Первую модель атома предложил – 5. Кратко опишите первые модели атома, предложенные Дж.Томсоном и э.Резерфордом. Какие факты указывали на противоречивость каждой модели?

Содержание

Планетарная модель атома — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 декабря 2018; проверки требуют 4 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 декабря 2018; проверки требуют 4 правки. Планетарная модель атома: ядро (красное) и электроны (зелёные)

Планета́рная моде́ль а́тома, или модель атома Резерфо́рда, — исторически важная модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в классической статье[1], опубликованной в 1911 г. на основании анализа и статистической обработки результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 г.

В этой модели Резерфорд описывает строение атома состоящим из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантовомеханическое описание.

Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели пудинга с изюмом» Томсона, которая предполагает, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома с распределённым по всему объёму атома положительным зарядом, подобно изюминкам в пудинге.

Схема модели атома Томсона. В модели Томсона «корпускулы» (электроны) расположены внутри облака положительного заряда, а не вокруг положительно заряженного ядра.

К 1904 году японский физик Нагаока разработал раннюю, как оказалось впоследствии, ошибочную «планетарную модель» атома («атом типа Сатурна»)[2]. Модель была построена на аналогии с расчётами устойчивости колец Сатурна (кольца уравновешены из-за очень большой массы планеты). Модель Нагаоки была неверна, но два следствия из неё оказались пророческими:

Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году на основе анализа экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в золотой фольге, проведённых в 1909 г. под его руководством[1].

При этом рассеянии большое, неожиданно статистически необъяснимое, количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры, в нём сосредоточен значительный электрический заряд и масса атома.

Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10−10 м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером. Этот вывод был сделан позже. А сам Резерфорд предположил, что заряд ядра пропорционален атомной массе. Связь электрического заряда ядра с атомным номером химического элемента установил Генри Мозли в экспериментах, выполненных в 1913 г.

Недостатком планетарной модели была невозможность объяснения ею устойчивости атомов. Из классической электродинамики следует, что так как электроны движутся вокруг ядра, испытывая при этом центростремительное ускорение как планеты вокруг Солнца, то они по законам классической электродинамики должны излучать электромагнитные волны, теряя при этом на излучение кинетическую энергию орбитального движения и в результате «упасть» на ядро. Расчёты, выполненные с помощью методов классической электродинамики показывают, что электроны должны «упасть» на ядро за время порядка 10−11 с.

Это противоречие было снято последующим развитием планетарной модели в модели атома Бора, постулирующая другие, отличные от классических законы орбитального движения электронов на основе волн де Бройля. Полностью противоречащие эксперименту выводы классической электродинамики смогло объяснить развитие квантовой механики.

Атом — Википедия

Сравнительный размер атома гелия и его ядра

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый

[1], неразрезаемый[2]») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1][3].

Атомы состоят из ядра и электронов (точнее электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом[1]. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам[3][4].

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Z×e) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер

[5].

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.

На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

  • Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.[6]
  • Модель атома Томсона 1904 г. (модель «Пудинг с изюмом»). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
  • Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
  • Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[7] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Необходимость введения постулатов Бора была следствием осознания того, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

Квантово-механическая модель атома[править | править код]

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 112 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

Субатомные частицы[править | править код]

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11⋅10−31кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[8] Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10−18 м[9][10].

Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726⋅10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749⋅10−27

кг).[11]

При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5⋅10−15м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[12]

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +23 или (−13) элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[13][14]

Электроны в атоме[править | править код]

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон в атоме может перейти на уровень с большей энергией при столкновении данного атома с другим атомом, электроном, ионом, или же поглотив фотон соответствующей энергии. При переходе на более низкий уровень электрон отдаёт энергию путём излучения фотона, либо путём передачи энергии другому электрону (безызлучательный переход, удары второго рода). Как и в случае поглощения, при излучательном переходе энергия фотона равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). Частота испускаемого излучения ν связана с энергией фотона E соотношением E = hν, где h — постоянная Планка.

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий).[15] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом оганесона, в ядре которого 118 протонов.[16] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.[17][18]

Масса[править | править код]

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 112 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66⋅10−24 г.[19]Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м.[20] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы[21] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208[17] с массой 207,9766521 а. е. м.[22]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022⋅1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.[19]

Размер[править | править код]

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами одинаковых атомов, которые образовали химическую связь (ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (радиус атома). Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.[23] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо.[24] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).[25] Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода.[26] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2⋅1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода.[27] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода.[28] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.[29]

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.[30]

Радиоактивный распад[править | править код]

Диаграмма времени полураспада (T½) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм[31]).

