2. СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Открытие явления радиоактивности А. Беккерелем в 1896 г., электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 г. и последующие исследования поставили вопрос о сложном строении атома.

2.1. Модели строения атома

Опыты Э. Резерфорда – рассеивание потока α-частиц (ядра гелия) при прохождении через золотую фольгу, доказавшие существование ядра в ато-

ме, позволили ему предложить планетарную модель строения атома:

1.Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной оболочки, образованной вращающимися вокруг ядра электронами.

2.Ядро имеет малый размер и содержит практически всю массу атома.

3.Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра. Диаметр электронной оболочки атома – около 10–8 см. Диаметр ядра –

около 10–12–13 см. Атом электронейтрален: суммарный заряд электронов в атоме равен заряду его ядра, который численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе (Г. Мозли).

Эта модель строения атома объясняла многие свойства атома. Вместе с тем она имела и ряд противоречий:

1.Вращающийся вокруг ядра электрон должен потерять свою энергию и упасть на него, т. е. атом должен быть неустойчив. На самом деле он устойчив.

2.Движущийся электрон, непрерывно теряющий свою энергию в процессе движения, должен давать сплошные атомные спектры излучения. На самом деле спектры являются линейчатыми или дискретными, т. е. состоят из отдельных полос.

Таким образом, модель Э. Резерфорда оказалась во многом несостоятельной, однако при всем этом она была положена в основу современной модели строения атома.

Противоречия планетарной модели строения атома Резерфорда были объяснены Н. Бором в 1913 г. Они базировались на квантовой теории света, предложенной М. Планком в 1890 г., и на законах классической механики, а именно:

на постулате М. Планка – лучистая энергия испускается или поглощается телами дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами;

на принципе А. Эйнштейна (1905 г.) – световая энергия существует только в форме квантов (фотонов).

Эти представления, а также установленный факт дискретности энергии электрона в атоме (Дж. Франк, Г. Герц, 1912 г.) позволили Н. Бору предложить свою модель атома, получившую название квантовой модели строе-

ния атома:

1.В центре атома находится положительно заряженное ядро.

2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.1.Модели строения атома

2.Вокруг ядра вращаются электроны по определенным стационарным орбитам.

3.Двигаясь по своей орбите, электрон не излучает и не поглощает электромагнитную энергию.

4.Излучение или поглощение энергии происходит при скачкообразном переходе электрона с одной орбиты на другую с испусканием или поглощением кванта света, энергия которого равна разности энергий электрона в начальном и конечном состоянии:

Е= hν,

где Е – разность энергий в начальном (основном) и конечном (возбужденном) состояниях электрона; h – постоянная Планка; ν – частота световой волны.

Предложенная модель строения атома позволила Н. Бору описать поведение электрона в атоме водорода и предсказать полный спектр его излучения (поглощения). Вместе с тем она содержала и ряд недостатков:

1.Постулаты Н. Бора противоречили законам механики, но сами законы использовались при расчетах.

2.Не объяснялся способ перехода электрона с одной орбиты на другую

иего промежуточное состояние в процессе перехода.

3.Не объяснялась различная интенсивность линий атомных спектров. Данная модель была шагом вперед по сравнению с моделью Резерфор-

да, но и она была несовершенна, т. к. механически переносила представления макромира в микромир.

В настоящее время для описания явлений микромира служит квантовая механика. Рассмотрим ее основные принципы, положенные в основу современной модели строения атома.

2.2. Двойственная природа электрона

Дальнейшее развитие теории строения атома связано с квантовой ме-

ханикой. Было установлено, что фотон света обладает двойственной кор-

пускулярно-волновой природой. Это означает, что он является частицей (корпускулой), т. к. производит давление, не способен дробиться, может выбивать электрон из атома элемента.

В то же время фотон обладает волновыми свойствами, на что указывает волновой характер распространения света и явления интерференции и дифракции. Фотон не имеет точного положения в пространстве.

Двойственная корпускулярно-волновая природа фотона описывается следующими уравнениями:

Энергия Е фотона как частицы связана с его массой m и скоростью света с уравнением А. Эйнштейна:

E = mc2,

2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.2.Двойственная природа электрона

аэнергия фотона как волны может быть рассчитана по уравнению М. Планка, учитывающему частоту световой волны ν:

Е = hν,

где h − постоянная Планка, h = 6,626 · 10–34 Дж с.

В 1924 г. Луи де Бройль, используя уравнения А. Эйнштейна и М. Планка, предположил наличие корпускулярно-волновой двойственности у электрона, что было отражено в уравнении де Бройля.

Поскольку корпускулярные свойства фотона выражены уравнением А. Эйнштейна, а волновые свойства – уравнением М. Планка, то из этих уравнений следует:

mc2 = hλc , где ν = λс ,

откуда

λ = mch ,

или

λ = mvh ,

где v – скорость движения любой микрочастицы; λ – длина световой волны. Поскольку произведение массы тела со скоростью его движения Р = mv называется импульсом частицы Р, то уравнение де Бройля можно записать в

следующем виде:

λ = Ph .

Двойственная природа электрона в 1927 г. была подтверждена экспериментально учеными США, Англии и СССР независимо друг от друга. Было обнаружено, что электроны обладают не только массой и зарядом, но также дифракцией и интерференцией.

В 1926 г. Э. Шредингер предположил, что состояние электрона в атоме описывается уравнением стоячей электромагнитной волны, и получил уравнение, связывающее энергию электрона с его волновым движением, с пространственными координатами волновой функции ψ, которая соответствует амплитуде трехмерного волнового процесса. В квантово-механической фор-

ме волновое уравнение Шредингера для атома водорода имеет вид

2.СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

2.2.Двойственная природа электрона

где Н – функция Гамильтона, характеризующая определенный способ выражения общей энергии системы; h – постоянная Планка; m – масса электрона; ∂x, ∂y, ∂z – изменение координат положения электрона в пространстве;

е – заряд электрона; r – радиус орбиты движения электрона; Е − полная энергия электрона для любого заданного значения волновой функции ψ.

Часто используют упрощенную форму уравнения Шредингера:

Нψ = Еψ.

Решения уравнения дают вероятность нахождения электрона в той или иной области пространства вокруг ядра атома и никак не связывают эту вероятность с траекторией движения электрона.

Волновые функции ψ, являющиеся решением волнового уравнения Шредингера, получили названия орбиталей, которые описывают пространственное распределение электронной плотности вокруг ядра. Различают несколько видов орбиталей: s-, p-, d-, f-…

В это же время В. Гейзенберг для объяснения двойственной природы электрона предложил принцип неопределенности: нельзя с одинаковой точностью определить координату частицы ( х) и ее импульс ( mvx), т. е. невозможно точно указать положение электрона в пространстве в каждый момент времени, можно лишь говорить о некоторой вероятности пребывания его около ядра, которая пропорциональна квадрату абсолютного

значения волновой функции Ψ 2 . Математически принцип Гейзенберга можно представить в виде уравнения

h x (mvx) ≥ 2π .

Часто говорят об электроне, как о размытом в пространстве облаке отрицательного заряда, хотя физически эта модель несовершенна.

2.3. Атомное ядро. Изотопы, изобары

Известно, что радиус атома составляет примерно 10–8 см, радиус ядра – 10–13 см. Сопоставим на примере атома водорода, имеющего только один электрон, массы атома водорода mH и электрона mē: