Строение атома - развитие моделей

Развитие химии во второй половине XIX века происходило на прочной основе Периодического закона. Но в своем основном труде "Основы химии", выдержившем много изданий, Д.И.Менделеев писал: "Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину еще нет средства охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц". Установление физиками сложного строения атомов химических элементов, создание физической теории (квантовой механики), которая выяснила электронное строение атомов, и ядероной физики, которая объяснила строение ядер атомов, все это позволило понять причину периодического изменения свойств химических элементов, уточнить формулировку Периодического закона и структуру Периодической системы химических элементов в ее короткой и длинной формах.

Модели строения атомов в XIX и начале XX века

Химия - наука о веществах и закономерностях их превращений. Молекула - мельчайшая частица вещества, которая обладает его основными химическими свойствами, состоящая из атомов, связанных между собой химическими связями. А из чего состоят атомы? Сейчас это знают все старшеклассники. Атомы химических элементов состоят из положительно заряженного ядра и электронов. Как же наука пришла к такому выводу?

То, что тела могут приобретать положительный или отрицательный заряд в результате трения, люди узнали очень давно. Если опустить электроды, к которым приложена разность потенциалов, в раствор какой-либо соли, то через раствор может протекать электрический ток и на отрицательном электроде (катоде) будет осаждаться, например медь (если это был раствор медного купороса), а на аноде будет выделяться кислород. Законы электролиза были открыты более 150 лет назад английским ученым Майклом Фарадеем. Изучение физиками в конце прошлого века прохождения электрического тока через разреженные газы привело к открытию катодных лучей и установлению их природы: катодные лучи отклоняются в магнитном поле (потому что несут на себе отрицательный заряд) и представляют собой поток электронов. Результат воздействия катодных лучей на светящийся состав мы наблюдаем на экране телевизора. Из какого бы металла не был изготовлен катод при определенных условиях будут испускаться катодные лучи, следовательно, электроны входят в состав любых атомов. Но кусок металла обычно электронейтрален, поэтому наряду с отрицательно заряженными электронами атомы должны иметь "что-то" положительно заряженное.

Простейшая модель атома была предложена английским ученым Дж.Дж.Томсоном и напоминала сильно уменьшенную "калорийную булочку".

Предполагалось, что положительный заряд равномерно распределен по всему объему атома, а электроны подобны изюминкам, вкрапленным в тело булочки. Атом в целом является электронейтральным, так как положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга.

В 1895 г. было открыто явление радиоактивности: некоторые вещества (названные радиоактивными) способны излучать невидимые "лучи", которые обладают большой проникающей способностью и могут "засвечивать" завернутую в темную бумагу фотопластинку. Было установлено, что природа этих "лучей" у разных веществ может отличаться, и их классифицировали на a-, b- и g-лучи. Позже было установлено, что a-лучи - это ядра атомов He, b-лучи - поток электронов, а g-лучи - очень "жесткое" рентгеновское излучение. Изучая законы прохождения a-лучей через золотую фольгу (золотая фольга может быть столь тонкой, что становится прозрачной), Эрнст Резерфорд - английский ученый - на основе статистического анализа распределения двух миллионов "вспышек" (сцинцилляций) на экране, покрытом слоем ZnS, пришел к выводу, что вся масса атома, несущая положительный заряд, сосредоточена в очень малом объеме. Так было открыто наличие положительного ядра у атомов химических элементов. Электроны двигаются в пространстве вокруг ядра атома и электронная оболочка определяет пространственные размеры атомов. Иногда говорят о планетарной модели строения атома и называют ее "Моделью Резерфорда". Рассмотрим доводы "за" и "против".

По закону всемирного тяготения Ньютона на планету со стороны Солнца действует сила притяжения:

Все тела, которые не обладали орбитальной скоростью движения по отношению к Солнцу, под действием силы тяготения упали на Солнце. При возникновении Солнечной системы планеты приобрели орбитальную скорость. Если бы не было притяжения со стороны Солнца или если бы эта сила оказалась недостаточной, то планеты ушли бы из Солнечной системы. В Солнечной системе в качестве планет остались лишь те тела, для которых сила тяготения является центростремительной силой, сообщающей планете центростремительное ускорение. При этом изменяется лишь направление орбитальной скорости, а центростремительная сила не производит работы, поэтому такая система может существовать миллиарды лет.

