I строение атома – Лекция № 3 “Строение атома и периодическая система химических элементов” – Лекции по химии – Студентам – Каталог файлов

I. Строение атома

Тема лекций №№ 13,14: Строение вещества.

I. Строение атома.

Вопросы:

1. Доквантовые модели атома (Томсона, Резерфорда, Бора).

2. Современные теории строения атома:

- протонно-нейтронная,

- квантово-механическая.

3. Радиоактивность: понятие, виды, характеристики.

4. Закономерности заполнения электронных орбиталей атомов.

Электронные схема, формулы.

Самостятельная работа:

1. Первые (до Томсона) модели атома.

2. Спектры испусканния электронов в полупроводниках, светодиоды.

3. Радиоактивность: понятие, виды, характеристики.

1. Доквантовые модели атома (Томсона, Резерфорда, Бора).

2. Протонно-нейтронная теория строения атома.

N(+11p) = Nпорядковый(хим. элемента)

m(+11p) +

m(01n) = m (атома), N(+11p) + N(01n) = Ar(атома)

Таблица 1. Характеристики основных элементарных частиц атома

Элементарная ч-ца Абс.масса, кг Отн. масса, а.е.м. Электр.заряд, Кл Отн.заряд

Протон (+11Р) 1,673. 10-27 1,0073 + 1,602.10-19 +1

Нейтрон ( 01n) 1,675.10-27 1,0087 0 0

Электрон (е-) 9,109.10-31 0,00055 - 1,602

.10-19 -1

2. Квантово-механическая теория строения атома.

2.1. Три основополагающие идеи (положения) квантовой механики:

1. Квантование энергии электронов в атоме – принцип дискретности физических величин в микромире (микроявлений и микрообъектов), т.е. физические величины могут изменяться не непрерывно, а скачкообразно, принимая только определенные – дискретные значения.

О таких величинах говорят, что они квантуются.

Макс Планк (нем. физик,1900 г.):

тепловое излучение (абсолютно черного тела) состоит из дискретных порций – квантов энергии.

Значение одного кванта энергии E = = Eион + Eкин = Eион + mv2/ 2.

h (постоянная Планка)мера дискретности, которая как бы определяет границу между микро- и макромирами. Это одна из фундаментальнейших постоянных природы. Она входит во все квантово-механические соотношения (h = 6,626 .10 -34 Дж .с); ν = с/λ .

2. Двойственная природа (корпускулярно–волновой дуализм) электрона.

Луи де Бройль, фр. физик – квантовый механик, 1924 г.:

при своем движении электрон (е-), как и др. частицы микромира (микрочастицы), обладает корпускулярно–волновой двойственностью, т.е.

одновременно является и дискретной (отдельной) материальной частицей с массой покоя (m), зарядом (z), размерами, и волной, имея все ее свойства (дифракция, интерференция и др.).

Этот постулат выражается уравнением волны де Бройля

: λ = h/ mv,

т.е.: частице, имеющей массу m и движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной λ.

Постоянная Планка h связывает воедино корпускулярный и волновой характер движения материи.

В одних условиях на первый план выступают волновые свойства объектов, в других – корпускулярные, в третьих – те и другие одновременно. Свободный или связанный электрон нельзя назвать строго ни волной ни частицей. Электрон – это частица, если речь идет о дискретности, но это и волна, если обсуждается характер его движения.

Из уравнения де Бройля следует: чем меньше масса материальной частицы и больше ее скорость, тем характернее для нее волновые свойства.

Создать наглядную модель микрообъекта принципиально невозможно!

3. Принцип неопределенности Гейзенберга

(1927 г.):

(Вернер Гейзенберг, нем. физик - квантовый механик):

Для электрона, как для любой микрочастицы-волны, в принципе невозможно одновременно с одинаковой точностью измерить координату (местонахождение) и скорость движения (или импульс) - в любой момент времени.

Математическим выражением этого принципа является соотношение:

x = m .v > h / 2π,

где x – неопределенность (погрешность измере-ния) положения электрона (любой микрочасти-цы) по оси ОХ,

v – неопределенность в измерении его скорос-ти (или импульса ∆р = m .v).

