1.1. Теоретические предпосылки, позволяющие понять, как развивались представления об атоме

Изучая пространство, вещество и поле мы достигли того уровня, что можем начать рассмотрение вопросов, касающихся понимания внутреннего строения вещества, концепций того, как движутся маленькие несущие заряд частички внутри тела, создавая ток, природы содержащейся внутри различных тел энергии («энергия» - от греческого слова, означающего «работа внутри»).

Сразу надо отметить, что легкости на «пути познания» внутреннего мира материи нам не предвидится. И причины этого состоят в следующем.

Во - первых. Давать определения той или иной области знания всегда трудно, так как неизбежно приходиться разделять то, что на самом деле представляет единое целое. Особенно это трудно делать для объектов микромира, представляющих двуединую качественно отличную корпускулярно - волновую форму материи.

Во - вторых. Чтобы ввести некоторые точки отсчета, которые позволят нам упорядочить конкретные объекты из области микромира, нам понадобятся сложные научные понятия. Надо признать, что многие научные понятия и характеристики, используемые для описания внутреннего строения вещества (то, что сейчас называют переплетением молекулярных цепочек атомов) сложны для понимания. Еще труднее, чем атомные единицы материи, изучать процессы, связанные с движением заряженных частичек, с электричеством, вопросы переноса энергии.

Наконец, свидетельством того, что путь познания весьма труден, являются также современные модели, которые пытаются передать специфику внутреннего строения вещества и того, что называют наномиром. Термином «модель» принято обозначать некоторую совокупность идей и представлений, определенную математическую форму. Описание с помощью моделей позволяет логически объяснять происходящие в окружающей действительности явления и их свойства, а также понимать те факты, которые происходят.

Вам известно, что уже во времена древних греков существовали люди, предполагавшие (это наверно была первая модель), что вся материя состоит из крохотных частиц, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Поскольку в то время не знали, что эти частицы можно разделить на меньшие, их назвали «атомами» от греческого слова «неделимый». Вам, вероятно, рассказывали в школе, что только в 1808 году появилось достаточно обоснованное толкование древней «атомной теории». Именно в этот год английский химик Джон Дальтон (1766 – 1844) опубликовал книгу, в которой предположил, что каждый химический элемент состоит из особого типа атомов. В 1898 году английский физик Джозеф Дж. Томпсон высказал предположение, что атом представляет собой сгусток вещества, в котором сосредоточен положительный заряд, а отдельные электроны находятся в промежутках между ними, как изюм в пироге. Термин «электрон» (от греч. elektron – янтарь) ввел в науку в 1881 году ирландский физик Джордж Дж. Стони для обозначения минимального количества электричества. Он даже почти точно определил, что заряд электрона Кл.

Изучение радиоактивности (М. Склодовская – Кюри и П. Кюри, и Э. Резерфорд) показало, что атом является несколько иной системой, чем предполагал Дж. Дж. Томпсон. В 1902 г. английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин) выдвинул гипотезу о строении атома, в которой электронам отводилась внешняя часть атома. В 1911 году Резерфорд в опубликованном сообщении предположил, что почти вся масса атома должна быть сконцентрирована в очень небольшом положительно заряженном ядре, расположенном в его центре. Диаметр ядра составляет всего лишь 1/10 000 диаметра атома. Вся оставшаяся часть атома заполнена очень легкими электронами. Если ядро атома изобразить в виде шарика радиусом 1 см, то ближайший электрон будет находиться на расстоянии порядка сотен метров. Настолько «пуст» атом. В соответствии с рассуждениями Резерфорда, противоположными выводам Томпсона, атом состоит из одного положительно заряженного ядра, окруженного облачком электронов. Ядра атомов несут положительный заряд определенной величины и уравновешивались отрицательно заряженными электронами.

Таким образом, развивая модельные представления древних о внутреннем строении вещества, в начале прошлого века было установлено, что атом химического элемента состоит из ядра, которое имеет положительный заряд, и электронов. Электроны движутся вокруг ядра. Совокупность электронов в атоме называют его электронной оболочкой. Графическое изображение этой модели атома, где электроны движутся в классическом смысле по замкнутой траектории (орбите), Вы можете увидеть на картинках, изображаемых в популярных журналах и на рекламных плакатах (рис.1).

Электроны атома, в соответствии с такой моделью, обязательно должны двигаться относительно ядра, ибо в противном случае, когда отсутствует центростремительная сила, в результате кулоновских электростатических сил притяжения к ядру, они должны были бы упасть на ядро.

