8. Строение атома. Квантовые числа. Принципы наименьшей энергии. Правило Клечковского, принцип Паули, правило Хунда. Составление электронных формул.

Факторы, свидетельствующие о сложном строении атома:

1.Открытие катодного излучения. Томсон, 1897г.

2.Открытие явления термо- и фото- электронной эмиссии (Ричардсон 1896г.)

3.Открытие рентгеновского излучения (Рентген, 1895г.)

4.Открытие явления радиоактивности (Беккерель, Кюри 1896-1898гг)

Эти открытия не оставляли больше сомнений в том, что атомы химических элементов имеют сложную структуру, поэтому вслед за этими открытиями появились различные модели строения атомов:

В 1903 году, вскоре после открытия электрона, английский физик Джозеф Джон Томсонпредложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром около 10^-10метра, внутрь которой вкраплены электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом сферы. Когда электроны колеблются относительно центра сферы, атом излучает свет. Томсон считал, что электроны группируются в слои вокруг центра сферы.

В модели предложенной Томсоном, масса атома равномерно распределена по его объему. Ошибочность такого предположения вскоре показал английский физик Эрнест Резерфорд.В 1908 - 1911 годах под его руководством были выполнены опыты по рассеянию альфа-частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Эти опыты убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объёме - атомном ядре, диаметр которого примерно в 10 000 раз меньше диаметра атома. Большинство альфа-частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение альфа-частицы с ядром, и тогда она может отразиться назад.

Опыты Резерфорда послужили основой для создания ядерной модели атома. Эта модель определяет наши сегодняшние представления об устройстве атомов. В центре атома находится атомное ядро (его размеры порядка 10^-14метра); весь остальной объём атома "представлен" электронами. Внутри ядра электронов нет (это стало ясно в начале 30-х гг.); ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов равно числу протонов в ядре; это есть атомный номер данного химического элемента (его порядковый номер в периодической системе). Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны в разной степени связаны с ядром; некоторые из них атом может легко потерять, превращаясь при этом в положительный ион.

Строение атома по Бору (1913):

Основные положения своей теории Бор изложил в виде постулатов выходящих за рамки классической физики.

Постулаты Бора:

1.Электрон может вращаться вокруг ядра по строго определенным орбитам.

2.Двигаясь по стационарной орбите электрон, не поглощает и не излучает энергию.

3.Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной орбиты на другую, при этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергии в конечном и начальном состоянии.

Е=Е₂-Е₁

Чем дальше электрон от ядра, тем больше запас его энергии, поэтому при переходе электрона с более далекой орбиты, на более близкую испускается квант энергии. Если же электрон переходит с более близкой на более далекую орбиту, то квант энергии поглощается.

Принимая во внимания уравнения Планка:

E=hν

где h-постоянная Планка; ν- частота электромагнитного колебания

Получаем hν=Е₂-Е₁

Последнее уравнение объясняет линейчатость атомных спектров. Оно позволяет вычислить частоты или длины волн излучения, поглаемого или излучаемого атома, т.е. рассчитать спектр атома. Т.о. теория Бора объяснила физическую сущность атомных спектров, как результат перескока электронов с одних орбит на другие.

Дальнейшее развитие теории Бора было дано Зоммерфельдом (1916)

1.В электроны слоях может быть различное количество электронов.

2. В формы орбит могут быть не только сферические, но и вытянутые эллипсоидные.

3. Большая полуось эллипса квантуется малой полуосью, т.е. малая полуось в большой укладывается в целое число раз.

Теория Бора-Зоммерфельда показала, что нельзя автоматически распространять законы природы, справедливые для больших тел (объектов макромира на ничтожно малые объекты микромира)

Недостатки модели:

1. Не давала совпадения экспериментальных и расчетных данных для многоэлектронных атомов.

2. Не объясняла природы химической связи.

3. Не объясняла причин различной интенсивности.