2.2. Развитие представлений о строении атома

До конца 19 века большинство учёных представляло атом как неразложимую и неделимую частицу элемента – "конечный узел" материи. Считалось также, что атомы неизменны: атом данного элемента ни при каких условиях не может превращаться в атом какого – либо другого элемента.

Конец 19 и начало 20 веков характеризуется новыми открытиями в физике и химии, изменившими взгляд на атом, как на неизменимую частицу, свидетельствовавшими о сложном составе атомов и о возможности их взаимопревращений.

Сюда относится, прежде всего, открытие электрона английским физиком Томсоном в 1897 г., открытие и изучение радиоактивности в конце 90 – х годов 19 в. А. Беккерелем, Марией и Пьером Кюри, Э. Резерфордом.

Примерно в начале ХХ в. исследования ряда явлений (излучений раскалённых тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать только определённые значения, которые являются кратными числами квантов.

Предположение о квантовой энергии впервые было высказано М. Планком (1900). Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения ν:

Е=h·ν,

где h– постоянная Планка (6,626 10^-34Джс), ν=, с – скорость света,– длина волны.

В 1905 г. А. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную природу.

В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящего из тяжёлого ядра, вокруг которого двигаются по орбитали электроны, подобно планетам солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро.

Датский учёный Н. Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил первую квантовую модель (1913г.) строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешённым орбитам, на которых электрон обладает определёнными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значения квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уровня на другой. Она не только объяснила физическую природу атомных спектров как результат перехода электронов с одних стационарных орбит на другие, но и впервые позволила рассчитывать спектры. Расчёт спектра простейшего атома – атома водорода, выполненный Бором, дал блестящие результаты: вычисленное положение спектральных линий в видимой части спектра совпало с их действительным местоположением в спектре. Но теория Бора не смогла объяснить поведение электрона в магнитном поле и все атомные спектральные линии, оказалась непригодной для многоэлектронных атомов. Возникла необходимость в новой модели атома, основанной на открытиях в микромире.

2.3. Квантово – механическая модель атома водорода. Исходные представления квантовой механики

В 1924г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон, как и другие микрочастицы, характеризуется корпускулярно – волновым дуализмом. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны (λ) электрона или любой другой частицы с массой (m) и скоростью (v):

λ=h/(mv).

Волны частиц материи де Бройль назвал материальными волнами. Они свойственны всем частицам или телам, но, как следует из уравнения, для макротел длина волны настолько мала, что в настоящее время не может быть обнаружена. Так, для тела с массой 1000 кг, двигающегося со скоростью 108 км/ч (30 м/с), λ=2,21 10^-38 м.

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерференционного эффектов потока электронов. В настоящее время дифракция потоков электронов, нейтронов, протонов широко используется для изучения структуры веществ.

В 1927 г. В. Гейзенберг (Германия) постулировал принцип неопределённости, согласно которому положение и импульс движения субатомной частицы (микрочастицы) принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. В каждый момент времени можно определить только лишь одно из этих свойств. Э. Шредингер (Австрия) в 1926 г. вывел математическое описание поведения электрона в атоме. Сущность его заключается в том, что движение электронов в атоме описывается волновым уравнением, а определение местоположения электрона производится по вероятностным принципам. Уравнение Шредингера, являющееся основой современной квантово–механической теории строения атома, имеет вид (в простейшем случае):

– (++) +U=E,

где h– постоянная Планка;m– масса частицы;U– потенциальная энергия; Е – полная энергия;x,y,z– координаты; ψ – волновая функция.

Для характеристики состояния электрона особо важное значение имеет волновая функция ψ. Определённый физический смысл имеет её квадрат – ψ². Величина ψ²dv выражает вероятность нахождения электрона в объёме пространства dv, окружающего атомное ядро. В настоящее время уравнение имеет точное решение только для водорода и водородоподобных частиц Не⁺, Li₂⁺, т.е. для одноэлектронных частиц. Решение этого уравнения –задача сложная и рассмотрение её выходит за рамки данного курса.

Работы Планка, Эйнштейна, Бора, де Бройля, Гейзенберга, Шредингера заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц. Она основывается на представлении о квантовой энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.