Существуют три основные формы радиоактивного распада[32][33]:

  • Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
  • Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, во втором случае на протон, позитрон и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу. К бета-распаду относят и обратный процесс — электронный захват, когда один из протонов атомного ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино.
  • Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа.[31]

Магнитный момент[править | править код]

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством, известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной (ℏ{\displaystyle \hbar }), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин, равный ½ ℏ{\displaystyle \hbar }. В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину.[34]

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — в состоянии со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.[35]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.[35][36]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии.[37][38]

Энергетические уровни[править | править код]

Электрон в атоме находится в связанном состоянии; находясь на возбуждённом уровне, он обладает потенциальной энергией, которая пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ), и максимальное её значение равно энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). По мере перехода электрона (в атоме) на более низкие уровни потенциальная энергия уменьшается, но превращается не в кинетическую, а в энергию излучаемых фотонов. Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным (потенциальная энергия равна нулю — электрон глубже падать уже не может), а все остальные — возбуждёнными.[39]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Эту энергию можно сообщить атому путём удара другой частицей либо путём поглощения или, соответственно, испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Частота испускаемого излучения пропорциональна энергии фотона, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра.[40] Каждый химический элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов.[41]

\hbar Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно возвращаются на уровень, лежащий ниже по шкале энергии, снова испуская фотоны. Испущенные фотоны излучаются не в том направлении, в каком падал поглощённый, а произвольно в телесном угле 4 пи стерадиан. В результате в непрерывном спектре появляются участки с очень низким уровнем излучения, то есть темные линии поглощения. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных линий и полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём.[42]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона.[43]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена — Бака).[44] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.[45]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот.[46]

Валентность[править | править код]

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.[47]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы. Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.[48][49]

Дисперсионное притяжение[править | править код]

Важным свойством атома является его склонность к дисперсионному притяжению. Происхождение дисперсионных сил было объяснено в 1930 году Ф. Лондоном. Межатомное взаимодействие возникает вследствие флуктуаций заряда в двух атомах, находящихся близко друг от друга. Поскольку электроны движутся, каждый атом обладает мгновенным дипольным моментом, отличным от нуля. Если бы флуктуации электронной плотности в двух атомах были бы несогласованными, то не было бы результирующего притяжения между атомами. Однако мгновенный диполь на одном атоме наводит противоположно направленный диполь в соседнем атоме. Эти диполи притягиваются друг к другу за счёт возникновения силы притяжения, которая называется дисперсионной силой, или силой Лондона. Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости атома α и обратно пропорциональна r6, где r — расстояние между двумя атомами.[50]

Деформационная поляризация атома[править | править код]

Деформационная поляризация проявляется в присущей атомам способности к упругой деформации их электронных оболочек под действием электромагнитных полей. Сегодняшнее понимание явления деформационной поляризации основано на представлениях о конечной упругости электронных оболочек атомов под действием электрического поля[51]. Снятие внешнего электрического поля приводит к восстановлению электронной оболочки атома.

Деформация электронной оболочки атома приводит к смещению электронной плотности в атоме, что сопровождается образованием наведённого электрического дипольного момента μ. Дипольный момент равен произведению величины положительного заряда q на расстояние между зарядами L и направлен от отрицательного заряда к положительному μ=qL. В относительно слабых электрических полях наведённый дипольный момент пропорционален напряжённости электрического поля E. μ =αeE, где αe — электронная поляризуемость атома. Наибольшее значение электронной поляризуемости наблюдается у атомов щелочных металлов, а минимальное у атомов благородных газов.

Ионизация атома[править | править код]

При высоких значениях напряжённости приложенного электрического поля наблюдается необратимая деформация атома, сопровождающаяся отрывом электрона.

Происходит ионизация атома, атом отдаёт электрон и превращается в положительно заряженный ион — катион. Отрыв электрона от атома требует затраты энергии, называемой потенциалом ионизации или энергией ионизации.

Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Изменение энергии отрыва первого электрона в зависимости от порядкового номера элемента приведено на рисунке.

