На протяжении всего существования цивилизации человечество делало попытки систематизировать знания о строении материи. Аристотель считал, что каждое тело в своей основе имеет четыре стихии: Воду, Огонь, Воздух и Землю. Свойства тел зависят от количества соотношение этих стихий в каждом из них. Этот взгляд на строение материи просуществовал практически без изменений до времен средневековых алхимиков. А подробные ответы на все вопросы человеческой ство не получило и сейчас.

Однако за последние сто лет ученым удалось сформировать-лю-вать несколько теорий строения атома, которые, возможно, не далеки от истины. Уже в далеком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от ее «сущности». Некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее. К концу XIX века в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 г., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить еще одна составная часть, уравновешивала сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения? — Частиц в газах и других веществах.

Первым современную атомистической теории выдвинул Джон Дальтон. Он допустил, что каждый химический элемент состоит из атомов, одинаковых по размерам и массе. В 1895 году Вильгельм Рентген открыл х-лучи (получил за это открытие Нобелевскую премию), которым затем было дано название рентгеновского излучения. А в следующем году Антуан Анри Беккерель показал, что соль урана самовольно излучает незаметное излучения. Это явление получило название радиоактивность. Эти и другие исследования подготовили почву для открытия субатомных частиц.

1. Опыты Резерфорда.

1.1. Открытие субатомных частиц.

Электрон был первой субатомной частицей, открытой. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон и определил его удельный заряд и относительную массу.

Заряд: е = 1,602 10-19 Кл., mе = 9,110 10-28г.

После открытия электрона Томсон предложил модель атома в которой электроны находятся внутри атома. Эта модель получила название «сливовый Периг» и была очень далека от реального положения вещей. Она отражала только количественный состав атома, но не положение электронов и ядра в атоме.

Протон был вторым в очереди открытых частиц.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

В 1899г. Эрнест Резерфорд открыл радиоактивное — и-излучения.

Е. Резерфорд родился в Новой Зеландии 1871. в двадцать семь лет стал профессором физики в Университете Мак-Гилла в Монреале. В 1907г. Резерфорд переехал в Англию. В 1908 им получена Нобелевская премия за исследования радиоактивности. В 1914 по английскому обычаю был посвящен в рыцари, а в 1931 г. получил звание пэра. Умер в 1937 г. Резерфорд, несомненно, является одним из величайших ученых ХХ.

В 1910 г. ученики Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден провели эксперимент, который позволил объяснить существование ядра в атоме. Они бомбардировали тонкие листья золотой фольги-частицами. После этого опыта Резерфорд предсказал существование и природу протона.

Нейтрон. Экспериментально был открыт в 1932 году Дж. Чедвиком, но его существование было предсказано Резерфордом, еще в 1920 г. Нейтрон не имеет заряда, чем и обязан своим названием.

После открытия субатомных частиц Резерфорд предложил свою модель строения атома ..

1.2. Модель атома Резерфорда.

При изучении б-частиц Резерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание б-частиц не может давать больших углов отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.

7 марта 1911 Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад «Рассеяние бы и в-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве бы и в-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, получают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала «. Бомбардировка золотой фольги б-частицами проводили на таком устройстве.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, Резерфорд положил равным ± Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. «Точное значение заряда центрального ядра не было определено, — писал Резерфорд, — но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда». Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, что начали проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре, как устойчивую часть атома, несущей в себе почти всю массу атома и положительным зарядом (Резерфорд считал

знак заряда неопределенным). При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Бор писал: «С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом … »

Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильса Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.

Бор (Bohr) Нильс Хенрик Давид (1885-1962)

Линейные спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными газами или парами. Каждому элементу соответствует свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железа до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры.

После знакомства с Резерфордом Бор, отказавшись от изучения электронной модели, начал работу в его группе. Обратившись к планетарной модели, Бор создал на ее основе теорию атома Резерфорда-Бора. Резерфорд понял революционный характер идей Бора и обсудил с ним основы этой теории, высказал критические замечания, после чего статьи Бора были опубликованы.

