34. Строение атома. Модели строения атома. Энергетические уровни. Гипотезы н.Бора. Опыт Франка-Герца.

Строение атома Развитие естествознания на границе XIX-XX веков показало, что помимо химических превращений существует целый ряд процессов, в которых атомы выступают как сложные объекты, состоящие из положительно заряженной части - ядра и отрицательно заряженных электронов, суммарный заряд которых в точности компенсирует заряд ядра. В результате работ английского физика Дж. Дж. Томсона и американского физика Р.С. Малликена было установлено, что электрон имеет массу 9,1•10³¹ кг, или 1/1837 массы атома водорода, и заряд 1,6•10 ¹⁹ Кл. Основная масса атома сосредоточена в ядре, которое занимает очень малую часть его объема: диаметр ядра порядка 1СГ¹⁴ м, он составляет лишь около 10 ⁴ диаметра атома. Наглядно это соотношение размеров можно представить себе, если увеличить атом в 10¹¹ раз: тогда ядро диаметром 1 мм разместится внутри атома диаметром 10 метров!

Позднее было показано, что атомные ядра состоят из положительно заряженных частиц - протонов и незаряженных частиц - нейтронов. Протон имеет заряд, равный заряду электрона, но со знаком плюс, его масса практически равна массе нейтрона. Отметим, что в химии принято выражать заряды ионов в единицах заряда электрона с соответствующим знаком, например Н⁺, Mg²⁺, СГ.

Таким образом, число протонов в ядре определяет его заряд и порядковый номер, а сумма чисел протонов и нейтронов - округленную общую массу ядра в атомных единицах, или массовое число атома. Очевидно, что в электронейтральном атоме число протонов в атомном ядре равно числу электронов в электронной оболочке атома.

Модели строения атомов. В 1898 году Томпсон предложил свою модель – «Пудинг с изюмом». Согласно этой модели атом – сфера состоит из положительной оболочки и погруженных в ней отрицательно заряженных электронов.

В 1914 году Резерфорд публикует работу, в которой выдвигает свою новую модель строения атома. Согласно модели Резерфорда, атом – это сфера с положительным ядром. Вокруг ядра  вращаются электроны. Поэтому данную модель строения атома называют планетарной. Модель существует и по сей день. Однако предложенная модель не сопоставлялась с существующими фактами:

1. Вращаясь вокруг ядра, электрон выделяет электромагнитную энергию, вводя дисбаланс между центробежной силой и притяжения к ядру. Таким образом по теории Резерфорда движение электрона вокруг ядра приводило к падению электрона, так как он двигался по спрали.

2. В момент создания планетарной модели были открыты и описаны спектры испускания и спектры поглощения. Любое чистое вещество, нагретое до температуры плавления, начинает светится и начинает испускать спектры, которые строго специфичны для каждого вещества. Как доказывают многочисленные эксперименты, данный спектр прерывист и состоит из определенного набора излучения со своими длинами волн. По теории Резерфорда электрон, постоянно вращаясь вокруг ядра, выделяет электромагнитное излучение и спектр должен быть непрерывным.

Все это говорит о том, что классическая механика не подходит к объектам микромира Поэтому была создана квантовая механика, опирающаяся на три принципа:

1. Принцип квантования энергии

2. Корпускулярно – волновой дуализм

3. Вероятность и характерные закономерности объектов микромира.

В 1900 году Макс Планк пришел к выводу, что излучение абсолютно черного тела является не непрерывным, а состоит из дискретных порций энергии – фотонов.

Опираясь на теорию Планка, Нильс Бор совершенствует планетарную модель строения атома. Согласно Бору, атом – это сфера с положительным ядром вокруг которого по стационарным орбитам вращаются электроны. Поэтому электроны не поглощают и не выделяют энергию. Переход электрона всегда сопровождается выбросом и поглощением кванта. В нормальном состоянии электрон находится на орбите ближайшей к атомному ядру.

Достоинства теории Бора

1. Описал радиус атома водорода

2. Определил энергию его ионизации

3. Количественно описал спектр испускания электрона.

Корпускулярно-волновой дуализм. Любой объект микромира в обязательном порядке проявляет двойственность свойств. Крупс в своих опытах доказал существование корпускулярно-волнового дуализма, хотя и не знал о его существовании. В 1924 году Луи де Бройль предположил, что электроны подобно фотонам распространяются волнами. Если электрн движется по круговой орбите не как частица, а как волна, то на орбите должно быть целое число волн, то есть стоячая волна.

Это свидетельствует о том, что электрон размазан по атому и речь идет об электронном облаке.

Если электрон – это облако, то с большой долей вероятности нельзя точно определить его траекторию и импульс в данной точке облака. Это принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип связан с теорией вероятности «Электрон находиться одновременно везде и нигде».

Место наиболее вероятного нахождения электрона  называ5ется атомной орбиталью. Максимальная вероятность нахождения электрона на орбитали называется  плотность вероятности.