Лекция 9. Строение атома

§ 1 Атом. Химический элемент. Простое и сложное вещества .

Атом -химически неделимая, электронейтральная частица, которая состоит из нуклонов^* – протонов ( ¹₁р), нейтронов (⁰₁ n) и электронов е^- . Это понятие имеет важное значение для описания химических превращений. ______________________________________________________________

_^*) Строго говоря, нуклоны не являются неделимыми, а состоят из кварков

Отметим, что химический элемент- это совокупность атомов с определенным одинаковым зарядом ядра. Простое вещество- то вещество, которое состоит из атомов одного и того же элемента. Сложное вещество состоит из атомов разных элементов.

§ 2. Как обнаружить атом?

Существуют косвенные и прямые методы свидетельства существования атома. К косвенным методам относятся :

а) процесс электролиза,

б) явление фотоэффекта,

в) электролитическая диссоциация

г) естественная радиоактивность.

К прямым методам относятся методы сканирующей зондовой микроскопии - туннельной (СТМ) и атомно- силовой (АСМ)атомной силовой, а также электронной микроскопии. На фотография поверхности графита (Рис 1), полученной с помощьюатомной силовой микроскопии (АСМ), отчетливо видны.

Рис. 1 Фотография атомной поверхноcти графита.

______________________________________________________________

_^*) Строго говоря, нуклоны не являются неделимыми, а состоят из кварков

атомы графита, образующие регулярную структуру.

Протоны и нейтроны в атоме формируют положительно заряженное ядро, в котором практически сосредоточена вся масса атома. Заряд ядра (Z) определяется числом протонов. Электроны в атоме расположены вокруг ядра и

занимают пространство, которое существенно превышает обьем ядра: диаметр

ядра составляет около 10^-12 см, диаметр атома – 10^-8 см.С точки зрения химии заряд ядра- основная характеристика атома, так как он определяет число электронов. Химические же свойства вещества связаны с перераспределением электронной плотности и таким образом, зависят от электронной конфигурации атомов.

§ 3. Электронное строение атома . Модель Бора.

Электронное строение атома определяется, во-первых, энергией электронов и , во-вторых, тем как они распределены в пространстве.

Если пропустить свет от газоразрядной лампы сквозь щель и образовавшийся луч направить на призму, а затем на экран, то на нем образуется система полос, или линейчатый спектр испускания ( Рис 2 ).

Рис2. Линейчатый спектр испускания. 1- пучок лучей, 2- щели, 4- экран, 5- линейчатый спектр, газоразрядная лампа.

Этот факт связан с квантованием (порционностью) энергии электронов. Первая квантовая модель электронного строения атомов создана Нильсом Бором. Её основные положения следующие:

1. Отрицательно заряженные электроны двигаются вокруг положительно заряженного ядра по орбитам ( Рис 3 ).

Рис 3.Схема орбит. 1- электрон, 2 и 3 орбиты с энергиями Е₁ и Е₂, 4 - ν частота испускаемого света ν = (Е₂ – Е₁)/ h

1. Каждая орбита характеризуется определенной энергией Е и её номером т.е. квантовым числом n . Орбита с самой низкой энергией

( ближайшая к ядру) характеризуется квантовым числом n = 1. Следующим уровням соответствуют квантовые числа 2, 3 и т.д. (Рис 4)

Рис.4. Уровни энергии для некоторых значений квантового числа п

Штриховая линия соответствует уровню, на котором электрон обладает энергией, достаточной для того, чтобы покинуть атом: происходит ионизация атома

2. Переходы электронов между орбиталями с энергиями Е₁ и Е₂ связаны с изменением энергии ∆ Е и обуславливают не непрерывное, а квантовое

( порционное) поглощение или испускание света с частотой (ν) , или длиной волны (λ)

∆ Е = Е₂ – Е₁ = h ν = hc/ λ ( 1 )

где h- постоянная Планка (6.62 10^-34 Дж с), а с – скорость света. Спектр поглощения возникает, когда электроны с низких орбит возбуждаются и переходят на более верхние орбиты. Спектр испускания возникает в обратном случае, если электроны с возбужденных , верхних орбит

« падают» обратно на орбиты с меньшей энергией. Такие электроны отдают энергию, испуская её в виде светового излучения с частотой (ν), определяемой уравнением Планка (1)