4.5 Раздел: Строение атомов и структура периодической системы химических элементов д.И.Менделеева

Представление о сотроении атома

Атомы состоят из еще более мелких частиц, которые были открыты в разное время разными исследователями. Самой первой из таких частиц оказался электрон, несущий единичный электрический заряд, описанный в 1853 году французским исследователем А.Массоном.

Позже были исследованы и открыты положительно заряженные частицы, которые стали называть протонами. Масса протона оказалась почти в 2000 раз больше массы электрона, а его заряд, как выяснилось, равен заряду электрона, но со знаком "плюс".

Таким образом, в распоряжении физиков появились первые "строительные детали", с помощью которых уже можно было попытаться построить те или иные модели атомов.

Томсон предположил, что атомы состоят из положительно заряженной сферы, в которую вкраплены электроны . Эта модель атома получила среди ученых прозвище "сливовый пудинг", хотя не менее похожа и на булочку с изюмом (где "изюминки" - это электроны), или на "арбуз" с "семечками" - электронами.

В 1910 году английский физик Эрнст Резерфорд со своими учениками Гейгером и Марсденом провели эксперимент, который дал поразительные результаты, необъяснимые с точки зрения модели Томсона. В то время уже была открыта радиоактивность, о которой в наше время знают даже школьники начальных классов. Радиоактивные вещества способны испускать не только лучи высокой энергии, но и частицы высокой энергии, которые способны проникать сквозь многие предметы. Такие частицы называются альфа-частицами.

Поток альфа-частиц проникает сквозь тонкую золотую фольгу толщиной приблизительно 10000 атомов. Пройдя сквозь золото, альфа-частицы вызывают вспышку при ударе об экран. По вспышкам на экране можно видеть отклонения части альфа-частиц от прямолинейной траектории

В опыте Резерфорда пучок альфа-частиц направлялся на тонкую золотую фольгу, а затем становился видимым на специальном экране со светящимся покрытием. Обнаружилось, что не весь пучок альфа-частиц проходит фольгу насквозь. Некоторые альфа-частицы меняют направление весьма значительно и даже отражаются от тонкого листа золотой фольги, как снаряд от брони! Это могло означать только одно: атомы золота не сплошные, а состоят из "разреженных" пустот (сквозь которые альфа-частицы проходят беспрепятственно) и очень плотных областей, от которых альфа-частицы отскакивают, как мячик.

Резерфорд предположил, что атом золота состоит из плотного, положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и окружающих это ядро электронов. Электроны вращаются вокруг ядра по круговым орбитам, при этом на электроны действует центробежная сила, которая в точности уравновешивается электростатическим притяжением электрона к ядру. Альфа-частицы относительно легко проходят сквозь "разреженную" область, занимаемую электронами и отражаются (или отклоняются в сторону) при столкновении с плотным ядром атома. По соотношению отклоненных и неотклоненных альфа-частиц удалось рассчитать, что размеры ядра атома золота примерно в 100000 раз меньше внешних границ атома, которыми он соприкасается с другими атомами. Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ±Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. “Точное значение заряда центрального ядра не было определено,- писал Резерфорд, - но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда”.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Бор писал: ”С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом...”

Модель Резерфорда объясняла результаты эксперимента с альфа-частицами, но задавала физикам и химикам еще больше вопросов, чем было раньше. Почему при движении заряженного электрона около заряженного ядра не выделяется энергия? Как атомы "прикрепляются" друг к другу? Почему электроны не падают на ядро? Каким образом физические тела, состоящие из атомов, при нагревании испускают свет?

Эти вопросы частично прояснились только после того, как датский физик Н.Бор предложил модель атома, похожую на модель Резерфорда, но с тем отличием, что электроны располагались вокруг ядра на строго определенных, постоянных орбитах. Эта модель напоминает устройство солнечной системы, где электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца.

Когда вещество нагревают, электроны поглощают энергию и переходят на более удаленные от ядра постоянные орбиты, а затем возвращаются на прежнее место, выделяя энергию строго отмеренными "порциями" (в виде света). Такая "порция" энергии (ее называют квантом света) в точности равна разнице между энергиями электрона на более высокой и менее высокой орбитах.

Изучая испускаемый нагретыми телами свет, можно выяснить, сколько постоянных электронных орбит существует в атоме и даже установить довольно сложное внутреннее устройство этих орбит.

Со временем появились новые гипотезы, позволившие более точно представить движение электронов. Матричная механика немецкого физика-теоретика В Гейзенберга описывала электрон как частицу, а волновая механика австрийского физика-теоретика Э Шредингера - как волну. Эти теории были объединены в квантовой механике, которая в применении к химическим объектам получила свое развитие в квантовой химии.

Результаты огромного числа экспериментов и усилия физиков-теоретиков позволили получить довольно подробную информацию об атомах:

1. B центре атома находится ядро, заряд его положительный и определяется по порядковому номеру элемента.    2. B ядре атома расположены частицы: протоны и нейтроны. Протон p¹₁ (имеет заряд +1, массу 1).    Нейтрон n10 (имеет заряд "0", масса 1).    Число протонов определяется по порядковому номеру элемента. Число нейтронов определяется (численно) разностью между атомной массой элемента и его порядковым номером.    3. Вокруг ядра на электронных слоях (уровнях, оболочках) находятся электроны.    4. Электрон (изображается e) имеет заряд (–1), а массу ¹ /1837 массы атома водорода, т. е. величину незначительную, что массой электронов пренебрегают. Масса атома сосредоточена в ядре.    5. Число электронных слоев в атоме определяется по номеру периода.    6. Общее число электронов в атоме определяется по порядковому номеру элемента.    7. На внешнем слое атома (последнем) располагается столько электронов, каков номер группы, если элемент из главной подгруппы. Если элемент из побочной подгруппы, то у него на последнем слое атома располагается, как правило, 2e. Бывают исключения.    8. Максимальное число электронов на слоях определяется по формуле 2 ∙ n², где n – номер слоя или периода.    1 слой max ё 2 ∙ 1² = 2ё,    2 слой 2 ∙ 2² = 8ё,    3 слой 2 ∙ 3² = 18ё,    4 слой 2 ∙ 4² = 32ё.    9. Электронное облако – это часть пространства, в котором нахождение электрона наиболее вероятно.    10. Типы электронов: s, p, d, f.    11. На любом слое первые два электрона это электроны S типа.    max ё s типа - 2ё,    max ё p типа - (8 - 2) = 6ё,    max ё d типа - (18 - 2 -6) = 10ё,    max ё f типа - (32 - 2 - 6 - 10) = 14ё.    12. Графически электрон изображается ↑ или ↓.