Чем меньше значение x, т.е. чем точнее определяем положение микрообъекта (в частности, электрона), тем больше неопределенность (ошибка) в определении значения его скорости или импульса, и наоборот.

studfiles.net

План лекц. - Строение вещества. I. Строение атома


Тема лекций №№ 13,14: Строение вещества.

I. Строение атома.

Вопросы:

1. Доквантовые модели атома (Томсона, Резерфорда, Бора).

2. Современные теории строения атома:

- протонно-нейтронная,

- квантово-механическая.

3. Радиоактивность: понятие, виды, характеристики.

4. Закономерности заполнения электронных орбиталей атомов.

Электронные схема, формулы.
Самостятельная работа:

1. Первые (до Томсона) модели атома.

2. Спектры испусканния электронов в полупроводниках, светодиоды.

3. Радиоактивность: понятие, виды, характеристики.

I. Строение атома
1. Доквантовые модели атома (Томсона, Резерфорда, Бора).

2. Протонно-нейтронная теория строения атома

.
N(+11p) = Nпорядковый(хим. элемента)

m(+11p) + m(01n) = m (атома), N(+11p) + N(01n) = Ar(атома)
Таблица 1. Характеристики основных элементарных частиц атома
Элементарная ч-ца Абс.масса, кг Отн. масса, а.е.м. Электр.заряд, Кл Отн.заряд

Протон (+11Р) 1,673. 10-27 1,0073 + 1,602.10-19 +1

Нейтрон ( 01n) 1,675.10-27 1,00870 0

Электрон (е-) 9,109.10-31 0,00055 - 1,602.10-19 -1

2. Квантово-механическаятеория строения атома.

2.1. Три основополагающие идеи (положения) квантовой механики:

1. Квантование энергии электронов в атоме – принцип дискретности физических величин в микромире (микроявлений и микрообъектов), т.е. физические величины могут изменяться не непрерывно, а скачкообразно, принимая только определенные – дискретные значения.

О таких величинах говорят, что они квантуются.

Макс Планк (нем. физик,1900 г.):

тепловое излучение (абсолютно черного тела) состоит из дискретных порций – квантов энергии.

Значение одного кванта энергии E = = Eион + Eкин = Eион + mv2/ 2.

h (постоянная Планка)мера дискретности, которая как бы определяет границу между микро- и макромирами. Это одна из фундаментальнейших постоянных природы. Она входит во все квантово-механические соотношения (h = 6,626 .10 -34 Дж .с); ν = с/λ .
2. Двойственная природа (корпускулярно–волновой дуализм) электрона.

Луи де Бройль, фр. физик – квантовый механик, 1924 г.:

при своем движении электрон (

е-), как и др. частицы микромира (микрочастицы), обладает корпускулярно–волновойдвойственностью, т.е.

одновременно является и дискретной (отдельной) материальной частицей с массой покоя (m), зарядом (z), размерами, и волной, имея все ее свойства (дифракция, интерференция и др.).

Этот постулат выражается уравнением волны де Бройля: λ = h/ mv,

т.е.: частице, имеющей массу m и движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной λ.

Постоянная Планка h связывает воедино корпускулярный и волновой характер движения материи.

В одних условиях на первый план выступают волновые свойства объектов, в других – корпускулярные, в третьих – те и другие одновременно. Свободный или связанный электрон нельзя назвать строго ни волной ни частицей. Электрон – это частица, если речь идет о дискретности, но это и волна, если обсуждается

характер его движения.

Из уравнения де Бройля следует: чем меньше масса материальной частицы и больше ее скорость, тем характернее для нее волновые свойства.

Создать наглядную модель микрообъекта принципиально невозможно!
3. Принцип неопределенности Гейзенберга

(1927 г.):

(Вернер Гейзенберг, нем. физик - квантовый механик):

Для электрона, как для любой микрочастицы-волны, в принципе невозможно одновременно с одинаковой точностью измерить координату (местонахождение) и скорость движения (или импульс) - в любой момент времени.

