Збери атом власними руками
3D-моделі елементів 1–36, оболонки, конфігурація і форми орбіталей.
З чого складається атом
Атом — це ядро з протонів і нейтронів та електрони навколо нього.
- Z — число протонів. Воно визначає елемент.
- A = Z + N — масове число. У 14C: 6 протонів і 8 нейтронів.
- Ізотопи — той самий Z, різне N: 12C, 13C, 14C.
- Йон — атом, що втратив або приєднав електрони.
Про розміри
Атом має розмір близько 10−10 м, ядро — близько 10−15 м: ядро приблизно в 100 000 разів менше за атом, але в ньому понад 99,9 % маси.
Збери атом елемента
Що тут видно: ядро з протонів і нейтронів, електрони на оболонках K, L, M, N. Торкнись елемента, і атом збудується заново. протонинейтрониелектрони
Рівні, підрівні, орбіталі
На рівні n — не більше 2n² електронів. Рівні складаються з підрівнів s, p, d, f.
Що тут видно: місткість рівнів K, L, M, N і порядок, у якому електрони заповнюють підрівні (правило Клечковського).
Підрівні, орбіталі й винятки
Підрівень s має 1 орбіталь (до 2 електронів), p — 3 (до 6), d — 5 (до 10), f — 7 (до 14). На одній орбіталі — не більше двох електронів з протилежними спінами (принцип Паулі); на орбіталях підрівня електрони спочатку займають вільні місця по одному (правило Гунда). Приклад: Оксиген 1s² 2s² 2p⁴.
Винятки в 1–36: Cr має 3d⁵ 4s¹ (не 3d⁴ 4s²), Cu має 3d¹⁰ 4s¹ (не 3d⁹ 4s²): наполовину й повністю заповнений d-підрівень вигідніший.
Форми орбіталей
Що тут видно: області навколо ядра, де електрон буває найчастіше. Синій і помаранчевий — знак хвильової функції (фаза).
Дві моделі атома
Бор бачив електрони на орбітах, квантова механіка бачить хмару ймовірності.
Модель Бора, 1913
Електрон — частинка на колі з певною енергією. Пояснила спектр водню, але не працює для багатьох електронів.
Квантово-механічна модель
Електрон має властивості частинки й хвилі. Орбіталь — розподіл імовірності, траєкторії немає (принцип Гейзенберга).
Що тут видно: наш 3D-конструктор показує спрощену модель Бора, а форми орбіталей беруться з квантової моделі.
Лабораторія: ізотопи й йони
Що тут видно: ізотоп змінює число нейтронів у ядрі, йон — число електронів. Доступні лише ізотопи й заряди, які справді існують.
Як зробити фізичну модель
Найпростіше — модель Бора для кількох елементів, наприклад H, C, O, Na, Cl.
Загальні правила
- Кольори: протони червоні, нейтрони сірі, електрони блакитні або жовті, однакові на всіх моделях.
- Масштаб: ядро в ~100 000 разів менше за атом, тому на моделі його завжди збільшують. Напиши про це на підписі.
- Підпис: символ, Z, A, конфігурація, електрони по рівнях.
Пластилін: найпростіший варіант
- Червоні й сірі кульки злий у щільну «грудку», це ядро.
- Електрони: маленькі кульки на дротинах. Основа: картон або пінопласт.
Пінопластові кульки й дріт
- Ядро: кульки Ø 10–15 мм, пофарбовані гуашшю, склеєні ПВА (ацетон пінопласт «з'їдає»).
- Орбіти: мідний або алюмінієвий дріт Ø 1–2 мм у вигляді кілець, радіуси зростають. Електрони: бісер на кільцях, для Хлору 2, 8, 7.
Орбіталі
- s: куля. p: дві краплі, з'єднані в центрі, три штуки під прямим кутом.
- Повітряні кульки або пластилін на дротяній осі; фази «+» і «−» різними кольорами.
3D-друк
- Tinkercad, Blender або OpenSCAD: кулі для нуклонів, кільця для орбіт, стрижні-тримачі. Експорт STL, слайсер Cura або PrusaSlicer, PLA, шар 0,2 мм.
- Мінімальна товщина тримачів 2 мм. Кольорові частини друкуй окремо й збирай.
Висновки
- Елемент визначає число протонів Z, а число нейтронів і електронів дає ізотоп та йон.
- Електрони займають оболонки K, L, M, N: 2, 8, 18, 32 на повному рівні.
- Форму електронної хмари задають підрівні: s — сфера, p — гантель, d — складніші лопаті.
- В інертних газів (He, Ne, Ar, Kr) зовнішній рівень заповнений.
Перевір себе
Далі: як радіоактивні атоми допомагають лікарям.