6. Основные представления о структуре вещества

В качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы как наименьшие единицы вещества. В дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, а известным образом преобразуют друг

друга, так в результате получается целостность или связанная система. Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента.

В конце XIX века ученые считали:

1) что химические атомы каждого элемента неизменны, и существует столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время — примерно 70);

2) атомы данного элемента одинаковы;

3) атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии, их веса;

4) взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.

Начало теории строения атомного ядра связано с именами Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, исследовавшими явление радиоактивности, в процессе которого вещество может испускать особые лучи. При этом происходит превращение одних химических элементов в другие. Впоследствии выяснилось (это связано с именем Э. Резерфорда), что радиоактивные лучи состоят из трех составляющих: α-лучи - являются потоком ионизированных атомов гелия Не+, β-лучи – это поток электронов, а γ-лучи являются коротковолновым электромагнитным излучением.

С помощью α-частиц в 1911 г. Э. Резерфорд «проникает» внутрь атома и доказывает существование положительно заряженного атомного ядра, в котором сосредоточена практически вся его масса. В 1919 г., Резерфорд получает ионизированные ядра водорода, которые он назвал протонами – р. Резерфорд предсказывает существование электрически нейтральной частицы, масса которой равна массе протона, получившей название нейтрона - n.

В 1932 г. Дж. Чедвик открывает нейтрон в опыте по бомбардировке α-частицами бериллиевой мишени. После этого была предложена модель ядра атома, состоящего из протонов и нейтронов, которые удерживаются особым видом сил – ядерными силами, или

сильными взаимодействиями. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу – нуклон.

Атомное ядро напоминает каплю воды, в которой частицы взаимодействуют лишь с соседними частицами, а частицы, находящиеся на поверхности капли, стремятся втянуться внутрь, создавая поверхностное натяжение. С увеличением числа частиц в ядре возрастает ее объем, удаленные друг от друга протоны не притягиваются друг к другу ядерными силами, но силы электростатического отталкивания становятся соизмеримыми с силами ядер-

ного взаимодействия. Такие ядра становятся неустойчивыми, электростатические силы разрывают их, что является причиной радиоактивности.

7. Многоэлектронный атом. Принцип Паули. Квантово-механическое обоснование Периодического закона д.И.Менделеева.

В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze, электроны будут занимать различные «орбиты» (оболочки). При движении вокруг ядра Z-электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Он формулируется так:

1. В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного п, орбитального l, магнитного т и магнитного спинового тs.

2. На определенной оболочке могут находиться в атоме не более 2п2 электронов.

В 1869 г. Д.И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д.И. Менделеева. Периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов.