4) Как изменялись представления о строении атомов? Кто и как открыл электрон? в какой степени атом похож на солнечную систему? Дайте понятие об энергетических уровнях и переходах.

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена и существовало вплоть до конца 19 века.

Активное изучение строения атома началось в 1897г. после открытия электрона английским физиком Дж. Томсоном, предложившим в 1903г. первую модель атома: атом представляет собой непрерывно заряженный положительным электрическим зарядом шар, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный заряд их равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален.

Метод, предложенный Т., был весьма прост. Сначала пучок катодных лучей отклонялся с помощью электрического поля, а затем с помощью магнитного поля он отклонялся на равную величину в противоположную сторону, так что в итоге пучок вновь выпрямлялся. Используя такую экспериментальную методику, стало возможным вывести простые уравнения, из которых, зная напряженности двух полей, легко определить как v, так и e/m.

Найденное таким образом значение e/m для катодных «корпускул» (как называет их Т.) оказалось в 1000 раз больше соответствующего значения для иона водорода (теперь мы знаем, что истинное отношение близко к 1800:1). Водород среди всех элементов обладает наибольшим отношением заряда к массе. Если, как полагал Т., корпускулы несли тот же самый заряд, что и ион водорода, («единичный» электрический заряд), то он открыл новую сущность, в 1000 раз более легкую, чем простейший атом.

Эта догадка подтвердилась, когда Т. с помощью прибора, изобретенного Ч.Т. Р. Вильсоном, удалось измерить значение е и показать, что оно действительно равно соответствующему значению для иона водорода. Он обнаружил далее, что отношение заряда к массе для корпускул из катодных лучей не зависит от того, какой газ находится в газоразрядной трубке и из какого материала сделаны электроды. Более того, частицы с тем же самым отношением e/m удавалось выделить из угля при нагревании и из металлов при воздействии на них ультрафиолетовыми лучами. Отсюда он сделал вывод, что «атом – не последний предел делимости материи; мы можем двигаться дальше – к корпускуле, и эта корпускулярная фаза одинакова, независимо от источника ее возникновения... Она, по всей видимости, входит составной частью во все разновидности материи при самых разных условиях, поэтому кажется вполне естественным рассматривать корпускулу как один из кирпичиков, из которых построен атом».

Т. пошел дальше и предложил модель атома, согласующуюся с его открытием. В начале XX в. он выдвинул гипотезу, что атом представляет собой размытую сферу, несущую положительный электрический заряд, в которой распределены отрицательно заряженные электроны (как в конце концов стали называть его корпускулы).

Через несколько лет было доказано, что предложение о непрерывном распределении положительного заряда внутри атома ошибочно.

В 1911г. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: вокруг положительного ядра, имеющего заряд Ze (Z- порядковый номер элемента в системе Менделеева, e- элементарный заряд), по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Движущиеся по замкнутым орбитам электроны обладают центростремительным ускорением. Согласно классической электродинамике, ускоренные электроны излучают электромагнитные волны, вследствие чего непрерывно теряют энергию. Поэтому электроны, излучая энергию, будут двигаться по спирали и, в результате потери энергии, приближаться к ядру и, в конце концов, упадут на него. Таким образом, атом в модели Резерфорда, оказался неустойчивой системой.

Качественно новую модель атома предпринял в 1913г. датский физик Нильс Бор. В основу своей теории атома Бор положил два постулата.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Второй постулат Бора(правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается(поглощается)один фотон с энергией равной разности энергий En и Em, соответствующих стационарным состояниям атома до и после излучения (поглощения).(hv =En-Em)

Несмотря на несомненный успех концепции Бора в объяснении структуры атома водорода, для которого удалось создать количественную теорию спектра излучения, построить подобную теорию для следующего за водородом атома гелия на основании модели Бора не удалось.

Одна из правдоподобных моделей атома похожа на нашу Солнечную систему, и ее так и называют — «планетарная модель» В центре планетарной модели — основная деталь атома, его ядро, массивный шар, в котором сосредоточена почти вся атомная масса. Вокруг ядра вращаются маленькие и легкие шарики—электроны, чем-то напоминая планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Такая картина очень наглядна, ее легко себе представить, но, конечно же, планетарная модель — это упрощение, искажение истины. Скажем, электроны — это совсем не шарики-пылинки, а некоторые во многом еще загадочные сгустки материи, которые ведут себя не только как частицы, но и как волны. И двигаются электроны не по спокойным круговым орбитам, как Венера или Земля вокруг Солнца. Электроны как бы размазаны в пространстве, распределены по сферам вокруг ядра, образуют вокруг него так называемые электронные оболочки И само ядро —тоже не бильярдный шар. Это огромный (по атомным масштабам, разумеется) бурлящий котел, в котором непрерывно идут сложные превращения вещества и энергии, рождаются и умирают частицы.

И все же планетарная модель, несмотря на все ее недостатки, помогает просто и правильно объяснить многие важные процессы в атоме, многие особенности его конструкции.

Разные электроны в различной степени связаны с ядром; некоторые из них атом может относительно легко потерять, превращаясь в положительный ион. Приобретая дополнительные электроны, атом превращается в отрицательный ион. Существенно, что атом может поглощать и испускать лишь определённые, характерные для данного химического элемента кванты энергии. В связи с этим говорят об определённых энергетических уровнях атома.

При возбуждении атома электрон перескакивает на одну из более удалённых от ядра орбит. Это явление называется электронным переходом. Таким образом, по мере увеличения атомного номера элемента электроны постепенно заселяют электронные оболочки.