Наименьшей энергией ионизации обладают атомы щелочных металлов, наибольшей — атомы благородных газов.

Для многоэлектронных атомов энергия ионизации I1, I2, I3… соответствует отрыву первого, второго, третьего и т. д. электронов.

Взаимодействие атома с электроном[править | править код]

Атомы могут, в той или иной степени, присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион — анион.

Энергетический эффект процесса присоединения к нейтральному атому (Э) принято называть энергией сродства к электрону. Э + e- → Э-

На рисунке представлена зависимость энергии сродства к электрону атомов от порядкового номера элемента. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (3-4 эВ):

Атом Энергия сродства к электрону, эВ[52]
F 3,62 ± 0,09
Cl 3,82 ± 0,06
Br 3,54 ± 0,06
I 3,23 ± 0,06

Электроотрицательность атома (χ) — фундаментальное свойство атома смещать к себе общие электронные пары в молекуле. Способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений (по Малликену) электроотрицательность атома (χ) может быть выражена как полусумма его энергии ионизации (i) и сродства к электрону (F):

χ=12(i+F){\displaystyle \chi ={\frac {1}{2}}(i+F)}

Имеется около двадцати шкал электроотрицательности атома, в основу расчёта значений которых положены различные свойства веществ. Полученные значения разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково.

Детальный поиск взаимосвязи между шкалами электроотрицательности позволил сформулировать новый подход к выбору практической шкалы электроотрицательностей атомов[53].

Модель атома Томсона — Википедия

Схематическое представление модели Томсона. В математической модели Томсона «корпускулы» (электроны) были расположены не случайно, а во вращающихся кольцах.

Моде́ль То́мсона (иногда также называемая «пу́динговая модель а́тома») — модель атома, предложенная в 1904 году Джозефом Джоном Томсоном[1]. Вскоре после открытия электрона, но ещё до открытия атомного ядра, модель попыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: что электроны являются отрицательно заряженными частицами и что атомы не имеют чистого электрического заряда. Модель пудинга с изюмом имеет электроны, окруженные объёмом положительного заряда, подобно отрицательно заряженным «изюминкам», встроенным в положительно заряженный «пудинг».

В этой модели было известно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов. Хотя Томсон назвал их «корпускулами», их чаще называли «электронами», которые Дж. Дж. Стони предложил в качестве «фундаментальной единицы количества электричества» в 1891 году[2]. В то время было известно, что атомы не имеют чистого электрического заряда. Чтобы объяснить это, Томсон знал, что атомы также должны иметь источник положительного заряда, чтобы уравновесить отрицательный заряд электронов. После открытия им в 1897 году электрона, Томсон построил модель атома для объяснения установленных в то время экспериментальных фактов:

  • атомы электрически нейтральны и любые атомы независимо от их природы содержат электроны;
  • электроны являются лёгкими относительно масс атомов отрицательно заряженными корпускулами с малым и равным зарядом;
  • при возбуждении атомов они излучают только на определённых частотах, порождая линейчатые оптические спектры.

В статье[3], опубликованной в марте 1904 г. в журнале Philosophical Magazine Томсон рассмотрел три правдоподобных варианта возможного строения атома, объясняющие его электронейтральность и другие свойства:

  • Каждый отрицательно заряженный электрон спарен с гипотетической положительно заряженной частицей, и эта пара блуждает внутри атома.
  • Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг сосредоточенной в центре атома области положительного заряда, равного по абсолютной величине суммарному заряду всех электронов атома.
  • Электроны погружены в сферическое облако положительного заряда с равной везде плотностью заряда внутри этой сферы, где могут свободно двигаться.

Томсон в этой статье предположил, что наиболее вероятно строение атома по третьей модели. В этой же статье Томсон отвергает ранее предложенную им «вихревую» модель строения атома. Томсон называет электроны «заряженными корпускулами», хотя ещё в 1894 году Дж. Дж. Стоуни в статье, опубликованной в этом же журнале, предложил называть «атомы электричества» электронами[4].