Если теперь рассмотреть простейший одноэлектронный атом - атом водорода, то на электрон со стороны ядра действует не только гравитационная сила:

по закону всемирного притяжения масс, но и кулоновская сила:

Зная массы протона и электрона, зная заряды электрона и протона, легко сравнить эти силы. Кулоновская сила превосходит гравитационную в 1039 раз, поэтому последнюю можно не принимать во внимание. Итак, роль центростремительной силы в атоме играет кулоновская сила и "чтобы не упасть на ядро" электрон должен иметь орбитальную скорость. В отличие от планеты электрон несет чудовищный заряд (в расчете на единицу массы) и при вращении вокруг ядра создает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле. Генерируемое электроном электромагнитное поле невозможно локализовать, распространяясь в пространстве, оно будет уносить кинетическую энергию электрона и за ничтожную долю секунды электрон должен будет упасть на ядро атома ("атомная катастрофа").

Итак, Э.Резерфорд доказал существование ядра атома на основе анализа статистического распределения a-частиц после их прохождения через золотую фольгу. Как доказательство статистические закономерности использовались впервые и поэтому вызывали большие сомнения. Планетарная модель строения атома противоречила законам классической электродинамики. Нужны были новые доказательства.

В 1913 г. в лабораторию к Э.Резерфорду приехал стажер из Дании - Нильс Бор. Он ознакомился с работами Э.Резерфорда и вернулся на родину, ему попался на глаза школьный учебник физики, на обложке которого был изображен спектр атомарного водорода. Более того, школьному учителю физики Бальмеру удалось в аналитической форме выразить закономерность расположения линий в спектре атомарного водорода:

-константа Ридберга, а m - принимает значения 3, 4, 5...

Почему спектр дискретный? К этому времени ученые накопили очень большое количество зарисованных и заснятых на фотопластинку  линейчатых (атомарных) и полосатых (молекулярных) спектров, но никто не знал, как расшифровать эти спектры, какую информацию о строении атомов и молекул они несут.

Где еще ученые встречались с дискретностью? В 1900 г. немецкий ученый Макс Планк вывел формулу, для характеристики излучения абсолютно черного тела (АЧТ - тело, которое поглощает все падающие на него лучи, а все излучение, которое от него исходит, оно генерирует само). Поскольку излучение АЧТ не зависело от материала, из которого оно было сделано, то М.Планк предположил, что генерируют излучение электроны, входящие в состав любых материалов, при этом колеблющиеся с частотой n электроны могут находиться лишь в состояниях, набор которых определяет квантовое число n, принимающее целочисленные значения 1, 2, 3, 4 и т.д.:

,

Поэтому Нильс Бор предположил, что при движении электрона по орбите вокруг ядра его момент количества движения (произведение массы me на скорость v в физике называют импульсом или количеством движения, а при умножении этой величины на радиус окружности r получают момент количества движения) является величиной квантованной:

Решая совместно систему из уравнения всемирного тяготения и последнего уравнения, Н.Бор не только получил "дозволенные" орбиты для электрона в атоме водорода, но и вычислил радиусы этих орбит, орбитальную скорость электрона, потенциальную, кинетическую и полную энергии электрона на этих орбитах. Если электрон перескакивает с одной дозволенной орбиты на другую, то, например, избыток энергии он излучает в виде фотона (электромагнитной волны) с частотой n или длиной волны l=1/n. В результате Н.Бор не только вывел формулу Бальмера, но и получил выражение для константы Ридберга через фундаментальные физические константы.

Конечно, главное противоречие планетарной модели в теории Бора так и не было преодолено, но на ее сторону были привлечены очень точные для того времени спектральные данные для атомарного водорода. Исследуя спектр солнечного света, удалось найти не только линейчатый спектр атомарного водорода, но и обнаружить "смещенные" линии, которые были отнесены к изотопу водорода - дейтерию, масса ядра которого почти в два раза больше, чем у водорода, и к ионизированному гелию He+, масса которого в четыре раза больше, чем у водорода. Когда-то в споре философов о познаваемости окружающего нас мира как пример того, что человек никогда не сможет узнать, приводили качественный и количественный состав Солнца. Сейчас его ученые знают гораздо лучше, чем качественный и количественный состав Земли, особенно ее глубинных слоев - ядра.

Таким образом, переход от модели строения атома, предложенной Дж.Дж.Томсоном, к планетарной модели большой вклад внесли Э.Резерфорд и Н.Бор. Эту модель называют "Моделью Резерфорда-Бора". Попытки Н.Бора расшифровать атомные спектры многоэлектронных атомов не увенчались успехом.

 

другие статьи:

  1. Агрегатные состояние вещества
  2. Строение атома - развитие моделей
  3. Квантовая механика и строение атома водорода
  4. Электронные конфигурации атомов и периодический закон
  5. Ядра атомов. Радиоактивность и изотопы
  6. Строение молекул. Типы химической связи
  7. Квантовая механика молекул и теория химической связи. Метод молекулярных орбиталей. Теория спин-валентности
  8. Окислительно-восстановительные реакции
  9. Химическая термодинамика
  10. Химическая кинетика и катализ
  11. Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции
  12. Электрохимия. Свойства электролитов. Электролиз