XIX. Кино 38 страница

Работу по развитию и согласованию исследований в области А. о. проводит Академия наук СССР совместно с Главным управлением гидрометеорологической службы СССР.

Лит.: Броунов П.И., Атмосферная оптика, М., 1924; Ш и ф р и н К.С., Рассеяние света в мутной среде, М.- Л., 1951; Пясковская-Фесенкова Е.В., Исследование рассеяния света в земной атмосфере, М., 1957; Розенберг Г. В., Сумерки, М., 1963; Кондратьев К. Я., Актинометрия, Л., 1965. К. С. Шифрин.

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, гидростатическое давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. А. д.- существенная характеристика состояния атмосферы; в каждой точке атмосферы оно определяется весом вышележащего воздуха. С высотой А. д. убывает; зависимость А. д. от высоты выражается барометрической формулой. Измеряется А. д. барометром. А. д. выражают в миллибарах (мбар), в ньютонах на м² (и/м²) или высотой столба ртути в барометре в мм, приведённой к 0°С и норм, (на уровне моря и широте 45°) величине ускорения силы тяжести.

За норм. А. д. принимают 760 мм рт. ст. = 1013, 25 мбар = 101325 н/м². На высоте 5 км А. д. равно прибл. половине А. д. у земной поверхности.

На земной поверхности А. д. изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны непериодич. изменения А. д., связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления - антициклонов и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей - циклонов, в к-рых господствует пониженное давление. Отмеченные до сих пор крайние значения А. д. (на уровне моря): 808, 7 и 684, 0 мм рт. ст. Однако, несмотря на большую изменчивость, распределение средних месячных значений А. д. на поверхности земного шара каждый год примерно одно и то же. Среднегодовое А. д. понижено у экватора и имеет минимум под 10° с. ш. Далее А. д. повышается и достигает максимума под.30-35° сев. и юж. широты; затем А. д. снова понижается, достигая минимума под 60 - 65°, а к полюсам опять повышается. На это широтное распределение А. д. существенное влияние оказывает время года и характер распределения материков и океанов. Над холодными материками зимой возникают области высокого А. д. Таким образом, широтное распределение А. д. нарушается, и поле давления распадается на ряд областей высокого и низкого давлений, к-рые наз. центрами действия атмосферы. С высотой горизонтальное распределение давления становится более простым, приближаясь к широтному. Начиная с высоты ок. 5 км А. д. на всём земном шаре понижается от экватора к полюсам.

В суточном ходе А. д. обнаруживаются 2 максимума: в 9-10 ч и 21-22 ч, и 2 минимума: в 3-4 ч и 15-16 ч. Особенно правильный суточный ход оно имеет в тропич. странах, где дневное колебание достигает 2, 4 мм рт. ст., а ночное-1, 6 мм рт. ст. С увеличением широты амплитуда изменения А. д. уменьшается, но вместе с тем становятся более сильными непериодич. изменения А. д.

Лит.: X р г и а н А. X., Физика атмосферы, 2 изд., М., 1958, гл. V; Б у р г е с с Э., К границам пространства, пер. с англ., М., 1957.

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, 1) совокупность электрич. явлений и процессов в атмосфере; 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрич. свойства. При исследовании А. э. изучают электрич. поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость, электрич. токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и мн. др. Все проявления А. э. тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют метеорологич. факторы - облака, осадки, метели и т. п. К области А. э. обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере.

Начало А. э. как науке было положено в 18 в. амер. учёным Б. Франклином, экспериментально установившим электрич. природу молнии, и рус. учёным М. В. Ломоносовым - автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В 20 ь. были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60-100 км (ионосфера, магнитосфера Земли); установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд др. явлений, изучению к-рых посвящены соответствующие науки, выделившиеся из А. э. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами. Две основные совр. теории А. э. были созданы англ. учёным Ч. Вильсоном и сов. учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрич. поле атмосферы объясняется всецело электрич. явлениями, происходящими в тропосфере, - поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрич. процессов.

А. э. данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где отсутствуют скопления аэрозолей и источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны " хорошей", или " ненарушенной" погоды, здесь преобладают глобальные факторы. В зонах " нарушенной" погоды (в районах гроз, пыльных бурь, осадков и др.) преобладают локальные факторы.