Томсон писал:

…атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд…

Выдвинув пудинговая модель атома, Томсон отказался от своей более ранней гипотезы «туманного атома» (nebular atom) 1890 года, основанной на атомной теории вихрей, в которой атомы состояли из нематериальных вихрей. Он предположил, что между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов, есть сходство[5]. Теперь, по крайней мере, часть атома состояла из микроскопических отрицательно заряженных корпускул Томсона, хотя остальная положительно заряженная часть атома по-прежнему оставалась довольно туманной и плохо определённой. Будучи проницательным и практичным ученым, Томсон основывал свою атомную модель на известных экспериментальных данных того времени. Его предложение о положительном объемном заряде отражает природу его научного подхода к открытию, которое должно было предложить идеи для будущих экспериментов.

Атом, по Томсону, состоит из электронов, помещённых в положительно заряженный «суп», компенсирующий электрически отрицательные заряды электронов, образно — подобно отрицательно заряженным «изюминкам» в положительно заряженном «пудинге». Электроны, как предполагалось, были распределены по объёму всего атома. Рассматривалось несколько вариантов возможного расположения электронов внутри атома, в частности, группировка электронов в виде вращающихся колец. В некоторых вариантах модели вместо равномерно заряженного облака предлагалось «облако» со сферически симметричным зарядом с переменной плотностью.

Согласно этой модели, электроны могли свободно вращаться в капле или облаке такой положительно заряженной субстанции. Их орбиты стабилизировались внутри атома тем, что при удалении электрона от центра положительно заряженного облака, он испытывает увеличение силы притяжения к центру облака, возвращающей его обратно, поскольку внутри его орбиты было больше вещества противоположного заряда, чем снаружи (по электростатической теореме Гаусса) и сила притяжения к центру равномерно заряженного сферического облака прямо пропорциональна расстоянию до его центра.

В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцевым орбитам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами, а линейчатые спектры объясняли разницей энергий при движении по разным кольцевым орбитам.

Томсон позднее пытался объяснить с помощью своей модели яркие спектральные линии некоторых химических элементов, но не особо в этом преуспел.

Тем не менее, модель Томсона (также как подобная модель сатурнианских колец для электронов атомов, которую выдвинул тоже в 1904 году Нагаока, по аналогии с моделью колец Сатурна Джеймса Клерка Максвелла) стала ранним предвестником более поздней и более успешной модели Бора, представляющей атом как подобие Солнечной системы.

Классическая электростатическая обработка электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками, также аналогична их обработке в пудинговой модели[6][7].

Модель Томсона сравнивали (но не он сам) с британским десертом, — пудингом с изюмом, отсюда пошло название этой модели.

Экспериментальное опровержение модели Томсона[править | править код]

Модель атома Томсона 1904 года была опровергнута в эксперименте по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге в 1909 году, который был проанализирован Эрнестом Резерфордом в 1911 году[8][9], предположившим, что в атоме есть очень малое ядро, содержащее очень большой положительный заряд (в случае золота, достаточный, чтобы компенсировать заряд около 100 электронов), что привело к созданию планетарной модели атома Резерфорда. Хотя атомный номер золота равен 79, сразу же после появления статьи Резерфорда в 1911 году[10][11]Антониус Ван ден Брук выдвинул интуитивное предположение, что атомный номер и является зарядом ядра, выраженном в единицах элементарного заряда.

Для подтверждения этой гипотезы требовался эксперимент. В 1913 году Генри Мозли экспериментально показал (см. Закон Мозли), что заряд ядра в элементарных зарядах очень близок к атомному номеру (экспериментальное отклонение, обнаруженное Мозли, была не больше единицы), причём Мозли ссылался только на работы Ван ден Брука и Резерфорда. Эта работа в итоге привела к созданию в том же году модели атома Бора, похожей на Солнечную систему (но с квантовыми ограничениями), в которой ядро, имеющее положительный заряд, равный атомному номеру, окружено равным числом электронов в орбитальных слоях.

При рассмотрении модели Томсона была сформулирована до сих пор нерешённая проблема математической физики — нахождения конфигурации многих зарядов с наименьшей потенциальной энергией на сфере — проблема Томсона[12].

