Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Копия Ф-Ф СТРОЕНИЕ АТОМА.doc
Скачиваний:
7
Добавлен:
24.11.2019
Размер:
120.83 Кб
Скачать

15

ЛЕКЦИЯ СТРОЕНИЕ АТОМА (ФАРМФАК)

Введение

Открытие ПЗ стало предпосылкой к созданию в XX в. теории строения атома. В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд предложил ядерную модель атома. По модели Резерфорда атом состоял из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро занимает в атоме лишь незначительную часть всего объёма, линейный размер ядра ~ 10 -12 – 10 -13 см, а линейный размер атома ~ 10 -8 см. Основная масса атома (более 99,9%) сосредоточена в ядре, плотность которого колоссальна, она равна 10 14 г/см3.

В состав ядра входят два вида частиц: протоны и нейтроны. Ядро атома имеет положительный заряд. Носителем положительного заряда ядра являются протоны. Число протонов (р) определяет величину положительного заряда ядра, что является важнейшей характеристикой атома. Заряд ядра главная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определённому химическому элементу.

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Химические свойства атома определяются почти исключительно зарядом ядра, а следовательно, числом электронов в атоме, их энергией и распределением вокруг ядра.

В электрически нейтральном атоме число электронов в электронном облаке равно числу протонов протонов. Заряд протона равен по величине и противоположен по знаку заряду электрона. Относительный заряд протона принят равным +1, а относительный заряд электрона поэтому равен -1. (положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона одинаковы по абсолютной величине и равны е = 1,60 · 10 -19 Кл).

Согласно протонно-нейтронной теории атомных ядер в состав ядер входят нейтроны. Протоны и нейтроны элементарные частицы, почти одинаковые по массе, но нейтрон не обладает зарядом. Сумма числа протонов и числа нейтронов равна массовому числу А, т.е. массе атома, выраженной в единицах атомных масс и округлённой до целых единиц. Масса одного атома может быть определена делением массы 1 моль атомов элемента на постоянную Авогадро. Масса атома чрезвычайно мала. Обычно её выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). В качестве атомной единицы массы принята 1/12 массы атома изотопа углерода 6 12С:

1 12 1

1 а.е.м. = = г = 1,66 · 10 -24 г

12 N 6,023 · 10 23

Масса электрона почти в 1840 раз меньше масс протона и нейтрона. Поэтому масса атома практически равна сумме масс протонов и нейтронов в ядре.

Как указано выше: А = Z + N, где А массовое число атома, Z- число протонов в ядре, N число нейтронов в ядре. Отсюда N = A – Z.

Ядра с одинаковым числом протонов Z, но различным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с чётным числом протонов и нейтронов наиболее устойчивы, поэтому элементы с чётным порядковым номером представлены в природе большим числом стабильных изотопов. Сейчас принято пользоваться следующим способом обозначения атомов химических элементов: перед символом вверху пишется его атомная масса А, а внизу заряд ядра атома (число протонов). Например: 3919К, 168О и т.д.

Атомы с одинаковыми N, но разными Z и A называются изотонами. Например: 28888Ra; 23090Th и т.п.

Атомы с одинаковыми А, но различными Z и N называются изобарами. Например: 4018Ar; 4020Ca и т.д.

Три основные идеи квантовой механики

В квантовой механике есть три основополагающие идеи, отличающие её от классической механике. Рассмотрим их.

1. Квантовый характер энергетических изменений.

В системе микрообъектов энергия поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами.

Энергия системы микрообъектов может принимать только определённые значения и изменяться скачкообразно на величину кванта или нескольких квантов. В микромире энергия квантуется.

Энергия кванта Е связана с частотой излучения υ простым соотношением (формула Планка):

E = h υ,

Где h – постоянная Планка (h = 6,626 · 10 -34 Дж · с). Отметим, что при этом частота колебаний υ и длина волны λ связаны так, что их произведение равно скорости света с (с = 2,997 · 10 8 м/с):

λ· υ =с.

