Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Строение атома. Методические указания для самостоятельной работы студентов бакалавриата направления подготовки 08.03.01 Строительство и студентов спец

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей химии

СТРОЕНИЕ АТОМА

Методические указания

для самостоятельной работы студентов бакалавриата

направления подготовки 08.03.01 Строительство

и студентов специалитета направления подготовки

08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений

ISBN 978-5-7264-1273-3

Москва 2016

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 54 ББК 24.1 С86

Р е ц е н з е н т

кандидат химических наук Е.М. Мясоедов,

профессор кафедры общей химии НИУ МГСУ

Составили И.В. Степина, Ю.В. Устинова, Т.П. Никифорова

С86 Строение атома [Электронный ресурс] : методические указания для самостоя-

тельной работы студентов бакалавриата направления подготовки 08.03.01 Строительство и студентов специалитета направления подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений / М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т, каф. общей химии ; сост.: И.В. Степина, Ю.В. Устинова, Т.П. Никифорова. — Электрон. дан. и прогр. (5 Мб). — Москва : НИУ МГСУ, 2016. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/ — Загл. с титул. экрана.

ISBN 978-5-7264-1273-3 (сетевое) ISBN 978-5-7264-1272-6 (локальное)

Содержатся краткие теоретические сведения о модели строения атома, предложенные учеными в начале ХХ в., рассмотрены опыт Резерфорда, принцип неопределенности Гейзенберга, уравнение Шрёдингера, постулаты Бора. Приведены примеры решения задач и контрольные вопросы для самопроверки.

Для студентов бакалавриата направления подготовки 08.03.01 Строительство и студентов специалитета направления подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, изучающих дисциплины «Фундаментальное естествознание» и «Химия».

Учебное электронное издание

Редактор Ю.Ю. Желтова

Технический редактор А.В. Кузнецова

Корректор А.С. Скрябина

Компьютерная верстка С.С. Сизиумовой

Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного

Для создания электронного издания использовано:

Microsoft Word 2013, приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,

разработанное на основе Adobe Air

Подписано к использованию 10.03.2016. Уч.-изд. л. 1,24. Объем данных 5 Мб.

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Московский государственный

строительный университет» (НИУ МГСУ).

129337, Москва, Ярославское ш., 26.

Издательство МИСИ — МГСУ.

Тел. (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.

E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Тел. 8-800-555-22-35, (8452) 24-77-97, вн. 208,

ООО «Ай Пи Эр Медиа».

E-mail: izdat@iprmedia.ru, mail@iprbookshop.ru

www.iprbookshop.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Модели строения атома ................................................................................. 5

2. Строение атома по Бору ................................................................................. 8

3. О квантовой механике .................................................................................... 11

4. Принцип неопределенности Гейзенберга .................................................... 14

5. Квантовые числа, структура электронной оболочки атомов ...................... 15

Примеры решения задач .................................................................................... 22

Контрольные вопросы ........................................................................................ 25

1. МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ АТОМА

В химии своеобразными элементарными частицами являются

атомы, из которых построены все химические вещества. Громадное разнообразие химических соединений обусловлено различным сочетанием атомов химических элементов в молекулы и немолекулярные вещества. Способность же атома вступать в химические соединения, его химические и физические свойства определяются структурой атома. Отсюда для химии первостепенное значение имеет строение атома, в первую очередь структура его электронной оболочки.

Согласно модели первооткрывателя электрона Томсона (1904 г.),

атом представляет собой «сферу положительного электричества» одинаковой плотности по всему объему диаметром порядка 0,1 нм. Электроны как бы «плавают» в этой сфере, нейтрализуя положительный заряд. Экспериментальную проверку этих наглядных представлений предпринял английский физик Эрнест Резерфорд в своих знаменитых опытах по рассеянию α-частиц (ядра атома гелия). Если модель Томсона верна, α-частицы не могут пройти даже через очень тонкую фольгу, так как атомы заполняют все пространство, а «сфера положительного электричества» атомов должна препятствовать проникновению положительно заряженных α-частиц: летящие α-частицы должны остановиться, передав свою энергию и импульс фольге.

Однако результаты опыта Резерфорда показали, что:

1) для подавляющего большинства α-частиц фольга прозрачна, и они проходят сквозь нее, не изменяя своего первоначального направления;

2) наблюдаются α-частицы, рассеянные под разными углами Ɵ;

3) с увеличением угла рассеяния Ɵ число рассеянных α- частиц убывает;

4) ничтожная часть α-частиц (примерно 1 частица на 10000) отбрасывается в обратном направлении. Летящая α-частица, имеющая энергию несколько МэВ, может быть отброшена назад только при столкновении с положительно заряженной частицей большой массы. Подсчет числа таких частиц позволил определить размер этой положительно заряженной массы порядка 10

Основываясь на этом, Резерфорд в 1911 г. предложил так называе-

мую планетарную модель строения атома (рис. 1).

-13

см.

Согласно этой модели, атом как бы уподобляется Солнечной си-

стеме в микромасштабе:

 в центре атома имеется положительно заряженное ядро с заря-

дом Ze, в котором сосредоточена почти вся масса атома;

 вокруг ядра по орбитам движутся Z отрицательно заряженных

электронов;

 размеры атомного ядра намного порядков меньше размеров са-

мого атома (соответственно 10

-13

и 10-8 см). Этим и объясняется «про-

зрачность» фольги — «снаряды» пролетают через огромное (в масштабах атома) пространство между ядром и электронами.