  1. ↑ Plum Pudding Model, Universe Today (27 августа 2009). Дата обращения 19 декабря 2015.
  2. O'Hara, J. G. George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron (англ.) // Notes and Records of the Royal Society of London (англ.)русск. : journal. — Royal Society, 1975. — March (vol. 29, no. 2). — P. 265—276. — DOI:10.1098/rsnr.1975.0018.
  3. J. J. Thomson. On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure (англ.) // Philosophical Magazine Series 6 : journal. — 1904. — Vol. 7, no. 39. — P. 237. — DOI:10.1080/14786440409463107.
  4. G. J. Stoney,. Of the "Electron" or Atom of Electricity (неопр.) // Philosophical Magazine, Series 5. — 1894. — Т. 38. — С. 418—420.
  5. Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century (англ.). — Reprint. — Princeton University Press, 2002. — ISBN 978-0691095523.
  6. Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. Many-electron artificial atoms (англ.) // Physical Review B : journal. — 1999. — Vol. 59, no. 20. — P. 13036—13042. — DOI:10.1103/PhysRevB.59.13036. — Bibcode: 1999PhRvB..5913036B.
  7. LaFave, T., Jr. Correspondences between the classical electrostatic Thomson problem and atomic electronic structure (англ.) // J. Electrostatics : journal. — 2013. — Vol. 71, no. 6. — P. 1029—1035. — DOI:10.1016/j.elstat.2013.10.001. — arXiv:1403.2591.
  8. Joseph A. Angelo. Nuclear Technology (неопр.). — Greenwood Publishing Group, 2004. — ISBN 1-57356-336-6.
  9. Akhlesh Lakhtakia (Ed.). Models and Modelers of Hydrogen (неопр.). — World Scientific, 1996. — ISBN 981-02-2302-1.
  10. Angelo, Joseph A. Nuclear Technology (неопр.). — Greenwood Publishing, 2004. — С. 110. — ISBN 978-1-57356-336-9.
  11. Salpeter, Edwin E. Models and Modelers of Hydrogen (неопр.) / Lakhtakia, Akhlesh. — World Scientific, 1996. — Т. 65. — С. 933—934. — ISBN 978-981-02-2302-1. — DOI:10.1119/1.18691.
  12. Levin, Y.; Arenzon, J. J. Why charges go to the Surface: A generalized Thomson Problem (англ.) // Europhys. Lett. (англ.)русск. : journal. — 2003. — Vol. 63. — P. 415—418. — DOI:10.1209/epl/i2003-00546-1. — Bibcode: 2003EL.....63..415L. — arXiv:cond-mat/0302524.

3. Первые модели атома

До конца 19 века в науке господствовало убеждение, что все физические тела состоят из очень маленьких частиц - молекул, невидимых глазу, но доступных наблюдению в мощный микроскоп. Однако сами молекулы состоят из еще более мелких частиц - атомов. Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы, считалось в науке прошлых столетий, - это последний предел делимости вещества. Они представляют собой простейшие, мельчайшие и неделимые частицы, которые лежат в основе любого физического тела. Кроме того, если они неделимы, значит также постоянны и неизменны. Само вещество может меняться или превращаться как угодно благодаря всевозможным атомным взаимодействиям. Сами же атомы пребывают всегда в одном и том же состоянии. Будучи неделимой вечной мировой основой, они не могут распадаться на части, рождаться, исчезать, переходить в другие формы и т.д. Слово «атом», которое переводится с греческого как неделимый, было впервые употреблено древним философом Демокритом. Его идеи об атомах как последнем пределе вещества с небольшими изменениями существовали более двух тысяч лет. Они легли в основу механицизма классического естествознания, были в нем развиты и продолжены. В конце 19 века эти представления доживали свои последние дни. Открытия в физике, сделанные на рубеже 19 и 20 столетий разрушили многовековые представления об атомах, произвели настоящую революцию в науке.

В самом конце 19 века английский физик Джон Томсон открыл существование в атоме отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение, что помимо электронов в нем существуют также положительно заряженные частицы. Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда привели его к выводу о том, что в любом атоме существует ядро - положительно заряженная частица, размер которой (10-12 см или одна стомиллиардная часть миллиметра) очень мал по сравнению с размерами всего атома (10-8 см или одна десятимиллионная часть миллиметра). Ядро меньше атома в 10 000 раз, но в нем почти полностью сосредоточена вся атомная масса. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут самопроизвольно превращаться в атомы других в результате ядерных излучений. Это явление, впервые открытое французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получило название радиоактивности (лат. radiare - испускать лучи и activus - деятельный).

