ActionTeaser.ru - тизерная реклама

**Развитие представлений о сложном строении атома

Первые данные о сложном строении атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости и газы. Опыты выдающегося английского ученого М. Фарадея в тридцатых годах XIX в. навели на мысль о том, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов.

Величины этих единичных зарядов электричества были опре­делены в более поздних экспериментах по пропусканию элект­рического тока через газы (опыты с так называемыми катодными лучами). Было установлено, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов.

Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элемен­тов , названное радиоактивностью (А. Беккерель, 1896). Последо­вавшее за этим установление природы а-, /?- и у-лучей, образу­ющихся при радиоактивном распаде (Э. Резерфорд, 1899 — 1903), открытие ядер атомов (Э. Резерфорд, 1909 — 1911), определение заряда электрона (Р. Милликен, 1909) позволили Э. Резерфорду в 1911 г. предложить одну из первых моделей строения атома, получившей название планетарной.

Модель Резерфорда. Суть планетарной модели можно свести к следующим утверждениям:

  1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
  2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома со­средоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
  3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно поло­жительному заряду ядра.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяс­нения многих экспериментальных данных, но она сразу обнару­жила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и в конце концов упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непреры­вно исчезают, не было, отсюда следовало, что модель Резерфорда в чем-то ошибочна.

Теория Бора. В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил свою теорию строения атома. При этом Бор не отрицал полностью предыдущие представления о строении атома: как и Резерфорд, он считал, что электроны двигаются вокруг ядра подобно плане­там, движущимся вокруг Солнца. Однако к этому времени Дж. Франк и Г. Герц (1912) доказали дискретность энергии электрона в атоме и это позволило Бору положить в основу новой теории два необычных предположения (постулата):

  1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произволь­ным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.

Радиус орбиты г и скорость электрона v связаны квантовым соотношением Бора:

mvr = nh,                                     (2.1)

где т — масса электрона, п — номер орбиты, h — постоянная Планка (й=1,05 -10″34 Дж с).

  1. При движении по стационарным орбитам электрон не излу­чает и не поглощает энергии.

Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется законам классической физики. Согласно Бору, излу­чение или поглощение энергии определяется переходом из одного состояния, например с энергией Еи в другое — с энергией Е2, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается энергия АЕ, величина которой определяется соотношением

1

Бор, используя уравнение (2.2), рассчитал частоты линий спек­тра атома водорода, которые очень хорошо согласовывались с экспериментальными значениями, но было обнаружено также и то, что для других атомов эта теория не давала удовлет­ворительных результатов.

Квантовая модель строения атома. В последующие годы неко­торые положения теории Бора были переосмыслены и допол­нены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне только как частице. Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства элёктрона и других элементарных частиц, образующих атом (табл. 2.1).

2

 

В основе современной теории строения атома лежат следу­ющие основные положения:


  1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время движущийся электрон проявляет волновые свойства, например характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона X и его скорость v связаны соотношением де Бройля:

3

  1. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математи­ческим выражением принципа неопределенности служит соотно­шение

4

 

5

где Ал: — неопределенность положения координаты; Av — погре­шность измерения скорости.

  1. Электрон в атоме не движется по определенным траек­ториям, а может находиться в любой части околоядерного про­странства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно вели­ка, называют орбиталью.
  2. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов в ядре равно порядково­му номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соот­ветствует его массовому числу.

Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чед- вик — нейтрон (см. табл. 2.1).

Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — за­ряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношениями:

Z=A — N, N=A—Z, A = Z+N.             (2.5)

Нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N называют изотопами.

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц,— квантовой меха­ники. Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз JI. де Бройль, немец В. Гейзенберг, австриец Э. Шредингер, англичанин П. Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Квантовая механика имеет сложный математический аппарат, поэтому сейчас важны лишь те следствия теории, которые помо­гут разобраться в вопросах строения атома и молекулы. С этой точки зрения, наиболее важным следствием из квантовой меха­ники является то, что вся совокупность сложных движений элект­рона в атоме описывается пятью квантовыми числами: главным W, побочным /, магнитным ть спиновым s и проекцией спина ms. Что же представляют собой квантовые числа?

Other Posts

Рубрики: Новости

Комментарии

No Комментарии

Leave a reply

Тизерная сеть GlobalTeaser