Предложенная Резерфордом модель атома объясняла существование введенного еще Фарадеем термина «ион», происходящего от греческого слова «путешественник». Ион возникает если из атома удалить некоторое количество электронов.

Рис. 1. Изображение модели атома, который состоит из ядра, которое имеет положительный заряд, и электронов. Диаметр атома – величина порядка 10^-10 метра, а диаметр ядра – величина порядка 10^-14 – 10^-15 метра

Следующим шагом на пути познания атома стало определение точной величины ядерного заряда и числа электронов у атомов различных типов.

В школе Вы изучали, что русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907) открыл Периодический закон, создал, расположив элементы по порядку в зависимости от возрастания их атомного веса, периодическую систему элементов.

В 1913 году Английский физик Генри Гвин Джефферс Мозли (1887 – 1915) обнаружил, что величина положительно заряженного ядра атома равна порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Так, например, водород имеет атомный номер 1. Его ядро несет общий положительный заряд +1; атом водорода обладает одним электроном, чтобы уравновесить это соотношение. Обладая атомным весом 2 (номером 2) гелий имеет ядерный заряд +2, и, следовательно, в его атоме есть два электрона с общим зарядом -2, чтобы уравновесить это соотношение. Атомное число растет по мере того как мы продвигается по порядковым номерам элементов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Скажем, атомы кислорода имеют атомный номер 8, а атомы железа 26. В конце таблицы находятся торий с числом 90 и уран с числом 92. Каждый атом урана имеет заряд +92 и, следовательно, содержит 92 электрона, чтобы уравновесить их.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 году высказал гипотезу, что всякая движущаяся частица вещества кроме корпускулярных свойств должна иметь волновые свойства (то есть свойства электрических и магнитных полей изменяющихся во времени и распространяющихся в пространстве). Размышляя над природой квантования, де Бройль предположил, что для электрона можно рассчитать длину волны. При этом де Бройль сопоставил длину волны электрона со стоячей волной. Иначе говоря, он предположил, что длина волны электрона укладывается целое число раз на орбите. Примером стоячей волны могут служить колебания скрипичной струны, закрепленной на обоих концах. Струна может колебаться только с определенными частотами. Когда волна колеблется как одно целое, то издает основной тон, при колебаниях с более короткими длинами волн издаются обертоны. Колебания с длиной волны, при которой амплитуда не становится равной нулю на концах закрепленной струны, не могут осуществляться (рис. 4.2).

Рис.1а. Приемлемые (а) и неприемлемые (б) стоячие волны струны, а также приемлемые (в) и неприемлемые (г) волны для электрона

Охарактеризовать волновые свойства электрона можно, если сопоставить частице некоторую волну, длина которой связана с импульсом соотношением , где - масса частицы, - ее скорость, - постоянная Планка.

На основании идей де Бройля в 1925 – 1926 гг. трудами главным образом В. Гейзенберга и Э. Шредингера была разработана новая физическая теория, получившая название квантовая теория или квантовая механика.

Экспериментально было подтверждено, что электрон имеет двойственную природу: он обладает свойствами частицы (корпускулярными свойствами) и свойствами волны (волновыми свойствами). Поэтому квантовомеханической модели атома на смену Боровским орбитам движущегося вокруг ядра электронов, пришли пространственные стоячие волны, когда движущемуся вокруг ядра электрону отвечает волна . При этом кратное целое число этих длин волн должно соответствовать длине орбиты. Поэтому квантовую механику можно определить как теорию, устанавливающую законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их двойственных корпускулярно-волновых свойств.

Одним из фундаментальных положений квантовой механики, которое обусловлено волновыми свойствами движущихся частиц, является невозможность точной локализации движущейся частицы в определенной точке пространства (иначе, нельзя определить ее местонахождение). В связи с этим такие привычные для классической механики понятия, как положение (координаты частицы) и траектория ее движения, в квантовой механике для микрочастицы, какой является электрон, не имеют смысл, хотя в ней сохраняют свое значение такие понятия, как масса, импульс и момент импульса частицы.

Движение микрочастицы уже описывается не уравнением классической механики Ньютона, а с помощью особого уравнения (Шредингера), в котором учитываются ее волновые свойства. Это уравнение не определяет точно положение или траекторию движения микрочастицы, но дает возможность установить вероятность ее обнаружения в тех или иных точках заданного пространства.