Математическим выражением этого принципа является соотношение:

x = m .v > h / 2π,

где x– неопределенность (погрешность измере-ния) положения электрона (любой микрочасти-цы) по оси ОХ,

v– неопределенность в измерении его скорос-ти (или импульса ∆р = m.v).

Чем меньше значение x, т.е. чем точнее определяем положение микрообъекта (в частности, электрона), тем больше неопределенность (ошибка) в определении значения его скорости или импульса, и наоборот.
2.2. Основные особенности квантового состояния электрона и электронной структуры атомов.
Движение (состояние) электрона в поле ядер атомов описывают с помощью волн де Бройля, которые в трехмерной, пространственной, системе координат математически отображаются волновой функцией Ψ(x, y, z). Волновые функции Ψ(x, y, z), «пси-функции», функции пространственных координат электронаэто разрешенные квантовые состояния электронов, определяющие энергетические уровни в атомеи области наиболее вероятного нахождения электронов в трехмерном пространстве вокруг атомного ядра.

Иначе (образно) волновую функцию Ψ(x, y, z) можно представитькак амплитуду 3-х-мерной электронной волны, точнее – амплитуды колебания вероятного присутствия электрона в данной области пространства. Другими словами, колеблется не сам электрон, а вероятность его обнаружения в данной области атомного пространства.

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер – этоодин из постулатов квантовой механики, квантовой химии.

Наиболее вероятное квантовое состояние электрона – область околоядерного пространства, в котором электрон может находиться в разные моменты времени с максимальной вероятностью (до 98%), называют атомной электронной орбиталью(АО) или «электронным облаком» -

совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Математически АО представляют

как Ψ 2(x, y, z).V, т.е. как произведение квадрата волновой функции Ψ 2(x, y, z) – плотности вероятности - на элементарный объем атомного пространства V.

Волновое уравнение Шредингера (1926 г.):

Эрвин Шредингер, австр. физик, предложил уравнение, связывающее энергию одноэлектронного атома водорода с его пространственными координатами (x, y, z) и волновой функцией Ψ(x, y, z),соответствующейамплитуде трехмерного волнового процесса:

[δ2 Ψ(x)/ δx+δ2Ψ(Y)/δY2 +δ2Ψ(Z)/δZ2] =

= -4 πm/ h [(EполнEпотенц) Ψ(x, y, z)].

Уравнение Шредингера строго не выводится (скорее постулируется, исходя из уравнения двумерной волны де Бройля). Тем не менее оно описывает реальное поведение (состояние) электрона в атоме и позволяет с большой точностью рассчитывать вероятность нахождения электрона в данный момент времени в любой точке пространства, занимаемого атомом.
Квантовые числа

Решения (корни) уравнения Шредингера содержат постоянные n, l, ml , которые назвали квантовыми числами. Это квантовые дискретные характеристики волновой функции Ψ(x, y, z), описывающие силовое поле околоядерного пространства, в котором может находиться электрон, т. е. его энергетические уровни, подуровни и атомные орбитали.

Любое устойчивое состояние электрона в атоме характеризуют определенными значениями 4-х квантовых чисел: n(главное), l(орбитальное), ml(магнитное),ms(спиновое).

Каждой АО, т.е. наиболее вероятному квантовому состоянию электрона, соответствует свой набор указанных квантовых чисел.

Главное квантовое число nопределяет:

а) уровень электронной энергии атомной орбитали и атома, если этот уровень является внешним, наиболее удаленным от ядра;

б) номер (расстояние от ядра) данного квантового (энергетического) уровня и атомной орбитали. Квантовое числоnпринимает значения целых чисел, начиная с единицы:n = 1,2,3,…,∞;

в) максимально возможное число электронов N(е) на энергетическом уровне:N(е) = 2n2.В атоме на уровне n = 1, например. может быть не более двух электронов,на уровне n = 2 восьми, наn = 3 восемнадцати электронов и т.д.