Во время Первой Мировой войны Бор продолжает работать в лаборатории Резерфорда. В 1915 году он опубликовал работы «О серийном спектре водорода» и «О квантовой теории излучения в структуре атома». В 1916 году была опубликована статья Зоммерфельда, где он рассмотрел движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщил правила квантования Бора. Бор с восторгом отозвался об этой статье. Теория атома после открытий Зоммерфельда стала называться теорией Бора — Зоммерфельда.

В 1936 году Бор выступил со статьей «Захват нейтрона и строение ядра», в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Удивительно, но ни Бор, ни другие не могли сразу предсказать деление ядра, подсказывается капельной моделью, пока в начале 1939 г. не был открыт деление урана.

2. Модель атома Бора

2.1. Планетарная модель атома.

Самый атом водорода состоит из положительно заряженного ядра с зарядом + е (протона) и находится на какой-то орбите отрицательно заряженного электрона-е (здесь е — абсолютная величина элементарного заряда, равная 1,6 · 10-19 Кл). Будем считать, что протон покоится, а электрон массой m совершает движение по круговой орбите радиусом r.

Согласно теореме ВИРИАЛ

Таким образом, полная энергия электрона на орбите в атоме водорода равна половине потенциальной энергии:

Подчеркнем, что потенциальная энергия электрона отрицательна, что соответствует притяжению. Полная энергия также отрицательна, что соответствует связанному состоянию электрона. Чем меньше радиус орбиты электрона, тем больше по абсолютной величине полная энергия электрона.

Более сложные атомы химических элементов состоят из положительно заряженных ядер, причем заряд Z соответствует номеру элемента в периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Вокруг ядра по орбитам вращаются Z электронов, так что в целом любой атом в нормальном состоянии электрически нейтрален.

Описанная планетарная модель атома совершенно неприемлема с точки зрения законов классической физики. Дело в том, что, как следует из законов электродинамики Максвелла, любой иза ряд, ускоренно движется излучает электромагнитные волны. Поэтому электрон, двигаясь с центробежным ускорением v2 /r по орбите, постепенно должен терять энергию и прежде упасть на ядро. Можно подсчитать время жизни атома водорода до момента падения электрона на ядро. Оказывается, что атом просуществовал бы всего около 10-10 с.

2.2. Модель Бора.

.

Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена колебаниями электронов, происходящих внутри атомов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать излучения электромагнитных волн. Поэтому можно предположить электрон возвращается излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в результате чего нарушается равновесие между ним и ядром, для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им. Наконец, исчерпав всю энергию, электрон должен «упасть» на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, «падение» электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении

линий спектра, ни само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Н. Бор предложил теоретическое объяснение модели атома Резерфорда, основанное на отказе от ряда классических представлений, прежде всего, на отказе от утверждения о непрерывности классических величин типа энергии и момента импульса. Этим Бор заложил основы квантовой теории. В дальнейшем во многом непоследовательна модель Бора была заменена строгими законами квантовой механики

2.3. Основные положения квантовой механики

В предложенной Бором теории строения атома ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями — квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Размер кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами.

Планк (Planck) Макс

(1858-1947)

Все элементы поглощают или выпускают излучения с фиксированными длинами волн. Бор установил соответствие между линиями атомного спектра и энергиями электронов в атомах. Значение энергий Бор назвал квантовыми уровнями. Согласно этой теории электрон может перескакивать с одного Е-уровня на второй, излучая или поглощая квант энергии.

Е = Е2-Е1

Е = h

— отвечает линия спектра

2.4. Постулаты Бора

Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов.

Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенным условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит.

Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми происходит переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон,до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон.

Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1:2:3 … n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равна 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и возможность применить постулаты Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связано с некоторыми проблемами из-за ее новизны.

Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное число электронов, заполняющих или насыщают его. Электроны того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя:

N = 2n n

где n-номер слоя. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем — восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы присоединили электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов называются ионами. Многие ионов в свою очередь могут или терять или присоединять электроны, превращая при этом или в электронейтральны атомы, или в новые ионы с другим зарядом.

