§ 2.1. Теорії з будови атома

Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені в роботах російського вченого М.В.Ломоносова, французьких хіміків Лавуазьє і Пруста, англійського хіміка Дальтона і т.д. Однак до початку двадцятого століття атом вважався єдиним і неподільним. Лише тільки серія відкриттів 1896 – 1898 р. природної радіоактивності Анрі Беккерелем (1896 р. – радіоактивність урану), Марією Склодовською-Кюрі і Пьєром Кюрі дозволила змінити уявлення про неподільність атома.

Атом– це електронейтральна мікросистема, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів. Ядра атомів складаються з нуклонів: (протонів () і нейтронів ()), основні характеристики яких подано в табл.1.

Маса ядра менша за суму мас протонів і нейтронів. Ця різниця називається дефектом маси. Він характеризує стійкість атомних ядер і енергію зв'язку нуклонів у ядрі (7^.10⁶еВ), що у мільйони разів перевищує енергію зв'язку атомів у молекулі (5 еВ). Тому за хімічних реакцій ядра атомів не змінюються.

Таблиця 1

		Система СІ		Система атомних одиниць
Найменування частинки		Абсолютна маса, кг	Електричний заряд, Кл	Відносна маса, а.о.м.	Відносний заряд, а.о.з.
Електрон		9,109•10-31	1,602•10-19	0,0005486	-1
Нук- Лони	Протон	1,673•10-27	1,602•10-19	1,007277	+1
	Нейтрон	1,673•10-27	0	1,008695	0

Сукупність атомів з однаковим зарядом ядра, з певною атомною масою, називається хімічним елементом.

Кожен хімічний елемент має кілька ізотопів.

Атоми з однаковим зарядом ядра, але різними масовими числами називають ізотопами.

Крім ізотопів існують ізотони й ізобари.

Ізотони– це атоми з однаковим числом нейтронів, але різною

кількістю (тобто з різним зарядом ядра).

(=140).

Таблиця 2

Ізотопи гідрогену	Назва ізотопу			Масове число (А)
	- протон -дейтерій - тритій	1 1 1	0 1 2	1 2 3
Ізотопи карбону	карбон-12 карбон -13 карбон -14	6 6 6	6 7 8	12 13 14

Ізобари– це атоми з однаковими масовими числами, але різними атомними номерами, наприклад:

.

У період відкриття перших трьох фундаментальних частинок (е; ; ) був висунутий цілий ряд моделей будови атома.

1. 1903 р. Модель Д.Томсона, В. Томсона (модель «пудінгу з родзинками»), відповідно до якої в позитивно заряджену сферу атома вкраплені електрони:

Рис. 1

2. 1911 р. Е. Резерфорд у результаті знаменитих експериментів з розсіювання золотою фольгою α - частинок установив, що атом:

- має досить масивне позитивно заряджене ядро з дуже малими розмірами, оточене електронами;

- атом електронейтральний, тобто позитивний заряд ядра чисельно дорівнює негативному сумарному заряду електронів, що оточують це ядро;

Рис. 2

Відповідно до законів класичної механіки і електродинаміки, імовірність знаходження електрона навколо ядра повинна супроводжуватися електромагнітним випромінюванням з безупинним спектром, що суперечило відомим з 1880 р. лінійчатим спектрам газів і пару елементів. Протиріччя розв’язав учень Резерфорда Нільс Бор.

3. У 1913 р. Н. Бор розробив планетарну модель атома Гідрогена, що використовується і у наш час. Подібно Резерфорду, Бор уявляв собі атом у вигляді позитивно зарядженого ядра, оточеного електронами. Він розрахував радіуси можливих орбіт для атома Гідрогена (R₁=53пм,R₂=212пм,R₃=477пм,R₄=848пм). Цим орбітам відповідають різні енергії. Переходячи з однієї орбіти на іншу, електрони можуть здобувати або втрачати енергію. Н. Бору вдалося пояснити і розрахувати теоретично лінійчаті спектри випромінювання атомів гідрогену, а також серії ліній у рентгенівських спектрах елементів.

Рис. 3

4. У 1924 р. Луі де Бройль показав, що елементарна частинка, яка рухається з визначеною швидкістю, може розглядатися не тільки як частинка, що володіє масою спокою, але і як хвиля з визначеною частотою коливань (), задовольняючи умові рівності енергій:

,

де h=6,626 ^. 10 ^–34 Дж^. с (постійна Планка);

с=3.10 ⁸ м/с (швидкість світла);

λ=h/mc (взаємозв'язок довжини хвилі (λ) і маси частинки (m)).

Результатом робіт де Бройля, Дірака, Гейзенберга, Шредінгера та інших було створення нової фізичної теорії – КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ, яка заявила про корпускулярно-хвильовий дуалізм мікрочастинок (наприклад, електрон має масу спокою 9,109• 10^-31кг., виявляючи властивості частинки, а в досвідах по дифракції він виявляє властивості хвилі). У квантовій механіці класичне поняття «траєкторія» заміняється поняттям «хвильова функціяψ» чи «атомна орбіталь (АО)».