Э л е к т р и ч е с к о е п о л е а т м о с ф е р ы. В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены; даже в чистой атмосфере постоянно существует электрич. поле. Исследования в зонах " хорошей" погоды, начатые в 19 в., показали, что у земной поверхности существует стационарное электрич. поле с напряжённостью Е, в среднем равной ок. 130 в/м. Земля при этом имеет отрицат. заряд, равный ок. 3-10⁵ к.аатмосфера в целом заряжена положительно. Однако при осадках и особенно грозах, метелях, пылевых бурях и т. п. напряжённость поля может резко менять направление и величину, достигая иногда 1000 в/м. Наибольшие значения Е имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. В зонах " хорошей" погоды Е с высотой в целом уменьшается, напр. над океанами. Вблизи земной поверхности, в т. н. слое перемешивания толщиной 300-3000 м, где скапливаются аэрозоли, Е может с высотой возрастать (рис. 1). Выше слоя перемешивания Е убывает с высотой по экспоненциальному закону и па высоте 10 км не превышает неск. е/м. Это убывание Е связано с тем, что в атмосфере содержатся положит. объёмные заряды, плотность к-рых также быстро убывает с высотой.

Рис. 1. Изменение напряжённости электрич. поля Е с высотой Н. 1 - Ленинград; 2 - Киев; 3 - Ташкент.

[ris]

Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет 200-2.50 кв. Напряжённость электрич. поля Е меняется во времени. Наряду с локальными суточными и годовыми вариациями Е отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (см. кривые / и 2, рис. 2) и годовые вариации Е - т. н. унитарные вариации. Унитарные вариации связаны с изменением электрич. заряда Земли в целом, локальные-с изменениями величины и распределения по высоте объёмных электрич. зарядов в атмосфере в данном районе.
[ris]

Рис. 2. Суточный ход унитарной вариации напряжённости электрич. поля Е: 1 - над океанами; 2 - в полярных областях; 3 - изменение площади S, занятой грозами, в течение суток.

Электрич. проводимость атмосферы. Электрич. состояние атмосферы в значит. степени определяется её электрич. проводимостью X, к-рая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Наличие ионов в атмосфере и является причиной потери заряда изолированным заряженным телом при соприкосновении с воздухом (явление, открытое в конце 18 в. французским физиком Ш. Кулоном). Электрическая проводимость X зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма (их концентрации), и их подвижности. Основной вклад в X вносят лёгкие ионы, обладающие наибольшей подвижностью и> 10^{- 5}м²-сек^-1 -в^-1.

Электрическая проводимость атмосферы очень мала и может сравниться с проводимостью хороших изоляторов. У земной поверхности в среднем Х = = (1-2)-10^-18 ом^-1-.м^-1 и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону; на высоте ок. 30 км X достигает значений, почти в 150 раз больших, чем у земной поверхности. Выше проводимость увеличивается ещё более, причём особенно резко с высот, до к-рых проникают ионизующие излучения Солнца и где начинается образование ионосферы, проводимость к-рой прибл. в 10¹² раз больше, чем в атмосфере вблизи земной поверхности.

Осн. ионизаторы атмосферы: 1) кос-мич. лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоактивных веществ, находящихся в Земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, ионизующее действие к-рых заметно проявляется на высотах более 50-60 км. Концентрация лёгких ионов возрастает с увеличением интенсивности ионизации и уменьшением концентрации частиц в атмосфере, поэтому концентрация лёгких ионов растёт с высотой. Этот факт в сочетании с увеличением подвижности ионов при уменьшении плот ности воздуха объясняет характер изменения X и Я с изменением высоты.

Э л е к т р и ч е с к и й т о к в а тм о с ф е р е. Движение ионов под действием сил электрического поля создаёт в атмосфере вертикальный ток проводимости in=ex., со средней плотностью, равной ок. (2-3)-10^-12 а/м². Т. о., в зонах " хорошей" погоды сила тока на всю поверхность Земли составляет ок. 1800 а. Время, в течение к-рого заряд Земли за счёт токов проводимости атмосферы уменьшился бы до ⁴/е~0, 37 от своего первоначального значения, равно ~ 500 сек. Т. к. заряд Земли в среднем не меняется, то очевидно, что существуют " генераторы" А. э., заряжающие Землю. Помимо токов проводимости, в атмосфере текут значит. электрич. диффузионные и кон-вективные токи.

" Г е н е р а т о р ы" а т м о с ф е рн о г о э л е к т р и ч е с т в а. " Генераторами" А. э. в зонах нарушенной погоды являются пылевые бури и извержения вулканов, метели и разбрызгивание воды прибоем и водопадами, облака и осадки, пар и дым пром. источников и т. д. При почти всех перечисленных явлениях электризация может проявляться весьма бурно: извержение вулканов, песчаные бури и даже метели приводят иногда к образованию молний; всё же наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки.