Орбитальное квантовое число lпринимает значения целых чисел от 0до (n – 1), характеризуя:

а) энергию электронов на подуровне, при этом число n здесь соответствует номеру квантового уровня, на котором впервыепоявляется этот подуровень;

б) форму электронной орбитали, АО:

sАО (l = 0) имеет форму сферы,

р-АО(l = 1) – форму объемной восьмерки (гантели);

d-АО (l = 2) имеет форму четырех объемных лепестков (двух гантелей); f-AO (l = 3) – еще более сложную форму (8 гантелей и других).

Магнитное квантовое числоml характеризует магнитный момент электрона при движении по АО и пространственную ориентацию АО, принимая значения: ml= 0, ±1, ±2,…, ±l.

Для каждого значения l, таким образом, разрешено (2l +1) значений ml.

Все орбитали одного подуровня (n, l = const) имеют одинаковую энергию (энергетически вырождены), но по-разному ориентированы в пространстве магнитного поля ядра относительно друг друга.
(рис. Электронные облака)
Спиновое квантовое число ms электрона имеет два значения, ±1/2, характеризуя собственный магнитный момент количества движения электрона вокруг ядра атома при одновременном вращении вокруг своей оси в двух взаимно противоположных направлениях.

Атомные орбитали, для которых значения l= 0, 1, 2, 3, называют соответственно s-, p-, d-, f-АО. Так же называют и энергетические подуровни:

s-, p-, d-, f- подуровни, включающие 1, 3, 5 и 7 соответствующих АО, и химические элементы, образующие s-, p-, d-, f- электронные семейства, в атомах которых валентные электроны заполняют соответствующие подуровни.

Например, квантовому состоянию электрона 3s2 (второй электрон на 3s –АО)отвечает набор квантовых чисел: n = 3, l = 0, ml= 0, ms= - ½.

Заполнение энергетических уровней, подуровней и атомных орбиталей подчиняется четырем основным правилам и принципам:
1. Принцип Паули:

в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковым набором 4-х квантовых чисел.

Из этого следует, что каждая АОможет быть занята не более чем двумя электронамис разными по знаку спиновыми квантовыми числами ms, равными+ ½. Такие два электрона называют спареннымиилиантипараллельными

(с антипараллельными спинами).
2. Принцип минимальной энергии:

устойчивому (невозбужденному) состоянию атома отвечает такое расположение электронов по АО, при котором энергия атома минимальна; АО заполняются в порядке последовательного возрастания их энергий, начиная с первого энергетического (квантового) уровня, n = 1.

3. Правило Клечковского

(иначе - «минимального (n + l) –

определяет порядок заполнения электронами АО многоэлектронного атома:

заполнение энергетических уровней и подуровней многоэлектронного атома, находящегося в основном (невозбужденном) состоянии, происходит в порядке увеличения суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равных значениях (n + l) – в порядке возрастания n.

Не забываем при этом, что каждому типу подуровня всегда соответствует единственное значение орбитального квантового числа l:

ls-АО = 0, lр-АО = 1, ld-АО = 2, lf-АО = 3.

Исключения из правила Клечковского - так называемые «провалы электронов»с ns- на (n-1) d-АО -

у атомов d-металлов: Cr, Cu, Ag, Au, Mo, Ru, Rh, Pd, Pt - связаны с повышенной устойчивостью атомов в таких состояниях их валентных электронов, когда они заполняют d-подуровень либо наполовину (5 неспаренных электроновс параллельными спинами), либо полностью (10 электронов, т.е. 5 пар электронов с антипараллельными спинами). В свободном атоме d-АО являются большими по размерам и размытыми в пространстве. Когда они заселены электронами наполовину или полностью, то размеры их меньше, орбитали сжаты в пространстве и, как показывают квантово-механические расчеты, их энергия меньше и, значит, выше устойчивость.

4. Правило Гунда («максимального спина»,

которому подчиняется размещение электронов на АО энергетического подуровня:

topuch.ru

Строение атомов | Русские химики

В брошюре «Основные понятия химии» гениальный творец теории химического строения вещества Бутлеров писал о сложной структуре атомов и указывал, что они могут быть разделены искусственным путем.