Эти открытия убедительно показали, что атомы - это не простейшие, неделимые и неизменные частицы вещества, а сложные, делимые и способные к превращению микрообъекты, имеющие определенное устройство. Одним из первых попытался выяснить строение атома Томсон. С его точки зрения атом представляет собой положительно заряженную массу, в которую вкраплены электроны, подобно тому, как изюм вкраплен в булку. Причем положительный заряд атома равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, в силу чего атом электрически нейтрален. Здесь необходимо сказать, что поскольку атом вследствие своих малых размеров (приблизительно одна десятимиллионная часть миллиметра) недоступен никакому непосредственному наблюдению (даже с помощью сложнейших приборов), то о его устройстве можно говорить только умозрительно. Умозрительная картина или модель атома, описывающая его структуру (строение), предложенная Томсоном, стала условно называться “булка с изюмом”.

Другую модель атома построил Резерфорд. Она получила название планетарной. Нам хорошо известно, что наша Солнечная система состоит из огромного центра - Солнца и вращающихся на разных расстояниях вокруг него девяти планет, одной из которых является наша Земля. Причем размеры и масса каждой планеты ничтожно малы по сравнению с размером и массой Солнца, то есть, почти все вещество Солнечной системы сосредоточено в нем. Между Солнцем и планетами действуют силы тяготения (взаимного притяжения), хорошо известные ньютоновской механике. Эти силы обеспечивают равномерное и стройное движение планет вокруг общего центра. Резерфорд предположил, что строение атома сходно с устройством Солнечной системы: в центре его находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным круговым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы: положительный заряд атомного ядра уравновешивается суммой зарядов электронов, и поэтому атом электрически нейтрален. У Резерфорда получилось, что каждый атом - это целый сложно устроенный мир, только очень малых размеров. По этому поводу русский поэт Валерий Брюсов написал такие стихи:

Быть может эти электроны -

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом -

Вселенная, где сто планет;

Там все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то - чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Модель атома Резерфорда наглядно описывала его строение. Однако впоследствии она столкнулась со множеством противоречий, и стало понятно, что она не совсем подходит для объяснения атомного устройства. Согласно одному из законов диалектики – перехода количественных изменений в качественные – при значительном изменении масштабов (увеличении или уменьшении) изучаемых нами объектов, принципы и законы, действующие в одних условиях, могут совершенно не действовать в других; правила одних областей реальности могут не соответствовать правилам других. Если атом - это столь малая величина, то почему бы не предположить, что для него существуют совершенно иные правила и законы, чем для нашего видимого макромира, что микромир строится абсолютно на других принципах, и все наши макропредставления бессильны что-либо описать или объяснить в микрообластях действительности.

Резерфордовская модель атома, просто и наглядно говорившая о его устройстве, была родом из макромира, ведь она сравнивала его с Солнечной системой, использовала понятия ядра, центра, движущихся частиц-электронов, орбит движения (а это все макропонятия или макропредставления). Видимо, об атоме надо было говорить как-то иначе, неким другим, специфическим языком, потому что в его лице мы имеем дело с совершенно иной реальностью.

Новую модель атома построил известный датский физик Нильс Бор. По его представлениям электрон - это не столько точка или твердый шарик, движущийся вокруг атомного ядра, сколько некий сгусток энергии, как бы размазанный вокруг ядра, но не равномерно, а с большей или меньшей плотностью на различных участках. Кроме того, надо говорить не об орбите движения электрона, а его стационарном (неизменном) состоянии, в котором он может находиться, не излучая энергии. Если же это положение меняется, то есть электрон как бы переходит из одного стационарного состояния в другое, то он излучает или поглощает порцию энергии. Как видим, модель, предложенная Бором, была более сложной и менее понятной, чем резерфордовская, но и она не смогла с успехом объяснить атомное строение, потому что во многом использовала макроязык и макропонятия. Выяснилось, что процессы, происходящие в атоме, в принципе невозможно представить в виде какой-либо механической модели по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Отказавшись полностью от понятного естественного языка и наглядных моделей при изучении микромира, наука все более стала пользоваться абстрактным языком математики. Атом физиков-теоретиков постепенно превращался в ненаблюдаемый набор уравнений.