По мере укрупнения частиц облака, увеличения его толщины, усиления осадков из него растёт его электризация. Так, в слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов p=3-10^-12 к/км³, что прибл. в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере, а в грозовых облаках р доходит до 3-10^-8 к/м³. Облака могут быть заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность, а также преимущественный заряд одного знака. Плотность тока осадков на Землю из слоисто-дождевых облаков г_ос~ 10^-12 а/м², в то время как из грозовых г_ос= 10^-9а/м². Полная сила тока, текущего на Землю от одного грозового облака, в средних широтах равна ок. -(0, 01-0, 1) а, а ближе к экватору до -(0, 5-1, 0) а. Сила токов, текущих в самих этих облаках, в 10 - 100 раз больше силы токов, притекающих к Земле. Т. о., гроза в электрич. отношении подобна короткозамкнутому генератору.

При высоких значениях электрич. поля у земной поверхности порядка 500 - 1000 в/м начинается электрич. разряд с острых вытянутых предметов (травы, деревьев, мачт, труб и т. д.), к-рый иногда становится видимым (т. н. огни св. Эльма, особенно яркие в горах и на море, см. Эльма огни). Возникающие при метелях, ливнях и особенно грозах токи коронирования способствуют обмену зарядами между Землёй и атмосферой. Т. о., электрич. поле Земли и ток Земля - атмосфера в зонах хорошей погоды поддерживаются процессами в зонах нарушенной погоды. На земном шаре одновременно существует ок. 1800 гроз (см. кривую 3, рис. 2); суммарная сила тока от них, заряжающего Землю отрицат. зарядом, доходит до 1000 а. Облака слоистых форм, хотя и менее активные, чем грозовые, но зато покрывающие ок. половины земной поверхности, также вносят существенный вклад в поддержание эдектрич. поля Земли. Исследования А. э. позволяют выяснять природу процессов, ведущих к колоссальной электризации грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими; выяснить роль электрич. сил в образовании облаков и осадков; они дадут возможность снижения электризации самолётов и увеличения безопасности полётов, а также раскрытия тайны образования шаровой молнии.

Лит.: Френкель Я.И., Теория явлений атмосферного электричества, Л.-М., 1949; Тверской П.Н., Атмосферное электричество, Л., 1949; Имянитов И.М., Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, М., 1957; Имянитов И. М. и Ш и ф р и н К. С., Современное состояние исследований атмосферного электричества, " Успехи физических наук", 1962, т. 76, в. 4, с. 593; Имянитов И. М. и Чубарина Е. В., Электричество свободной атмосферы, Л., 19135. И. М. Имянитов.

АТМОСФЕРНЫЕ ПОМЕХИ РАДИОПРИЁМУ, помехи радиоприёму от электрич. процессов, непрерывно происходящих в атмосфере Земли. Каждое нерегулярное изменение (разряд и др.) атм. электричества вызывает излучение электромагнитных волн всевозможной длины, действие к-рых на антенну радиоприёмника проявляется на его выходе в виде шумов и тресков (громкоговоритель), штрихов или чёрточек (кинескоп) и др. Уровень принятых антенной А. п. р. зависит от расстояния и условий распространения радиоволн (в данное время дня и года) между источником их возникновения и местом приёма. Наиболее мешают А. п. р. на длинных и средних волнах радиовещат. диапазона; с переходом на короткие волны помехи резко ослабевают. Особенно сильные А. п. р. создают грозовые разряды. В СССР наиболее сильный грозовой очаг расположен на Ю.-В. страны. Для ослабления действия А. п. р. применяют направл. антенны, когда направление на принимаемую радиостанцию отлично от направления на источник помех, и спец. схемы радиоприёмников.

АТМОСФЕРНЫЙ ВОЛНОВОД, слой воздуха, непосредственно примыкающий к поверхности Земли или приподнятый над ней, к-рый отклоняет распространяющиеся в нём радиоволны к поверхности Земли. При определённых метеорологич.

Атмосферный волновод, в котором радиоволны могут распространяться на большие расстояния вдоль поверхности Земли.