Менделеев также указывал: «Легко предположить (но ныне нет еще возможности показать...), что атомы простых тел суть сложные существа, образованные сложением некоторых, еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами... и выставленная мною периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие».

Бутлеров и Менделеев, однако, не первыми высказали смелые взгляды о сложном строении атома. Они имели предшественников, среди которых был русский ученый-естествоиспытатель профессор Московского университета Михаил Григорьевич Павлов.


Атом и молекула.

Павлов был одним из образованнейших людей своего времени. В университете он преподавал физику, технологию, лесоводство и сельское хозяйство. О его взглядах на строение атома было известно из сохранившейся программы курса физики, которую читал ученый в университете.

В 1934 году советскими исследователями в одном из архивов была найдена тетрадь с надписью: «Записки профессора М. Г. Павлова». В тетради излагалась записанная им в 1819 году гипотеза строения атомов.

Павлов писал: «Движение доминирует в природе, абсолютного покоя нет. Ежели к сим произведениям подойти, так сказать, ближе, если будем проникать глубже сию совокупность видимого, то не можем не заметить, что сие нечто содержимое, издали кажущееся покойным, все же находится в движении». Дальше следует утверждение о том, что «природа света электрическая».

Высказывая распространенное среди ученых в 20—30-х годах XIX века мнение о том, что строение атомов связано с электрическим зарядом, Павлов выдвинул гипотезу о планетарном строении атомов. И, развивая эту мысль, он вписал в тетрадь такую формулу: «первый элемент построен из плюс и минус заряда».

Интересная гипотеза Павлова о сложном строении атома, на много десятилетий опередившая науку того времени, осталась незамеченной в среде естествоиспытателей.


Превращение элементов.


Модели атомов.

Прошло почти семьдесят лет с тех пор, как М. Г. Павлов набросал в тетради свои мысли о сложном строении атома, излагавшиеся им в университетских лекциях. И вот 4 февраля 1888 года петербургские ученые собрались на очередное заседание Русского физико-химического общества. Д. И. Менделеев докладывал об интересном теоретическом труде профессора-правоведа Бориса Николаевича Чичерина (1793— 1840).

Прочитав сначала письмо Чичерина, Дмитрий Иванович объяснил затем собравшимся суть его работы, озаглавленной «Системы химических элементов».

Чичерин на основе математического анализа, связанного с изучением периодической системы химических элементов, вывел предположение, что атом представляет собою сложную систему движущихся и взаимодействующих, каких-то более мелких, чем сам атом, частиц, что от количества этих частиц и от характера их связи в атоме зависят свойства атомов и их различие. Так ученые познакомились с первыми естественнонаучными изысканиями Чичерина, который, следует заметить, в политических вопросах придерживался самых реакционных взглядов.

В конце 80-х годов в журнале Русского физико-химического общества появились его статьи, в которых были изложены взгляды исследователя на строение атома. В те годы еще не был открыт электрон, не была известна радиоактивность, а атомы представлялись неделимыми частицами.

Атом, получивший некогда название от греческого слова «атомос» — неделимый, рисовался теперь состоящим из более мелких частичек.

«Атом есть микрокосм, вселенная в малом виде, — утверждал Чичерин. — Каждый атом представляет собою подобие солнечной системы с центральной массой и сгруппировавшимися около нее телами». Центральная масса (ядро, по современной терминологии) — носитель положительного заряда, а вращающаяся вокруг нее «окружность» заряжена отрицательно.

«Для атомов, — пишет Чичерин, — мы должны принять два противоположных электричества — центральное и периферическое. Первое связано с состоянием напряжения, второе — с состоянием движения».

Чичерин указал, что чем дальше расположен элемент в таблице Менделеева, тем больше у него слоев, по которым обращаются вокруг ядра внешние частицы атома. Так, например, литий, пишет Чичерин, «состоит из центрального элемента и слагающейся из трех элементов окружности». Если сейчас значение слов «центральный элемент» и «элементы окружности» заменить современными терминами — «атомным ядром» и «электронами», то нельзя не поразиться тому, насколько близко предсказана была Чичериным с помощью математики модель атома.

www.stroitelstvo-new.ru

Строение атомов и ионов

Излагаемые в этом параграфе сведения вам придётся принять «на веру», так как в школе сложно проделать соответствующие эксперименты. Причина – многие из них объясняются «на стыке» пока не изученных разделов физики и химии. Строение атомов – пример таких сведений. Познакомимся с ними.

