. 4).

Е

U ~

r

0

r_min

Е_min

V ~ 

Рис. 4. Изменение потенциальной энергии атома водорода (сплошная линия). Пунктирными линиями обозначены изменения кинетической энергии и энергии притяжения