условиях, когда темп-pa убывает с высотой медленнее, а влажность воздуха быстрее, чем при нормальных условиях, волна, вышедшая под небольшим углом к горизонту, на нек-рой высоте испытывает полное отражение, отклоняется обратно к земной поверхности и отражается от неё. Этот процесс может повторяться многократно, в результате чего радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли на большие расстояния без заметного ослабления (рис.). Такой способ распространения радиоволн в атмосфере наз. волноводным, он напоминает распространение радиоволн в радиоволноводах. В А. в. могут распространяться волны, для к-рых длина волны X меньше нек-рого критич. значения Х_кр (обычно Х_кр < 50- 100 м), т. е. дециметровые, сантиметровые и более короткие волны (подробнее см. Распространение радиоволн). М. Б. Виноградова.

АТМОСФЕРОСТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, способность полимерных материалов выдерживать действие различных атмосферных агентов (солнечной радиации, тепла, кислорода воздуха, влаги, пром. газов и т. д.) без значительного изменения внешнего вида и эксплуатац. свойств (механич., диэлектрических и др.). Устойчивость различных видов полимерных материалов к действию отдельных атм. агентов неодинакова. Так, волокна и плёнки наиболее чувствительны к воздействию солнечной радиации, непрозрачные пластмассы - к действию тепла, резины - озона. Критерием А. п. м. служит измене-fine к.-л. эксплуатац. свойства материала за определённое время экспозиции или время экспозиции, за к-рое происходит определённое изменение этих характеристик (напр., время до появления трещин, время до разрыва и т. д.). Выбор характеристики, по к-рой судят об А. п. м., определяется типом материала. Так, атмосферостойкость лакокрасочных покрытий оценивается по изменению их внешнего вида (блеска, цвета, степени растрескивания и др.) и защитных свойств.

А. п. м. во многом определяется интенсивностью воздействия атм. агентов и, следовательно, зависит от климата местности. Поэтому при оценке А. п. м. всегда учитывают климатическую зону, в которой проводилось испытание. Часто А. п. м. определяют не в естественных, а в лабораторных условиях ускоренными методами. Для этой цели пользуются различными приборами, напр. в е з е р о м е т р а м и, к-рые воспроизводят одновременно действие различных атмосферных агентов. А. п. м. сильно зависит от хим. и физ. структуры полимера и от характера введённых в него ингредиентов. Примеры полимерных материалов с хорошей атмосферостойкостью - крем-нийорганические каучуки, полиакрило-нитрильные волокна, пластмассы на основе полиамидов, полиметилметакри-лата, ацетилцеллюлозы и др. А. п. м. повышают различными стабилизаторами полимерных материалов.

АТМОСФЕРЫ ЗВЁЗД, внешний слой звёзд, в котором происходит образование спектра их излучения. Различают собственно атмосферу - слой, в к-ром возникает линейчатый спектр, и более глубокую фотосферу, дающую непрерывный спектр; однако резкой границы между ними нет. Под фотосферой, свечение к-рой определяет блеск звезды, находятся недоступные наблюдениям глубинные слои звезды, содержащие источники энергии. Через фотосферу энергия переносится в основном лучеиспусканием. Для звёзд с постоянным блеском излучение каждого элементарного объёма фотосферы происходит за счёт поглощаемой им лучистой энергии (лучистое равновесие). Построение моделей А. з. (вычисление распределения плотности, давления, темп-ры и др. физ. характеристик атмосферы по глубине) позволяет теоретически рассчитать распределение энергии в непрерывном и линейчатом спектре звезды. Сравнение тео-ретич. и наблюдаемого спектров для звёзд различных классов является критерием правильности положенных в основу теории предположений. Осн. сведения о звёздах (хим. состав, движения в атмосфере, вращение, магнитные поля) получены на основе изучения их спектров.

Один из важнейших параметров теории А. з.- коэффициент поглощения звёздного вещества, т. к. он определяет гео-метрич. глубину фотосферы. Для горячих звёзд осн. роль играет поглощение лучистой энергии атомами водорода (для очень горячих добавляется поглощение гелием и рассеяние свободными электронами), в атмосферах холодных звёзд - отрицательными ионами водорода. Хим. состав внешних слоев А. з. определяют сравнением наблюдённой и теоретической (полученной методом кривой роста или из модели А. з.) эквивалентной ширины линий поглощения (т. е. ширины соседнего с линией участка непрерывного спектра, энергия к-рого равна энергии, поглощённой в линии). Наиболее распространённые элементы - водород и гелий; за ними - углерод, азот, кислород. Число атомов всех металлов составляет примерно одну десятитысячную числа атомов водорода. К 60-м гг. 20 в. подробно рассчитаны звёздные модели всех спектральных классов, к-рые в общем хорошо объясняют их наблюдаемые спектры. В общих чертах хим. состав А., з. одинаков, однако наблюдаются существенные отклонения, связанные как с особым состоянием атмосфер (магнитные звёзды, тесные двойные звёзды), так и с реальными различиями в хим. составе (красные звёзды-гиганты, металлич. " гелиевые", " бариевые" и " литиевые" звёзды и др.), вероятно, вызванными эволюционными процессами. Такие звёзды и звёздные группы изучают особенно интенсивно.