Из этих соотношений следует, что чем меньше длина волны или чем больше частота колебаний, тем больше энергия кванта и наоборот. Поэтому ультрафиолетовые лучи обладают большей энергией, чем лучи видимого света.

Квантовый характер энергетических изменений особенно ярко проявляется в атомных спектрах. Спектры получаются при испускании или поглощении света. Атомные спектры состоят из отдельных спектральных линий. Каждая спектральная линия характеризуется определённой частотой υ света и соответствует строго определённому энергетическому квантовому переходу между различными уровнями энергии:

h υ = Е2 – Е1

Атомные спектры возникают при переходах между энергетическими уровнями внешних электронов атомов.

2. Корпускулярно-волновое поведение

Первым революционное предположение о двойственной природе любых движущихся частиц выдвинул Луи де Бройль (1924 г.). Для химиков наибольший интерес представляют законы движения электронов в атоме, поэтому это мы и будем обсуждать.

Попробуем, вслед за де Бройлем, провести некоторые рассуждения и получить формулу Луи де Бройля.

Для фотона Е = h υ,а согласно теории А. Эйнштейна Е = mc2. Из курса математики Вы знаете, что если левые части уравнения равны, то равны и правые части тоже будут равны, т.е.: h υ = mc2. Из школьного курса физики, вспомним соотношение, которое мы привели выше: λ· υ =с. Из него следует: υ = с / λ. Теперь легко можно получить формулу Луи де Бройля:

λ = h / mфс

λ – длина волны электромагнитного излучения, υ – частота электромагнитного излучения, m – масса фотона, с – скорость света в вакууме. Это соотношение справедливо для корпускулярно-волновых свойств света. Л. Де Бройль предложил заменить массу фотона на массу электрона, массу электрона на массу частицы; скорость света на скорость движения электрона, а скорость движения электрона на скорость движения частицы. В итоге была получена формула де Бройля:

λ = h / mс

Физический смысл формулы: если тело массой m движется со скоростью v, то движению тела соответствует некоторый волновой процесс, длина волны которого λ. Постоянная Планка h связывает воедино корпускулярнр-волновой аспекты движения.

Формула Л. Де Бройля отражает одно из общих свойств материи – её «двойственность» (дуализм): материя обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами. Соотношение «волна – частица» таково, что с уменьшением массы частицы её волновые свойства усиливаются, а корпускулярные ослабляются.

3. Неопределённость положения и скорости

Раньше считалось, что электрон вращается вокруг ядра, подобно вращению планет вокруг Солнца. Но если рассчитать скорость электрона на орбите, то тогда оказывается невозможным одновременное определение положения атома на данной орбите. И наоборот, если определить положение электрона на орбите, то тогда оказывается невозможным расчёт скорости движения электрона.

Характерная для электрона двойственность поведения отражена в соотношении неопределённости, предложенной Гейзенбергом (1927 г.):

ΔpΔxh/2π,

где Δpх = mΔx – неопределённость (ошибка в определении) импульса микрообъекта по координате х; Δх – неопределённость (ошибка в определении) положения микрообъекта по этой координате.

Согласно принципу неопределённости, невозможно одновременно определить положение и импульс любого микрообъекта с одинаково высокой точностью. Чем меньше значение Δх , т.е. чем точнее мы определяем положение микрообъекта (электрона), тем больше неопределённость в определении значения его импульса или энергии. Если микрообъект (электрон) имеет конкретное значение энергии, то его координаты (местонахождение) будут иметь очень большую неопределённость. Соотношение неопределённости отражает корпускулярно-волновую двойственность микрообъектов.

Рассмотрим следствия соотношения неопределённости:

Первое следствие: движение электрона в атоме – движение без траектории. Вследствие корпускулярно-волновой природы электрона понятие «орбита движения» электрона оказалось неприемлемым в квантовой механике. Появилось другое понятие – вероятность пребывания электрона в определённой части объёма атома.

Второе следствие: электрон в атоме не может упасть на ядро (были бы известны сразу и координаты электрона (местонахождение) и значение энергии.