Мы уже говорили о том, что к концу 19 века наука установила два различных вида существования материи - вещество и поле, которые во всем друг от друга отличаются и представляют собой противоположности (вещество обладает корпускулярными свойствами, а поле - волновыми). На рубеже позапрошлого и прошлого столетий выяснилось, что два эти вида материи не исключают друг друга. Как то ни удивительно, но одни и те же объекты могут характеризоваться и свойствами вещества, и свойствами поля одновременно, то есть иметь как корпускулярные, так и волновые качества. Известный немецкий физик Макс Планк, исследуя процессы теплового излучения, пришел к ошеломляющему выводу о том, что при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах, но небольшими и неделимыми порциями, которые он назвал квантами (лат. quantum - сколько). Квант - это порция энергии. Вдумаемся в это словосочетание. Его первая часть - слово «порция» - подразумевает нечто определенное, ограниченное, вещественное, имеющее некие размеры, то есть - частицу или корпускулу. Вторая часть - слово «энергия» - подразумевает нечто непрерывное, безразмерное, невещественное, то есть - поле. Стало быть, квант - это такой объект физической реальности, в котором совпадают или одновременно представлены и вещество, и поле, объект, отличающийся корпускулярно-волновым дуализмом.

Эйнштейн перенес идею о квантах на область света и создал новое учение о нем. Вспомним, что Ньютон считал свет потоком корпускул, Гюйгенс и Юнг рассматривали его как волны cветоносного эфира, а Фарадей и Максвел - как колебания электромагнитного поля. Эйнштейн совместил все эти представления и создал теорию, по которой свет имеет корпускулярно-волновую природу. Он распространяется квантами, то есть - энергетическими порциями, которые были названы фотонами (греч. photos - свет). С одной стороны, фотон - это именно порция энергии и поэтому является своего рода частицей или корпускулой, а с другой стороны, фотон - это порция именно энергии и поэтому является своего рода волной. Свет по Эйнштейну - это поток энергетических зерен, световых квантов или своеобразный фотонный дождь. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэффекта, сущность которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием световых волн (каждый электрон вырывается одним фотоном). Все это убедительно подтвердило идею Эйнштейна, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте - корпускулярные. Фотонная теория Эйнштейна относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям.

Идея о квантах была перенесена и на представления об атоме, в результате чего появилась специфическая дисциплина - квантовая механика - наука, описывающая процессы, происходящие в микромире. Одним из ее основных утверждений является мысль о том, что микрообъекты (электроны, например) обладают, подобно свету, и корпускулярными, и волновыми свойствами, и только при учете этой двойственности можно более или менее успешно получить общую картину микромира. Квантовая механика - сравнительно молодая научная дисциплина, ее «возраст» насчитывает приблизительно сотню лет. Появившись в прошлом столетии, она уже достигла значительных результатов, но дальнейшие ее успехи, по всей видимости, впереди. Современная наука ждет от нее ответов на многие сложные вопросы, связанные не только с микромиром, но также - касающиеся макро- и мегамиров, ведь три эти области существуют не изолированно друг от друга, а представляют собой единую физическую реальность.

Первая модель - атом - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Первая модель - атом

Cтраница 1

Первые модели атома было легко изобразить, но трудно описать.  [1]

Первая модель атома ( Тсмсона) представляла атом в виде капли положительного электричества, в которой размещены электроны.  [2]

Первая модель атома, предложенная Дж. Томсоном в 1898 г., была основана на предположении, что атом - это положительно заряженный шар, в который внедряются электроны.  [3]

Первую модель атома предложил Кельвин ( У. Томсон) в 1902 г. Согласно гипотезе Кельвина, атом представляет собой шар, по объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри шара находятся неподвижные электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атома.  [4]

Томсон предлагает первую модель атома, согласно которой положительный заряд равномерно заполняет весь объем атома, а отрицательный, представленный электронами, вкраплен в эту положительно заряженную сферу.  [5]

Бор на основе этих идей построил первую модель атома, к-рая представляла собой чисто внешнее соединение законов классич. Бор предположил, что существуют два различных типа состояний движения атома: стационарные состояния и переходы между ними. В стационарных состояниях электроны движутся вокруг ядра только по строго опред. Излучение происходит лишь при переходах ( мгновенных перескоках) электрона с одной стационарной орбиты на другую, причем атом теряет ( или поглощает) энергию, равную разности значений энергии стационарных состояний. Эти положения несовместимы с идеями классич.  [6]

