وقتی صحبت از اندازه اتم‌ها می‌شود، اصطلاح "شعاع اتمی" به کار می‌رود. اما نکته اینجاست که یک تعریف واحد و مشخص برای این کمیت وجود ندارد! شعاع اتمی می‌تواند به انواع مختلفی مانند شعاع یونی، شعاع کووالانسی، شعاع فلزی یا شعاع واندروالسی اشاره داشته باشد. هر کدام از این شعاع‌ها، جنبه خاصی از اندازه اتم را در شرایط متفاوت بررسی می‌کنند.

روند تغییرات شعاع اتمی در جدول تناوبی

صرف نظر از اینکه از کدام تعریف برای شعاع اتمی استفاده می‌کنیم، اندازه اتم به این بستگی دارد که الکترون‌های آن تا چه فاصله‌ای از هسته گسترش یافته‌اند. در جدول تناوبی، به طور کلی با حرکت به سمت پایین در یک گروه (ستون)، شعاع اتمی افزایش می‌یابد. دلیل این امر این است که با پایین رفتن، لایه‌های الکترونی بیشتری به اتم اضافه می‌شود و الکترون‌ها در فاصله‌ دورتری از هسته قرار می‌گیرند.

از طرفی، با حرکت از چپ به راست در یک دوره (ردیف)، الکترون‌ها به هسته نزدیک‌تر می‌شوند و جاذبه هسته بر آنها افزایش می‌یابد. به همین دلیل، با اینکه تعداد الکترون‌ها (و عدد اتمی) افزایش می‌یابد، شعاع اتمی ممکن است کاهش پیدا کند. به طور خلاصه، بزرگ‌ترین اتم‌ها معمولاً در پایین و سمت چپ جدول تناوبی قرار دارند.

مقایسه شعاع اتمی و شعاع یونی

برای اتم‌های عناصر خنثی (مانند آرگون، کریپتون و نئون) شعاع اتمی و یونی یکسان است. اما بسیاری از اتم‌ها در حالت یونی پایدارتر هستند. اگر اتم یک یا چند الکترون از دست بدهد، به یک کاتیون (یون با بار مثبت) تبدیل می‌شود. برای مثال، یون‌های +K و +Na کاتیون هستند. گاهی اتم‌ها چند الکترون از دست می‌دهند، مانند ++Ca. از دست دادن الکترون‌ها ممکن است باعث شود اتم لایه الکترونی بیرونی خود را از دست بدهد و در نتیجه، شعاع یونی آن از شعاع اتمی کمتر شود.

در مقابل، برخی از اتم‌ها با گرفتن یک یا چند الکترون، به آنیون (یون با بار منفی) تبدیل می‌شوند و پایدارتر می‌شوند. نمونه‌هایی از این آنیون‌ها، -Cl و -F هستند. از آنجایی که گرفتن الکترون باعث اضافه شدن لایه الکترونی جدید نمی‌شود، تفاوت اندازه بین شعاع اتمی و یونی در آنیون‌ها به اندازه کاتیون‌ها نیست. شعاع یونی آنیون‌ها معمولاً برابر یا کمی بزرگتر از شعاع اتمی آنها است.

به طور کلی، روند تغییرات شعاع یونی مشابه روند تغییرات شعاع اتمی است: با حرکت به سمت پایین در جدول تناوبی، کاهش می‌یابد و با حرکت از چپ به راست، افزایش می‌یابد. با این حال، اندازه‌گیری شعاع یونی دشوارتر است، به خصوص به این دلیل که یون‌های هم‌نام یکدیگر را دفع می‌کنند.

روش‌های اندازه‌گیری شعاع اتمی

اندازه‌گیری مستقیم اندازه اتم‌ها با میکروسکوپ معمولی امکان‌پذیر نیست (اگرچه با میکروسکوپ نیروی اتمی می‌توان "تا حدی" این کار را انجام داد). علاوه بر این، اتم‌ها ثابت نیستند و دائماً در حال حرکت‌اند. بنابراین، هر اندازه‌گیری از شعاع اتمی (یا یونی) یک تخمین است که حاشیه خطای زیادی دارد.

شعاع اتمی معمولاً بر اساس فاصله بین هسته‌های دو اتمی که به سختی با هم در تماس هستند، اندازه‌گیری می‌شود. این بدان معناست که لایه‌های الکترونی دو اتم فقط یکدیگر را لمس می‌کنند. قطر بین این دو اتم بر دو تقسیم می‌شود تا شعاع اتمی به دست آید. نکته مهم این است که این دو اتم نباید پیوند شیمیایی داشته باشند (مانند O2 یا H2)، زیرا پیوند نشان‌دهنده همپوشانی لایه‌های الکترونی یا اشتراک یک لایه بیرونی است.

شعاع‌های اتمی ذکر شده در منابع علمی معمولاً داده‌های تجربی هستند که از بلورها به دست آمده‌اند. برای عناصر جدیدتر، شعاع‌های اتمی مقادیر تئوری یا محاسبه شده بر اساس اندازه احتمالی لایه‌های الکترونی هستند.

اتم‌ها چقدر بزرگ هستند؟

برای درک بهتر اندازه اتم‌ها، بد نیست بدانید که یک پیکومتر برابر با یک تریلیونم متر است!

• شعاع اتم هیدروژن حدود 53 پیکومتر است.
• شعاع اتم آهن حدود 156 پیکومتر است.
• بزرگترین اتمی که تا کنون اندازه‌گیری شده، سزیم است که شعاعی در حدود 298 پیکومتر دارد.