Лит.: Мустель Э. Р., Звездные атмосферы, М., 1960; Аллер Л., Распространенность химических элементов [во вселенной], пер. с англ., М., 1963; Звездные атмосферы, пер. с англ., М., 1963; Теория звездных спектров, М., 1966; С о б о л е в В. В., Курс теоретической астрофизики, М., 1967.

А. Г. Масевич.

АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ, внешние газовые оболочки планет. Атмосферами обладают все большие планеты Солнечной системы, за исключением, может быть, Меркурия и Плутона. Атмосфера обнаружена также у спутника Сатурна - Титана; возможно, она существует также у спутников Юпитера: Ио, Европы и Га-нимеда. См. Планеты, а также статьи об отдельных планетах.

Лит.: Мороз В.И., Физика планет, М., 1967; Брандт Дж., Ходж П., Астрофизика солнечной системы, пер. с англ., М., 1967.

АТМОФИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, типичные для атмосферы Земли химич. элементы. По геохимической классификации элементов к А. э. относятся: водород, азот и инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон). Кислород, слагающий 47% литосферы, принадлежит к литофилъным элементам.

АТОЛЛ (от мальдивск. атолу), коралловый остров, имеющий форму сплошного или разорванного кольца, окружающего лагуну небольшой глубины (до 100 м). Образован гл. обр. известковыми постройками колониальных кораллов. А. обычно невелики, но иногда достигают 50 км и более в диаметре. Встречаются в открытом море в тропич. широтах; особенно часто в центр. части Тихого ок., иногда целыми архипелагами. Происхождение А., по гипотезе Ч. Дарвина, объясняется медленным погружением острова, первоначально окружённого барьерным рифом, к-рый постепенно надстраивается кораллами.

АТОМ (от греч. atomos - неделимый), частица вещества микроскопич. размеров и очень малой массы (м и к р о ч а с т и ц а), наименьшая часть хим. элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определённый род А., обозначаемых символом элемента (напр., А. водорода Н; А. железа Fe; А. ртути Hg; А. урана U).

А. могут существовать как в с в о б о дн о м состоянии, в газе, так ив связанном. Соединяясь химически с А. того же элемента или А. др. элементов, они образуют более сложные микрочастицы - молекулы; всё огромное многообразие хим. соединений обусловлено различными сочетаниями А. в молекулах. Связываясь друг с другом непосредственно или в составе молекул, А. образуют жидкости и твёрдые тела.

Свойства макроскопич. тел - газообразных, жидких и твёрдых - и свойства отдельных молекул зависят от свойств входящих в их состав А. Все свойства А., физические и химические, определяются его строением как системы, состоящей из ядра и электронов, и подчиняются характерным для микроскопич. явлений к в а н т о в ы м з а к о н а м. Ниже излагаются совр. представления о строении и свойствах А. (историй развития учения об А. см. в ст. Атомная физика).

Общая характеристика строения атома. А. состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрич. зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрич. зарядами, образующих электронные оболочки А. Размеры А. в целом определяются размерами его электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра А. Характерные порядки размеров:

Электронные оболочки А. не имеют строго определённой границы; значения размеров А. в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны (см. Атомные радиусы).

Заряд ядра - осн. характеристика А., обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым кратным элементарного положительного электрич. заряда е, равного по абс. значению заряду электрона -е. Заряд ядра равен + Ze, где Z - порядковый номер (атомный номер). 2 = 1, 2, 3, 4,... для А. последовательных элементов в периодической системе элементов Менделеева, т. е. для атомов Н, Не, Li, Be,... В не й-тральном А. ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом -Ze и полный заряд А. равен нулю; в положительном ионе - А., потерявшем k электронов (ионизованном А.), остаётся Z-k электронов (k =1, 2, 3,...-кратность ионизации) и его заряд равен +ke; в отрицательном ионе - А., присоединившем k электронов, - содержится Z + k электронов, и его заряд равен -ke. Для положит. иона макс. значение k=Z (такой ион потерял все свои электроны и состоит из " голого" ядра); для отрицательного свободного иона fe = l; для связанных А. возможно образование отрицат. ионов с k> l (в растворах, комплексных соединениях и ионных кристаллах). Говоря об А. определённого элемента, подразумевают как нейтральные А., так и ионы этого элемента. Но иногда под А. понимают нейтральный А., в противоположность ионам. Положительные и отрицат. ионы при написании отличают от нейтрального А. индексом k+ и k-, напр. О обозначает нейтральный А. кислорода (Z=8), O ⁺, О²⁺(или О⁺⁺), О³⁺,..., О⁸⁺- его положит, ионы, О^-, О^2- (или О^-) - его отрицат. ионы. Совокупность нейтрального А. и ионов др. элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд. Простейший такой ряд начинается с А. водорода: H, He⁺, Li²⁺, Be³⁺,...; члены этого ряда состоят из ядра и одного электрона.