Надо сказать, что записанное в математическом виде представление микрообъектов с учетом их волновых свойств является совсем не наглядным и их понимание затруднительно. Если все же попытаться сделать это, используя обычные понятия, то можно сказать, например, что электрон при движении «размазывается» в пространстве как некоторый волновой процесс и, наоборот, собирается в материальную точку при взаимодействии с веществом и полем.

В первом приближении, согласно квантовой теории, состояние электрона, как пространственной волны в атоме, можно представить в виде «электронного облака» с определенной плотностью электрического заряда в каждой точке.

Пространство вокруг ядра, в котором нахождение электрона наиболее вероятно (это пространство, которое включает в себя 90% электронного облака), называют орбиталью. С математической точки зрения орбиталь – это волновая функция, описывающая состояние электрона. Эта функция определяет форму поверхностей, ограничивающих пространство, в котором вероятность нахождения электрона составляет не менее 90%. С ее помощью можно рассчитать распределение электронной плотности в заданном пространстве. В этом случае «формы» орбиталей представляют собой графики функций, изображающие области математического пространства, где нахождение электрона в данной орбитали наиболее вероятно.

Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое пространственное представление о том, что стационарное состояние электрона в атоме характеризуется разной интенсивностью волны в различных точках пространства. Интенсивность волны в различных направлениях пространства определяет вероятность того, что электрон находится в данной точке. С помощью орбиталей можно представить, как вместо перехода с одной орбиты на другую происходит переход из одного состояния (которому соответствует определенная пространственная волна) в другое.

Электронные облака (пространственные волны разной интенсивности) различных электронов находятся на разных расстояниях от ядра и имеют разную форму.

Геометрическое представление атомной орбитали — область пространства, ограниченная поверхностью равной плотности вероятности или заряда. Плотность вероятности на граничной поверхности выбирают исходя из решаемой задачи, но, обычно, таким образом, чтобы вероятность нахождения электрона в ограниченной области лежала в диапазоне значений 0,9-0,99. Если различную электронную плотность в отдельных участках, например, невозбужденного атома водорода передать точечной штриховкой различной интенсивности, получится схема электронной орбитали (рис.2а).

Рис. 2. Изображение распределения электронной плотности электрона в атоме водорода  

Поверхность, охватывающая ядро атома, за пределом которой вероятность пребывания электрона исчезающе мала, называют граничной поверхностью орбитали. (Рис.2.б). Эта поверхность передаёт форму орбитали при графическом его изображении.

Электронные орбитали имеют разные размеры и форму, определенным образом расположены в пространстве (орбитали занимают определенное положение в пространстве). Размеры электронной орбитали определяются расстоянием, на котором электрон находится от ядра. При этом электроны находятся не на любых, а вполне определенных расстояниях от ядра. Электроны, которые находятся на одинаковом расстоянии от ядра, образуют один электронный слой. Электронные слои могут характеризоваться любыми целыми положительными значениями, начиная с единицы (n = 1,2,3, … ∞) или обозначаться латинскими буквами K, L, M, N, O, P, Q. Электронные орбитали имеют различную форму: сферы, гантели и др.

Рассмотрим, какой вид будет иметь орбиталь атома химического элемента водорода, который состоит из положительно заряженного протона (который является ядром водородного атома) и единственного отрицательно заряженного электрона (рис.3).

Рис. 3. Изображение областей вероятного нахождения электрона у атома водорода. Орбиталь представлена в виде пространственного облака, плотность и густота которого характеризует распределение вероятности нахождения электрона (а, следовательно, и распределение его заряда в различных точках объема)

Как мы видим, согласно квантовой теории электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной траектории-орбите, а занимает некоторую область пространства. Вследствие своих волновых свойств электрон в атоме водорода может быть обнаружен в любой точке этой области, но с различной вероятностью. Следовательно, электрон в атоме водорода может с определенной вероятностью оказаться либо весьма близко к ядру, либо на значительном удалении. Как несложно заметить, существует определенная область, где его появление наиболее вероятно. Совокупность точек наиболее возможных положений электрона в объеме атома, как уже отмечалось, и называется орбиталью.

Отметим, что орбиталь – определяющее понятие, позволяющее рассматривать процессы образования химических связей и анализировать их свойства. При этом внимание сосредотачивают на орбиталях тех электронов, которые участвуют в образовании химических связей, то есть, валентных электронов, обычно это электроны последнего уровня.