В 1904 г. английский физик Томсон предложил первую модель атома, согласно которой атом представляет собой положительно заряженный шар размером 10 - 8 см с взвешенными внутри него электронами.  [7]

Томсон ( Thomson), Джозеф Джон ( 1856 - 1940) - английский физик, известен исследованиями в области электричества и магнетизма, открыл электрон ( 1897) и предложил одну из первых моделей атома; по своим философским взглядам - стихийный материалист.  [8]

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар радиусом около см, внутри которого находится электрон.  [9]

Первые модели атома Эрнеста Резерфорда ( 1871 - 1937) напоминают схему солнечной системы. Попытки перенести эти представления на микроструктуру человека приводят к возникновению экспериментальной психологии, дифференциальной психологии, прикладной психологии и текстологии. Возникновение квантовой механики, связанное наряду с другими с именем Эрвина Шредингера ( 1887 - 1961), общей теории относительности Альберта Эйнштейна ( 1879 - 1955) стимулировали новые шаги в философии, социологии и психологии.  [10]

После открытия электрона и появления первых моделей атомов был сделан ряд попыток объяснить валентность строением атомов.  [11]

Каждый любознательный человек теперь знает, что вокруг атомного ядра вращается ровно столько электронов, сколько протонов в ядре, и это число равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Вначале, когда Эрнст Резерфорд и Нильс Бор создавали первые модели атома, предполагалось, что электроны совершают свой бег группами по изначальным, раз навсегда положенным орбитам, имеющим вид концентрических колец или эллипсов - примерно так, как планеты движутся вокруг Солнца. Со временем эти неточные представления сменились более глубокими и близкими к истине, но и современные взгляды на электрон, его сущность и поведение не могут претендовать на законченность и абсолютную достоверность. Это только усовершенствованные гипотезы, более или менее хорошо согласующиеся с известными в настоящее время фактами; своеобразные и очень тонкие закономерности микрокосмоса различимы пока лишь в зыбких контурах.  [12]

Из того, что свет является частным видом электромагнитных волн, можно было заключить, что при испускании света электроны в атоме колеблются. Это представление, не подтвердившееся впоследствии, привело к созданию первой модели атома, первой наглядной картины его внутреннего строения.  [13]

Томсона пользовалась общим признанием. На почве этой первой модели атома было разработано учение о внутриатомных вибраторах, разъяснявшее сложный характер явлений дисперсии и поглощения света, возникло учение о поляризации атомов, был понят физический смысл диэлектрической постоянной, предсказано существование изотопов.  [14]

До применения квантовых идей непосредственно к атомной структуре физика дошла позднее, в начале второго десятилетия, после знаменитых экспериментальных исследований Резерфорда, вскрывших ядерную структуру атома, и на их основе. Ему принадлежит честь создания первой модели квантованного атома.  [15]

Страницы:      1    2

Модель атома Википедия

Сравнительный размер атома гелия и его ядра

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый[1], неразрезаемый[2]») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1][3].

Атомы состоят из ядра и электронов (точнее электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом[1]. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам[3][4].

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Z×e) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер[5].

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

5. Кратко опишите первые модели атома, предложенные Дж.Томсоном и э.Резерфордом. Какие факты указывали на противоречивость каждой модели?

Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом»). Он предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость.Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц. Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году [10] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчеты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима.

6. Сформулируйте два постулата и опишите модель атома, предложенные н.Бором. Какие экспериментальные данные подтвердили его теорию?

Бор предположил, что атомы, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения. 1й постулат: атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е1, Е2...En. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов.

2й постулат: в стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение: mVr = n·h/2·, где m·V·r =L - момент импульса, n=1,2,3..., h-постоянная Планка.

3й постулат: излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход

7. Почему состояние микрообъекта невозможно определить так же, как в классической теории Ньютона?

Квантовая физика значительно сложнее для понимания, чем классическая физика, так как человек привык к механической детерминированности окружающего мира. Она отсутствует в квантовой механике. В то же время квантовая физика в качестве предельного перехода содержит в себе классическую физику

8. Какая величина характеризует состояние квантово-механической системы? Каков ее физический смысл?

Волновая Ψ-функция полностью описывает состояние e- в атоме. Борн установил её физ. смысл: квадрат модуля функции определяет вероятность нахождения частицы в том или ином месте пространства.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о