3. Строение атома

Сусне теория строения атомов базируется на модели Бора и опытах Резерфорда, но только современные методы исследований позволяют объяснить строение атома более подробно.

3.1. Орбитали

Рассмотрим пространственное расположение электронов в атоме. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, положение и скорость электрона не поддаются одновременном определению с определенной точностью. Однако, несмотря на невозможность точного определения положения электрона, можно указать вероятность нахождения электрона в определенном положении в любой момент времени. Часть пространства, в которой очень высока вероятность нахождения электрона, называется орбиталью.

3.2.Квантови числа.

Внимательное рассмотрение атомных спектров показывает, что линии, обусловленные переходом между квантовыми энергетическими уровнями, на самом деле расщеплены на более тонкие, то есть на подоболочки, каждая со своим энергетическим уровнем. Эти электронные подоболочки получили название по виду соответствующих линий в атомном спектре:

s-подоболочки названа по «резкой» (sharp) s-линией

р-подоболочки — по «главной» (principal) р-линией

d-подоболочки — за «диффузной» (diffuse) d-линией

f-подоболочки — за «фундаментальной» (fundamental) f-линией

s-подоболочки состоит из одной s-орбитали.

Р-подоболочки состоит из трех р-орбиталей

d-подоболочки состоит из пяти d-орбиталей

f-подоболочки состоит из семи f-орбиталей

Наличие у электрона особого свойства — спина, также обуславливает расщепление спектра. Таким образом, энергетический уровень электрона в атоме определяется четырьмя характеристиками: оболочкой подоболочки, орбиталью и спином. Каждой из этих характеристик соответствует определенное квантовое число.

Каждый электрон имеет свой индивидуальный набор квантовых чисел, которым он отличается от других электронов данного атома.

Электронная конфигурация элемента — это запись распределения электронов в его атомах по оболочках, подоболочки и орбиталях. Для определения конкретной электронной конфигурации элемента в стационарном состоянии есть три правила:

Принцип заполнения. Электроны в стационарном состоянии атома заполняют орбитали в соответствии повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.

Например:
Водород 1H 1s1

Принцип запрета Паули. На любой орбитали може находиться не более двух электронов и только в том случае, если в них ризнонапрямлени спины.

Например:
1s 2s
Литий 3Li 1s2 2s1

Правило Гунда. Заполнение орбиталей одной подоболочки начинается по одному электрону с параллельными спинами, и только после того, как неспаренных электрона займут все орбитали, может проходить заполнения орбиталей парами электронов с противоположными спинами.

Например:
1s 2s 2p
Азот 7N 1s22s22p3

3.3. Современные представления о строении ядра

1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

2. Зарядом ядра называется величина Zе, где е — величина заряда протона, Z — порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z = 1 до Z = 107. Для всех ядер, кроме и некоторых других нейтронодефицитних ядер N и, где N — число нейтронов в ядре. Для легких ядер N /Z »1, для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, N /Z» 1,6.

3. Число нуклонов в ядре A = N + Z называется массовым числом. Нуклон (протона и нейтрона) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение А.

Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро химического элемента сказывается X, где Х — символ химического элемента.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.

4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеет условный смысл из-за размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра м, может быть объяснена как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

Плотность ядерного вещества составляет 1017 кг/м3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотность обычных веществ.

5. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

Заключение

1. Уподобление атома планетной системе делалось еще в начале XX века. Но эту модель было трудно совместить с моделями электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако сделанные в 1900-х годах исследования привели к подтверждению планетарной модели.

2. Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбит вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им отделиться. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения? — Частиц, если известно, что размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома.

3. Теория Бора оказала огромный вклад в развитие современного представления о строении атома, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма излучения, а с другой — к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

… В далеком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от ее «сущности». Благодаря великим ученым прошлого века, мы приближаемся к истинному пониманию строения материи, но из чего в действительности она состоит полностью еще неизвестно никому.