Размеры атомов и молекул

Атом — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств.
Всем известно, что атомы состоят из ядра и электронов, ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами одинаковых атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 0,32 ангстрем (10-10 м), а самый большой — атом цезия (2,25 Å).

Размер атома гелия и его ядра

Рассмотрим наглядные примеры малости атомов. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2⋅1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.

Тем самым, размеры атомов и молекул в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), именно поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп.

Для определения строения молекул и атомов конкретного вещества современная наука располагает широким набором методов: электронная спектроскопия, колебательная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие, но единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы, а именно: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов. Поговорим о самом популярном методе, а для этого вспомним свойства рентгеновского излучения.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~10 эВ до нескольких МэВ), что соответствует длинам волн от ~103 до ~10−2 Å (от ~102 до ~10−3 нм).

Что такое длина волны и почему о ней все говорят?

Длина волны — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.

Например, для волны, возникающей в воде от равномерно колеблющегося поплавка, длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями волны, измеренное в какой-то момент времени в радиальном направлении.

Тем самым, длина волны является одной из основных характеристик волны и соответствует пространственному периоду волны, то есть расстоянию, которое точка с постоянной фазой «проходит» за интервал времени, равный периоду колебаний, поэтому

Главной особенностью рентгеновского излучения и причиной его широкого использования является тот факт, что длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов.

Поэтому, кстати, не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей.

Рентгеноструктурный анализ

Рентгеновский структурный анализ — это методы исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения.

Рентгеноструктурный анализ наряду с нейтронографией и электронографией является дифракционным структурным методом. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей.

Дифракция рентгеновских лучей — это рассеяние рентгеновских лучей кристаллами (или молекулами жидкостей и газов), при котором из начального пучка лучей возникают вторичные отклонённые пучки той же длины волны, появившиеся в результате взаимодействия первичных рентгеновских лучей с электронами вещества, при этом направление и интенсивность вторичных пучков зависят от строения рассеивающего объекта.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д.

Наиболее успешно этот метод применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Кристаллы — твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены регулярно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Будучи индивидуальной для каждого вещества, кристаллическая структура относится к основным физико-химическим свойствам этого вещества.

Тем самым, кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.

Автор: Волков Николай, студент физического факультета МГУ