5Я лекция

Строение атома

Атомистическая теория Дальтона: атом -- неделимый объект.

Открытие катодных лучей -- в середине 19 в. ученые изучали эл. заряд в трубках, из которых был откачан воздух. Внутри трубок происходит свечение при напряжении ок. 1000 вольт. Такое свечение называется КЛ.

• КЛ в отсутствии эл. и магн. полей распространяются прямолинейно. При наложении этих полей -- отклоняются подобно тому, как это делают отрицательно заряженные частицы.

• Движение КЛ можно проследить, они вызывают свечение (флуоресценция) отдельных материалов, включая стекло.

• КТ не зависят от того, из какого материала сделан катод. И это позволило заключить, что они являются составной частью всех веществ. И впоследствии эти КЛ стали называть электронами.

Открытие радиоактивности: (явление открыто в 1996 г. фр. ученым Анри Беккерелем). Радиоактивность -- это самопроизвольное испускание излучения. Это явление в дальнейшем изучал Э.Резерфорд. Это позволило обнаружить существование трёх ввидов излучения:

Было исследовано поведение этих лучей в эл и магн. поле

• БЕТТА-излучение - это поток электронов; имеет большую проницательную способность.

• АЛЬФА-изучение - ядра атома гелия, поскольку при их взаимодействии с электронами образуется; имеет небольшую проникающую способность и может быть задержано даже бумагой.

• гамма излучеие - в 1000 раз больше.

После открытия электронов, согласно теории Томсона, -- атом представляют в виде облака положительного заряда, в которое внедрены отрицательно заряженные электроны. Резерфорд, выяснив природу альфа частиц, стал использовать их для изучения строения атома. Он изучал характер рассеивания узкого пучка альфа частиц при прохождении через тонкую золотую фольгу. Согласно наблюдениям Резерфорда, большая часть альфа частиц отклонялась, а некоторая даже возвращалась к источнику излучения. «Большая часть альфа частиц проходит через фольгу без отклонения, так как основная часть пространства в атоме занята электронами, имеющими массу, которые не влияют на распространение частиц».

Отклонение незначительной доли альфа частиц объясняется тем, что они, проходя через небольшую часть ядра, заряжены положительно, а атом золота имеет гораздо большую массу, чем атом гелия. Резерфорд смог предположить, что ядро атома золота имеет намного больший заряд, чем ядро атома гелия

Отталкивание двух положительных частиц достаточно сильное, чтобы меньшая частица альфа отразилась от ядра атома золота в обратном направлении.

Таким образом, родилась ядерная модель строения атома.

Резерфорд вскоре после открытия протона пришел к представлению: атом как миниатюрная Солнечная система. Атом состоит из небольшого ядра, окруженного заряженными электронами, которые вращаются вокруг него по круговым и эллиптическим орбитам на сравнительно большом расстоянии.

Уже после разработки этой теории были открыты нейтрон и другие элем. частицы. Было доказано, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а электроны распределены по некоторым оболочкам на различных расстояниях от ядра. Электроны вращаются вокруг небольшого ядра со скоростями, превыше 160 000 км/сек. Расстояние между ядром и электронами в атоме очень велико. Если все электроны и ядра атомов всех соединений на земле спрессовать, то получится шар, диаметр которого 800 метров. А диаметр Земли - 12 756 км

Вес такого шара был бы равен весу Земли, а плотность - 100 млн тонн/куб.см

Вещество внутри внезапно сжимающихся звезд может иметь приблизительно такую плотность. Ядро атома, которое определяет массу атома, состоит из протонов и нейтронов. Диаметр ядра составляет 10^-4 от диаметра атома. Масса протона близка к массе атома водорода, и она принята за единицу атомного веса. Протон несет элементарный положительный заряд. Масса нейтрона ничтожно мала. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов, окружающих его электронов, поэтому атом в целом электро-нейтрален. Заряд электрона - это наименьшее известное нам кол-во электричества. Это 4,8 * 10^-10 статических единиц. Если принять его за единицу, то выраженный в таких единицах заряд ядра будет численно равняться порядковому номеру элемента, показывающего, какое по счету место занимает данный элемент в периодической системе элементов (1869 г. Д.И. Менделеев)

Окружающие ядро электроны распределяются на группы или слои, которые формируют оболочку атома. В каждом слое имеется определенное кол-во электронов. Было установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов не превышает 8-ми. Электроны наружного слоя наиболее отдалены от ядра и наименее прочно с ним связаны. Они могут отрываться от атома и присоединяться к другим, входя в состав их наружного слоя, если до этого было меньше 8 электронов. Потеря электронов атомом или присоединение нарушает его электро-нейтральность, и он становится заряженным. В первом случае положительно (теряет электроны), во втором случае отрицательно (получает электроны - они называются ионами). Ионы обозначаются такими же символами, что и атомы, добавляя к ним справа вверху столько знаков + - , скольким единицам равняется заряд иона. Величина заряда иона зависит от числа потерянных или присоединенных атомом электронов. Присоединение к атому некоторого числа электронов превращает его в ион с таким же числом электронов. Потеря некоторого числа электронов превращает его в ион с таким же числом положительных зарядов.

Многие ионы могут терять или присоединять электроны, превращаясь в электронно-нейтральные частицы или в новые ионы. Отдача электронов или их присоединение происходит при различных химических процессах, в частности превращение в сложные вещества простых.

Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов рассеивания альфа частиц, но она не объясняла устойчивость атома.

1913 г. Н. Бор предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам (квантовая модель). Однако движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, которое создает переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия этого поля возникает за счет энергии Кулоновского взаимодействия электрона и ядра. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако известно, что это не происходит, атомы - очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что классическая электродинамика не работает в атомных процессах. В основу своей теории Бор положил следующие постулаты

• Постулат стационарных состояний - в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные состояния орбит, по которым движутся электроны. Этот постулат противоречит классической теории механики.

• Постулат частот - при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую поглощается один фотон с энергией hV= En-Em соответствующих стационарных состояний до и после излучения. Переходу электрона со стационарной орбиты под номером n на стационарную орбиту под номером m соответствует переход атома из состояния энергии En в состояние Em. Если En больше Em, то атом излучает фотон = Переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на близлежащую к ядру орбиту. Если En меньше Em, то наблюдается поглощение фотона = переход электрона на более отдаленную от ядра орбиту. Таким образом, набор возможных дискретных частот квантовых переходов определяет линейчатый спектр атома. V = (En - Em)/ h

В 1923 г. Л. де Броиль в развитии представления о корпускулярно-волновом дуализме света выдвинул гипотезу об универсальности в корпускулярно-волновом дуализме. Фотоны, электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными свойствами обладают волновыми свойствами.

Энергия частицы Е и импульс частицы Р=mv - корпускулярные характеристики. А частота излучений и длина волны (Л)- волновые. Л= h/P

Эта гипотеза была подтверждена экспериментально и изменила представление о свойствах микрообъектов, то есть всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства.

Для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

В 1927 г. немецкий физик Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел к выводу:объект микромира невозможно охарактеризовать точно и одновременно и координатой, и импульсом. Это принцип неопределенности Гейзеберга.

Микрочастица не может иметь одновременно координату х и определенный импульс, причем неопределенность этих величин удовлетворяет условию

дельтаХ* дельтаР больше или равно h.