Лекція 2 будова атома

Мета навчального заняття:

а) освітня: поглибити знання про історію створення сучасного вчення про будову атома, розширити знання про основні положення теорії Бора, правила заповнення атомних орбіталей багатоелектроними атомами;

б) виховна: розкрити значення хвильового характеру електрона та принципа невизначеності Гейзенберга;

в) розвивальна: розвити уявлення про квантові числа та орбіталі, багатоелектронні атоми;

Обладнання: таблиці, схеми.

Методи навчання:загально-логічні (метод індукції, метод порівняння), методи хімічного дослідження (метод моделювання), загально-педагогічні методи(пояснювально-ілюстративний метод).

Ключові слова та терміни: катод, потіком іонів, електрон, α-, β- і γ-промені, природний радіоактивний розпад, випромінювання, бомбардування, модель атома, частота хвилі, квант енергії або фотон, стала Планка, довжина хвилі спектральних ліній, постулати Бора, цілочислові кванти, відцентрова сила, рівняння сталості орбіт, стаціонарні орбіти, борівський радіус, збуджений стан, віддаленні рівні, «Корпускулярні хвилі», електромагнітна хвиля, нейтрон, двоїста корпускулярно-хвильова природа, принцип невизначеності Гейзенберга, макротіла, «стан електрона», квантові числа та орбіталі, головне квантове число, енергія, орбітальне квантове число, магнітне квантове число, спін електрона, принцип Паулі, багатоелектронні атоми, позитивно заряджене ядро, правила Клечковського, Правило Хунда.

ПЛАН

1. Історія створення вчення про будову атома. Теорія Е. Резерфорда. Спектр.

2. Основні положення теорії Бора.

3. Хвильовий характер електрона. Принцип невизначеності Гейзенберга.

4. Квантові числа та атомні орбіталі.

5. Багатоелектронні атоми.

5.1. Принцип Паулі.

5.2. Правила Клечковського.

5.3. Правило Хунда.

1. Історія створення вчення про будову атома

Створенню сучасного вчення про будову атома передувала низка фізичних відкриттів. Так, у 1879 р. англійський хімік і фізик У. Крукс (1832-1919) за допомогою трубки, згодом названої на його честь трубкою Крукса, відкрив катодні промені, які випромінювались з катода і пізніше були ідентифіковані як потік електронів. У 1886 р. німецький фізик Е. Гольдштейн (1850-1930) відкрив каналові промені, які виявились потоком іонів з позитивним зарядом, кратним заряду електрона. У 1895 р. німецький фізик В. К. Рентген відкрив γ-промені (згодом вони були названі рентгенівськими), які виявилися електромагнітним випромінюванням з дуже короткою довжиною хвилі (10^-10 – 10^-11 м). Ці відкриття підтверджували, що в глибинах атомів містяться позитивно і негативно заряджені частинки, зв’язані між собою особливими внутрішньоатомними силами.

У 1897 р. англійський фізик Дж. Дж. Томсон відкрив електрон і за відхиленням пучка катодних променів у електричному та магнітному полях знайшов відношення заряду електрона до його маси. Воно виявилось таким, що дорівнює e/m = 5.273•10^-17 ел.-ст. од./г.

Після визначення у 1909 р. американським фізиком Р. Маллікеном (1868-1953) заряду електрона (e = 4,803•10^-10 ел.-ст. од. = 1,601•10^-19 Кл), було обчислено масу спокою електрона: m_e = 9,108•10^-31 кг, що становить 1/1836 маси атома найлегшого елемента – водню.

У 1896 р. французький фізик А. А. Беккерель відкрив явище природного радіоактивного розпаду і розділив випромінювання, яке супроводжувало цей процес, на три складові: α-, β- і γ-промені.

α-Промені відхилялися до негативно зарядженого полюса зовнішнього електричного поля, мали порівняно невелику проникну здатність і складалися з позитивно заряджених частинок, які виявилися ядрами атомів гелію Не²⁺.

2p = 2⁺, n = 0, α – 2e^- → He²⁺

α-Частинки рухаються зі швидкістю майже 20 000 км/с. Вони дуже сильно іонізують повітря. Стикаючись з молекулами кисню та азоту, α-частинки вибивають з них електрони, тому вздовж їхнього шляху залишається «хвіст» заряджених молекул, так званих газових іонів. Одна α-частинка може утворити майже 200 тис. пар газових іонів, тому вона досить швидко витрачає свою енергію і перетворюється на атом Не. α-Частинки пролітають у повітрі порівняно короткий шлях – від 7 до 20 см. Навіть тонкий аркуш паперу повністю затримує їх. Проте саме α-частинки виносять найбільшу частину енергії радіоактивного розпаду.

Промені, які відхилялися до позитивно зарядженого полюса зовнішнього електричного поля, було названо β-променями. Згодом вони виявилися потоком електронів з високою енергією. β-Промені мають малу масу і велику проникаючу здатність. Швидкості руху електронів у цьому потоці близькі до швидкості світла і досить рівномірно розподілені в деякому спектрі швидкостей. Вивчення спектра β-частинок заклало підвалини для досліджень, що завершилися відкриттям нейтрино.

γ-Промені були ідентифіковані як короткохвильове електро­магнітне випромінювання.