Порядок значений зарядов ядер различных А. был определён англ. физиком Э. Резерфордом в его первонач. опытах по рассеянию альфа-частиц (1911). Значения Z были надёжно установлены англ, физиком Г. Мозли (1913-14) на основе изучения рентгеновских спектров последовательных элементов в периодич. системе. Кратность заряда ядра А. элементарному заряду е получила объяснение, исходя из представлений о строении ядра: Z равно числу протонов в ядре, протон имеет заряд +е, и полный заряд ядра равен сумме зарядов всех Z протонов, т. е. +Ze.

Масса атома возрастает с увеличением Z. Масса ядра А. приближённо пропорциональна массовому числу А -общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0, 91 • 10^-27 г) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы. протона или нейтрона (1, 67-10^-24 г), и поэтому масса А. в целом определяется в основном массой его ядра.

А. данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А-Z может меняться); такие разновидности А. одного и того же элемента наз. изотопами. Различие массы ядра почти не сказывается на строении их электронных оболочек, зависящем от заряда ядра Z. Химические и большинство физ. свойств (оптич., электрические, магнитные), определяемые строением электронных оболочек, одинаковы или очень близки для всех изотопов данного элемента. Наибольшие отличия в свойствах (и з о т о п и ч е с к и е э ф ф е к т ы) получаются для изотопов водорода (Z = l) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого А. водорода (А=1), А. дейтерия (А =2) и А. трития (А=3).

Масса А. приближённо равна массовому числу А и изменяется от 1, 67-10^-24г для самого лёгкого А. водорода (основного изотопа: Z = 1, A = 1) до примерно 4-10^-22г для самых тяжёлых А. трансурановых элементов (Z = 100, А=250).

Наиболее точные значения масс А. могут быть определены методами масс-спектроскопии. Масса А. не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше - на дефект массы AM = W/c², где W - энергия образования А. из ядра и электронов, а с - скорость света. Эта поправка - порядка массы одного электрона т_e для тяжёлых А., а для лёгких А. пренебрежимо мала (порядка 10^-4 массы электрона).

Э н е р г и я а т о м а и е ё к в а н т о в а н и е. Благодаря малым размерам и большой массе ядра его можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс А. (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс А. мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно А. можно рассматривать как систему, в к-рой N электронов с зарядами -е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в А. происходит в ограниченном объёме - оно является связанным. Полная внутренняя энергия А. Е равна сумме кинетич. энергий всех электронов Т и потенциальной энергии U - энергии притяжения их ядром и отталкивания их друг от друга (э л е к т ро с т а т и ч е с к о й э н е р г и и взаимодействия электрич. зарядов ядра и электронов, согласно закону Кулона).

В простейшем случае А. водорода один электрон с зарядом -е движется вокруг неподвижного центра с зарядом +е. В этом случае, согласно классич. механике, кинетич. энергия

Т = ¹ /₂ mv² = р²/2т, (1) где т - масса, v - скорость, p=mv - количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии притяжения электрона ядром) U = U(r)=-e²/r (2) и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция U(r) изображается кривой (рис. 1, я), неограниченно убывающей при уменьшении r, т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U (r) на бесконечности принято за нуль. При отрицат. значениях полной энергии E=Т+U< 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r = r_max, при к-рых Т=0, Е = и(r_тax). При положит. значениях полной энергии Е=T+U> 0 движение электрона является свободным - он может уйти на бесконечность с энергией E=T = ¹/₂ mv², что соответствует ионизованному А. водорода Н⁺. Нейтральный А. водорода Н представляет, т. о., систему, состоящую из ядра и электрона в связанном состоянии с энергией Е< 0.