Радиус атома: определение и методы измерения

Введение

Измерение размера атома

Атомный радиус химического элемента – это мера размера его атома, обычно среднее или типичное расстояние от центра ядра до наиболее удаленного электрона. Поскольку границы атома не являются четко определенной физической величиной, существует несколько неэквивалентных определений атомного радиуса. Четыре широко используемых определения атомного радиуса: радиус Ван-дер-Ваальса, ионный радиус, металлический радиус и ковалентный радиус. Как правило, из-за сложности изолировать атомы для отдельного измерения их радиусов, атомный радиус измеряется в химически связанном состоянии; однако теоретические расчеты проще, когда рассматриваются изолированные атомы. Зависимость от окружения, метода исследования и состояния приводит к множеству определений. В зависимости от определения, термин может применяться к атомам в конденсированном веществе, ковалентно связанным в молекулах, или к ионизированным и возбужденным атомам; его значение может быть получено экспериментальным путем или вычислено с использованием теоретических моделей. Значение радиуса может зависеть от состояния и контекста атома. Электроны не имеют определенных орбит и четко определенных областей локализации. Скорее, их положение описывается распределениями вероятности, которые постепенно уменьшаются по мере удаления от ядра, без резкого обрыва; эти распределения называются атомными орбиталями или электронными облаками. Более того, в конденсированных веществах и молекулах электронные облака атомов обычно перекрываются в некоторой степени, и некоторые электроны могут находиться в большом объеме, охватывающем два или более атомов. Согласно большинству определений, радиусы изолированных нейтральных атомов находятся в диапазоне от 30 до 300 пм (триллионных долей метра) или от 0,3 до 3 ангстрем. Следовательно, радиус атома более чем в 10 000 раз превышает радиус его ядра (1–10 фм) и менее чем в 1/1000 длины волны видимого света (400–700 нм). Для многих целей атомы можно моделировать как сферы. Это лишь грубое приближение, но оно позволяет получить количественные объяснения и предсказания для многих явлений, таких как плотность жидкостей и твердых тел, диффузия жидкостей через молекулярные сита, расположение атомов и ионов в кристаллах, а также размер и форма молекул.

The atomic radius of a chemical element is a measure of the size of its atom, usually the mean or typical distance from the center of the nucleus to the outermost isolated electron. Since the boundary is not a well defined physical entity, there are various non equivalent definitions of atomic radius. Four widely used definitions of atomic radius are: Van der Waals radius, ionic radius, metallic radius and covalent radius. Typically, because of the difficulty to isolate atoms in order to measure their radii separately, atomic radius is measured in a chemically bonded state; however theoretical calculations are simpler when considering atoms in isolation. The dependencies on environment, probe, and state lead to a multiplicity of definitions. Depending on the definition, the term may apply to atoms in condensed matter, covalently bonding in molecules, or in ionized and excited states; and its value may be obtained through experimental measurements, or computed from theoretical models. The value of the radius may depend on the atom's state and context. Electrons do not have definite orbits nor sharply defined ranges. Rather, their positions must be described as probability distributions that taper off gradually as one moves away from the nucleus, without a sharp cutoff; these are referred to as atomic orbitals or electron clouds. Moreover, in condensed matter and molecules, the electron clouds of the atoms usually overlap to some extent, and some of the electrons may roam over a large region encompassing two or more atoms. Under most definitions the radii of isolated neutral atoms range between 30 and 300 pm (trillionths of a meter), or between 0.3 and 3 ångströms. Therefore, the radius of an atom is more than 10,000 times the radius of its nucleus (1–10 fm), and less than 1/1000 of the wavelength of visible light (400–700 nm). For many purposes, atoms can be modeled as spheres. This is only a crude approximation, but it can provide quantitative explanations and predictions for many phenomena, such as the density of liquids and solids, the diffusion of fluids through molecular sieves, the arrangement of atoms and ions in crystals, and the size and shape of molecules.

История

В 1920 году, вскоре после того, как рентгеновская кристаллография позволила определять размеры атомов, было предположено, что все атомы одного и того же элемента имеют одинаковые радиусы. Однако в 1923 году, с появлением большего количества данных по кристаллам, выяснилось, что представление об атоме как о сфере не всегда применимо при сравнении одного и того же атома в различных кристаллических структурах.