Не варто думати, що під час розпаду будь-якого радіоактивного ізотопу утворюються α-, β- і γ-промені. Із 39 радіоактивних ізотопів важких елементів тільки 4 випромінюють усі три види променів. Для 21 ізотопу характерне тільки α-випромінювання, для 14 – β-випромінювання (для деяких ізотопів воно супроводжується γ-випромінюванням).

Найбільш біологічно активними є α-промені, далі йдуть повільні нейтрони та β-промені. У разі короткочасного опромінення тіла людини γ-променями явища, що спостерігаються клінічно, наступають за дози 25 Р, доза в 200 Р спричинює тяжкі ураження (летальність приблизно 5 %), а доза в 600 Р летальна. Місцеві локальні впливи людина переносить набагато легше, лікувальні дози іноді можуть досягати кількох тисяч рентгенів.

У 1911 р. англійський фізик Е. Резерфорд разом зі своїми студентами Г. Гейгером (1882–1945) та Е. Марсденом (1889–1970) поставили свої знамениті досліди з «бомбардування» тонкої металевої фольги потоком α-частинок. На думку Е. Резерфорда, α-частинки мали проникати крізь металеву фольгу завтовшки майже 1000 атомних шарів без зміни напрямку руху. Ретельно проведені досліди із спостереженням і фіксацією польоту величезного числа α-частинок довели, що переважна більшість їх безперешкодно проходить крізь фольгу, не змінюючи напрямку руху. Однак приблизно одна з 8000 α-частинок змінює напрямок руху, відхиляється від прямолінійного руху на деякий кут або навіть відкидається назад. На основі проведених дослідів щодо розсіювання α-частинок Е. Резерфорд запропонував планетарну модель будови атома, згідно з якою атом складається з позитивно зарядженого ядра, яке розміщене в центрі атома та електронів, що рухаються навколо ядра по колових орбітах. Позитивний заряд ядра нейтралізується сумарним негативним зарядом електронів – атом в цілому електронейтральний. Відцентрована сила, що виникає внаслідок обертання електронів, урівноважується силою електростатичного притягання електронів до протилежно зарядженого ядра. Розміри ядра дуже малі в порівнянні з розмірами атома в цілому: діаметр атома – величина порядку10^-8 см, а діаметр ядра – 10^-13 – 10^-12 см.

З дослідів Е.Резерфорда витікало, що заряд ядра чисельно дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Було встановлено фізичний зміст порядкового номера елемента в періодичній системі: порядковий номер – це важлива константа елемента, що виражає позитивний заряд ядра його атома. Зазначені дослідження стали науковою основою для нового, другого етапу в розвитку періодичного закону, вони по-новому обґрунтували розміщення елементів в періодичній системі, усунули протиріччя в системі Д.І. Менделєєва в наш час можна сформулювати так: властивості елементів і утворених ними простих і складних речовин знаходяться в періодичній залежності від заряду ядра атомів елементів.

Недоліки теорії Резерфорда:

По-перше, теорія Е. Резерфорда не могла пояснити стійкість атома. Електрон, обертаючись навколо позитивно зарядженого ядра, повинен, подібно до коливального електричного заряду, випромінювати електромагнітну енергію у вигляді світлових хвиль. Випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії. Це призводить до порушення рівноваги між відцентровою силою, що пов’язана з обертанням електрона до ядра. Таким чином, електрон безперервно випромінюючи енергію і рухаючись по спіралі, буде наближатись до ядра. Вичерпавши всю енергію, він мусить «упасти» на ядро – і атом припинить своє існування. У реальних умовах атом є стійким утворенням і може існувати надзвичайно довго.

По-друге, атомні спектри газів і пароподібних речовин були отримані у вигляді ряду окремих кольорових ліній, розділених темними проміжками. Електрон, обертаючись навколо ядра, повинен наближатись до ядра, постійно змінюючи швидкість руху. Спектр випромінювання повинен бути неперервним, суцільним, а це не відповідає дійсності.

Справжня модель атома мала б пояснювати різноманітні експериментальні спостереження за атомами, такі, як фотоелектричний ефект – випромінювання електронів поверхнею металів під час їх освітлювання, електропровідність газів, електронейтральність атомів, причину утворення рентгенівських променів, результати дослідів Е. Резерфорда щодо розсіювання α-променів.

Поняття про спектр. Будь-яке джерело електромагнітного випромінювання, наприклад Сонце, надсилає врізнобіч безліч хвиль різної довжини, які називають спектром. Це випромінювання поширюється у просторі зі швидкістю, яка становить 300000 км/с, має властивості хвиль. Кількісно його характеризують довжиною хвилі λ, частотою ν та амплітудою коливання. Частоту хвильового процесу визначають числом хвиль, які проходять через фіксовану точку впродовж однієї секунди. Вона залежить від довжини хвилі λ та швидкості її поширення с:

ν = с/λ

Енергію електромагнітного випромінювання визначають частотою хвилі, яку виражають числом коливань за одну секунду, її вимірюють у герцах. Спектр світла, випромінюваного нагрітими тілами, у 1900 р. вивчав німецький фізик М. Планк. Він припустив, що енергія випромінюється дискретно тими атомами, які перебувають у стані коливання, причому кожен з них випромінює енергію певної частоти. М. Планк виявив існування найменшої порції енергії, яку можна виділити в одному акті випромінювання, і назвав її квантом енергії, або фотоном. Енергія кванта пропорційна частоті зв'язаного з нею випромінювання:

E = һν

де h – стала Планка, яка дорівнює 6,63•10^-34 Дж•с.