Атомы состоят из малых частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг ядра есть электроны, образующие электронные оболочки. Количество электронов, как правило, равно количеству протонов в ядре. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно заряженным частицам. Нейтроны относятся к незаряженным или электронейтральным частицам (что такое электрический заряд и как определяются его знаки, мы узнаем в § 8-в).

Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим.

В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона.

Ионы очень часто встречаются в веществах, например они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для паров ртути).

     

Вы уже знаете, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами (см. § 7-е). Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В металлах в жидком или газообразном состоянии упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ по-прежнему присутствует.

Некоторые ионы могут быть образованы несколькими атомами. Например, молекулы серной кислоты h3SO4 в водном растворе распадаются на положительные ионы водорода, в каждом из которых по одному атому, и отрицательные ионы кислотного остатка, в каждом из которых по пять атомов (см. рисунок).

Символ «+» означает
один недостающий электрон.
Символ «2–» означает
два дополнительных электрона.

Образование ионов из нейтральных молекул (ионизация) может происходить по разным причинам. Одну из них, растворение, мы только что рассмотрели. Другая причина – повышение температуры. При этом увеличивается размах колебаний как молекул, так и атомов, входящих в их состав. Если температура превысит некоторое значение, то молекула распадётся, и образуются ионы. Ионизация может происходить и под действием трения, электричества, света, радиации.

questions-physics.ru

Строение атома Википедия

Сравнительный размер атома гелия и его ядра

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый[1], неразрезаемый[2]») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1][3].

Атомы состоят из ядра и электронов (точнее электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом[1]. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам[3][4].

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 классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер[5].

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

ru-wiki.ru

StudyPort.Ru - Строение атома

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. Некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского учёного 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. До конца 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.

Это послужило толчком к образованию и развитию нового раздела химии “Строение атома”. Первым указанием на сложную структуру атома - были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Заряд равняется 1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например при электронной эмиссии металлы испускают электроны; при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких “составных частей”.

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., 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 ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения a-частиц в газах и других веществах.

a- частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости a-частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути a-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность a-частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения a- частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство a-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда a-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние a-частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (Дифракционная РЕШЕТКА, оптический прибор; совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в спектральных приборах. )

Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр (примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить было невозможно. В 1912 г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.

Упорядоченное расположение атомов в кристалле и малое расстояние между ними давало повод предполагать что как раз кристаллы и подойдут на роль требуемой дифракционной решётки.

Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновских лучей почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотобумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулировано следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.

Еще до работ Мозли некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает число зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучая рассеивание a-частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомного веса. Все вместе взятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.

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

Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. 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 испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие 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 света. В конце концов, 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 и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой 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. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. 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 определенными 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 совершается 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 равняется 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 приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями 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, иметь ввиду, что 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 заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и 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 присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, 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.

Движение электронов в атомах Бор представлял как простое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Это своеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда и пошло: “Карпускулярно-вролновой дуализм”.

И так, электрон в атоме характеризуется:

  1. Главным квантовым числом n, указывающим на энергию электрона;
  2. Орбитальным квантовым числом l , указывающим на характер орбиты;
  3. Магнитным квантовым числом, характеризующим положение облаков в пространстве;
  4. И спиновым квантовым числом, характеризующим веретенообразное движение электрона вокруг своей оси.

... В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. А сейчас, в наше время, благодаря великим учёным, мы точно знаем, из чего на самом деле она состоит.

Используемая литература:

  1. Курс общеё химии (Н.В. Коровин)
  2. Курс общей химии (А.Н. Харин )
  3. Строение вещества (В.К. Васильев, А.Н. Шувалова)
  4. Физическая химия ( А.Л. Дайнэко )

studyport.ru