Квантово-механическая модель атома
Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряданейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).
Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).
Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.
Модели атомов
Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Дажедуша человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].
Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объясни
Атом водорода — физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a0 = 0,529 Å.
Атом водорода имеет специальное значение в квантовой механике и релятивистской квантовой механике, поскольку для него проблема двух тел имеет точное или приближенное аналитическое решения. Эти решения применимы для разных изотопов водорода, с соответствующей коррекцией
По Бору.
Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной теории простейшей атомной системы - атома водорода. Основная задача состояла в нахождении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на основе второго постулата, если располагать правилом определения стационарных значений энергии атома. Это правило Бору тоже пришлось постулировать. Бор рассматривал простейшие круговые орбиты. Полная энергия атома, согласно механике Ньютона, равна сумме потенциальной и кинетической энергий. Между скоростью электрона и радиусом его орбиты есть связь. Сопоставив данные соотношения можно найти энергию атома:
По классической механике радиус орбиты может принимать любые значения. Следовательно, любые значения может принимать и энергия. По первому постулату Бора энергия может принимать только определенные значения. Поэтому и радиусы орбит не могут быть произвольными. Правило квантования Бора устанавливает возможные радиусы орбит и соответственные значения энергии в атоме. При движении электрона по круговой орбите модуль его импульса и радиус орбиты остаются постоянными. Следовательно, постоянной будет и величина. В механике эта величина называется моментом импульса. Бор обратил внимание на то, что наименование постоянной Планка совпадает с наименованием единицы момента импульса. Будучи уверенным, что постоянная должна играть основную роль в теории атома, Бор предположил, что произведение модуля импульса на радиус орбиты кратно постоянной Планка:
где n = 1,2,3,… это и есть правило квантования. С помощью правила квантования можно получить выражение для возможных радиусов орбит:
Радиусы боровских орбит меняются
дискретно с изменением числа n. Постоянная
Планка, масса и заряд электрона определяют
возможные значения электронных орбит.
Размеры атома определяются квантовыми
законами. Теория Бора сумела объяснить
то, что не могла классическая теория.
Второй постулат Бора позволяет вычислить
по известным значениям энергий
стационарных состояний частоты излучений
атома водорода. Теория Бора приводит
к количественному согласию с экспериментом
для значений этих частот. Все частоты
излучений атома водорода составляют
ряд серий, каждая из которых образуется
при переходах атома в одно из энергетических
состояний со всех верхних энергетических
состояний. Переходы в первое возбужденное
состояние с верхних уровней образуют
серию Бальмера. Процесс, обратный
излучению - поглощение света. Атом,
поглощая свет, переходит из низших
энергетических состояний в высшие. При
этом он поглощает излучение той же
самой частоты, которую излучает, переходя
из высших энергетических состояний в
низшие.
Ответ 24
Строение Атома. Квантовые числа. Периодическая система химических элементов
Менделеева.