Рис. 1. Схема опытов Резерфорда

На базе планетарной модели рассеяние α-частиц объясняется следу-

ющим образом. Если бы α-частица не взаимодействовала с ядром, она пролетела бы от него на некотором расстоянии, называемом прицельным расстоянием. Однако в результате одноименности зарядов ядро отталкивает α-частицу, которая начинает двигаться по гиперболе, отклонившись на угол Ɵ от первоначального направления. При этом влиянием электронов на траекторию α-частицы можно пренебречь, так как масса электрона очень мала по сравнению с ядрами атома гелия. Величина

угла тем больше, чем больше Z и чем меньше кинетическая энергия летящей α-частицы. Из опытов по рассеянию α-частиц Резерфордом была определена величина положительного заряда ядер Z различных химических элементов. Оказалось, что численно положительный заряд ядра равен приблизительно половине значения атомной массы рассматриваемого элемента (материал фольги). Впоследствии Чэдвик (1920 г.) усовершенствовал опыты по рассеянию α-частиц ядрами атомов различных химических элементов. На примере атомов меди, серебра и платины он показал, что заряд ядра Z численно равен порядковому номеру элемента

в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

2. СТРОЕНИЕ АТОМА ПО БОРУ

 hE

Планетарная модель Резерфорда противоречила факту устойчивого существования самих атомов с точки зрения законов классической физики. Дело в том, что движение электрона по орбите есть электрический ток, который индуцирует в пространстве электромагнитное поле. На создание последнего расходуется энергия электростатического взаимодействия электрона с ядром, в результате чего электрон должен двигаться по спирали (а не по замкнутой орбите) и в конечном счете упасть на ядро, что равносильно ликвидации атома.

Расчеты показывают, что продолжительность жизни атома в таком случае должна быть порядка 10-8 с. В действительности же атомы - исключительно устойчивые образования. Кроме того, при движении электрона по спирали энергия его должна уменьшаться непрерывно и атомный спектр должен быть также непрерывным. А опыт показывает, что все атомные спектры имеют дискретный (линейчатый) характер.

Выход из создавшегося положения был найден великим датским ученым Нильсом Бором в 1913 г. Он исходил из модели Резерфорда, опирался на учение Эйнштейна о световых квантах (1905 г.) и на квантовую теорию излучения Планка (1900 г.). Согласно последней, вещества поглощают и излучают энергию отдельными порциями - квантами. При этом энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональна частоте этого излучения ν:

, (1)

где h — постоянная Планка. Наравне со скоростью света и зарядом элек- трона постоянная Планка относится к числу фундаментальных констант природы.

Основные положения своей теории строения атома Бор сформулировал в виде постулатов. Эти постулаты накладывают определенные ограничения на разрешенные классической физикой формы движения.

Первый постулат Бора (условие квантования орбит): электрон в атоме может находиться только в стационарных или квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е, в которых атом не излучает.

Для стационарных состояний момент количества движения элек-

2

M

vrm

трона М равен целому кратному постоянной Планка:

, (2)

где n — целое число.

Первый постулат Бора находится в явном противоречии с классической физикой, согласно которой энергия движущегося электрона может принимать любые значения.

Второй постулат Бора (условие частот): при переходе из одного

стационарного состояния в другое атом испускает или поглощает квант электромагнитного излучения, частота которого определяется соотношением:

En – Em = hν. (3)

Если п > т, то атом переходит из стационарного состояния с более

высокой энергией на орбиту с меньшей энергией с выделением кванта лучистой энергии. При n < m наблюдается обратная картина с поглощением фотона. Атомы в основном (нормальном) состоянии могут только поглощать кванты света, переходя в возбужденное состояние. Возбужденный же атом может как поглощать, так и испускать фотоны. Продолжительность пребывания атома в возбужденном состоянии порядка 10-8 с.

Модели стационарных состояний соответствуют боровским или дозволенным орбитам, при движении по которым электрон не теряет энергии. Бор предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым дозволенным орбитам. Тогда можно написать:

, (4)

где то — масса электрона; v — скорость электрона; r — радиус орбиты.

Для движения электрона по окружности ему необходимо сообщать

центростремительное ускорение. Это ускорение v2/r электрону сообщает сила кулоновского взаимодействия электрона с ядром, а потому справедливо равенство:

. (5)

m 



 





 



Zev2

Zem

4



222

E 

Разделив почленно (5) на (4), получим:

, (6)

т.е. скорость и, следовательно, кинетическая энергия электрона обратно пропорциональна n. Целое число n называют главным квантовым чис- лом, и в модели атома Бора оно означает порядковый номер дозволен- ной орбиты от ядра. Из (5) и (6) получаем:

. (7)

и т.д. для атома водорода (n = 1 и Z = 1) расчеты по (7) приводят к r= 0,053 нм. Эта величина служит характеристической длиной и называется боровским радиусом. Для элемента с порядковым номером Z радиус первой орбиты будет в Z раз меньше.

вание спектра атома водорода и водородоподобных атомов. Полная энергия электрона в атоме складывается из кинетической (m0v2/2) и потенциальной (e2Z/r), или с учетом (5) получаем:

взятой с обратным знаком.

Таким образом, радиусы дозволенных орбит относятся как 12:22:3

Важнейшей заслугой теории Бора явилось количественное обосно-

. (8)

Итак, полная энергия электрона равна его кинетической энергии,

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]