Строение атома модель атома: Строение атома

Содержание

Строение атома

3. Строение атома

    В результате открытия в 1911 г. Э. Резерфордом атомного ядра образовалась новая концепция строения материи: атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра, окруженного электронными оболочками. Положительный заряд атомного ядра определяет суммарное число электронов в атомных оболочках. В целом атом является электрически нейтральной системой.
    Планетарная модель атома, созданная Резерфордом, встретила полное недоумение, так как она противоречила казавшимся тогда незыблемыми основам физики. Нужно было как-то объяснить, почему вращающиеся вокруг ядра электроны не излучают энергию и не падают на атомные ядра. Большое значение в развитии представлений о строении атома сыграла модель Н. Бора, которая представляла собой введение квантовых условий в модель Резерфорда, построенную на основе классических представлений. В 1913 г. Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты.

Н.

 Бор, 1913 г.: «Квантовая теория строения атомов.

1. Среди мыслимых состояний движения атомной системы имеется ряд так называемых стационарных состояний, относительно которых предполагается, что движение частиц в этих состояниях, подчиняясь в значительном объеме классическим механическим законам, отличается, однако, своеобразной механически необъяснимой устойчивостью, в результате которой следует, что всякое остаточное изменение движения системы должно состоять в полном переходе из одного состояния в другое.

2. В самих стационарных состояниях, в противоречие с классической электромагнитной теорией, излучения не происходит, однако процесс перехода между двумя стационарными состояниями может сопровождаться электромагнитным излучением, обладающим теми же свойствами, как излучение, посылаемое на основании классической теории электрической частицей, совершающей гармонические колебания с постоянной частотой. Эта частота ν не находится, однако, в простом отношении к движению частиц атома и определяется условием

hν = E’ – E»

где h – постоянная Планка, E’ и E» – значение атомной энергии в двух стационарных состояниях, образующих начальное и конечное состоянии процесса излучения. Обратно, освещение атома электромагнитными волнами этой частоты может привести к процессу поглощения, переводящее атом из конечного состояния в начальное».

    Электрон согласно модели Н. Бора в атоме водорода вращается вокруг ядра по классическим траекториям, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля

nλ = 2πrn,   n = 1, 2, 3…

     Разным разрешённым орбитам

n соответствуют разные энергии электронов En

 n = 1, 2, 3…

    Радиус первой боровской орбиты атома водорода r1 ≈ 0.53·10-8см. Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур.

Э. Резерфорд, 1914 г.: «Из рассмотрения атомов водорода и гелия, где водород имеет один электрон, а гелий – два, очевидно, что число электронов не может быть всегда точно равно половине атомного веса. Это приводит к интересному предположению, которое высказал
Ван-де-Брок, что число единиц заряда ядра, а, следовательно, число внешних электронов, должно быть равно номеру места, которое занимает элемент по порядку возрастания атомного веса. С этой точки зрения заряды ядер водорода, гелия и углерода должны быть соответственно равны

1, 2, 6 и т.д. для других элементов, если только мы не пропускаем каких-либо элементов. Эта точка зрения была принята Бором в его теории простых атомов и молекул».

Электрический заряд атомного ядра в единицах электрического заряда (q = 1.6·1019 Кл) определяет число электронов в атоме, определяет место химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева.

 Размеры атома составляют несколько ангстрем (1 Å = 10–8 см).

     Химические свойства атомов, способность атомов образовывать различные химические соединения молекулы определяются внешней электронной оболочкой атома и зависят от числа электронов в ней. Э. Резерфорд впервые использовал ядерные реакции  под действием α‑частиц для изучения свойств атомного ядра. Следующим шагом в познании строения материи стало открытие в 1919 г. протона Э. Резерфордом и в 1932 г. нейтрона Дж. Чадвиком. Оказалось, что на уровне 10

–12 см вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Число протонов в атомном ядре Z определяет заряд атомного ядра. Суммарное число протонов Z и нейтронов N определяет массовое число A атомного ядра

 Z + N = A.

Атомные ядра обладают магнитными моментами, которые измеряются в ядерных магнетонах

где mp  масса протона.
    Магнитные моменты атома измеряются в магнетонах Бора

где me –  масса электрона. Магнитные момента атомов в тысячи раз больше магнитных моментов ядер.

Таблица 1

Характеристики протона, нейтрона и электрона

Характеристика Протон Нейтрон Электрон
Масса 2, МэВ 938. 272 939.565 0.511
Электрический заряд
(в единицах элементарного заряда)
+1 0 -1
Спин J (в единицах ћ) 1/2 1/2 1/2
Чётность +1 +1 +1
Статистика Ферми-Дирака
Магнитный момент
(для нуклонов в ядерных магнетонах, для электрона в магнетонах Бора)
+2.79 –1.91 +1.001
Время жизни > 1032 лет 885.7±0.8 с > 4. 6·1026 лет
Тип распада стабилен n → p + e + стабилен

 Протон, нейтрон и электрон являются фермионами, имеют спин J = 1/2 и подчиняются принципу Паули. Нейтрон имеет массу на 1.3 МэВ больше, чем протон, поэтому в свободном состоянии он распадается на протон p, электрон e и электронное антинейтрино

  

Модели строения атомов

Первые сведения о сложном строении атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости. В тридцатых годах XIX в. опыты выдающегося физика М. Фарадея навели на мысль о том, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов.

Открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью, стало прямым доказательством сложности строения атома. В 1902 году английские учёные Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди доказали, что при радиоактивном распаде атом урана превращается в два атома – атом тория и атом гелия. Это означало, что атомы не являются неизменными, неразрушимыми частицами.

Модель атома Резерфорда

Исследуя прохождение узкого пучка альфа-частиц через тонкие слои вещества, Резерфорд обнаружил, что большинство альфа-частиц проходит сквозь металлическую фольгу, состоящую из множества тысяч слоёв атомов, не отклоняясь от первоначального направления, не испытывая рассеяния, как будто бы на их пути не было никаких препятствий. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы, испытав действие больших сил.

На основании результатов опытов по наблюдению рассеивания альфа-частиц в веществе Резерфорд предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели строение атома подобно строению солнечной системы. В центре каждого атома имеется положительно заряженное ядро радиусом ≈ 10-10м подобно планетам обращаются отрицательно заряженные электроны. Почти вся масса сосредоточена в атомном ядре. Альфа-частицы могут без рассеяния проходить через тысячи слоёв атомов так, как большая часть пространства внутри атомов пуста, а столкновения с лёгкими электронами почти не влияют на движение тяжёлой альфа-частицы. Рассеяние альфа-частиц происходит при столкновениях с атомными ядрами.

Модель атома Резерфорда не смогла объяснить все свойства атомов.

Согласно законам классической физики атом из положительно заряженного ядра и электронов, обращающимся по круговым орбитам, должен излучать электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн должно приводить к уменьшению запаса потенциальной энергии в системе ядро – электрон, к постепенному уменьшению радиуса орбиты электрона и падению электрона на ядро. Однако атомы обычно не излучают электромагнитные волны, электроны не падают на атомные ядра, то есть атомы устойчивы.

Квантовые постулаты Н. Бора

Для объяснения устойчивости атомов Нильс Бор предложил отказаться от привычных классических представлений и законов при объяснении свойств атомов.

Основные свойства атомов получают последовательное качественное объяснение на основе принятия квантовых постулатов Н. Бора.

1. Электрон вращается вокруг ядра только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.

2. Атомная система может находиться лишь в определённых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия Е. Атом не излучает энергию в стационарных состояниях.

Стационарное состояние атома с минимальным запасом энергии называется основным состоянием, все остальные состояния называются возбуждёнными (квантовыми) состояниями. В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго, время жизни атома в возбуждённом состоянии длится 10-9-10-7 секунды.

3. Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Энергия кванта электромагнитного излучения при переходе из стационарного состояния с энергией Еm в состояние с энергией Еnравна разности энергий атома в двух квантовых состояниях:

∆Е = Еm – Еn = hv,

где v – частота излучения, h = 2ph = 6,62 ∙ 10-34 Дж ∙с.

Квантовая модель строения атома

В дальнейшем некоторые положения теории Н. Бора были дополнены и переосмыслены. Наиболее значительным изменением стало введение понятие об электронном облаке, которое сменило понятие об электроне только как частице. Позже теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.

Основой современной теории строения атома является планетарная модель, дополненная и усовершенствованная. Согласно данной теории, ядро атома состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейронов (не имеющих заряда частиц). А вокруг ядра по неопределённым траекториям движутся электроны (отрицательно заряженные частицы).

Остались вопросы? Хотите знать больше о моделях строения атома?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Строение атома

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц — законы квантовой механики.

Модель Томсона

Хотя слово атом в первоначальном значении — частица, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, которые называют субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. 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 10-8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находятся несколько электронов. Однако модель Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.

Опыт Резерфорда

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть. Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Эти частица возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α-частиц очень велика: они составляет 1/15 скорости света. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на бо́льшие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляционными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно одно из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90º. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием α-частиц на бо́льшие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, — говорил Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».


Другие заметки по физике

Первые модели строения атома — Справочник химика 21

    Атом давно перестал быть неделимым. После открытия естественной радиоактивности, катодных лучей и электронов были предложены первые модели строения атомов. Согласно модели первооткрывателя электрона Томсона (1904) атом представляет собой сферу положительного электричества одинаковой плотности пО всему объему диаметром порядка 0,1 нм. Электроны как бы плавают в этой сфере, нейтрализуя положительный заряд. Колебательное движение электронов возбуждает в пространстве электромагнитные волны. Экспериментальную проверку этих наглядных представлений предпринял английский физик Эрнест Резерфорд в-своих знаменитых опытах по рассеянию а-частиц (ядра атома гелия). Схема установки Резерфорда (1907) приведена на рис. 8. Радиоактивный препарат Р излучает а-частицы ( снаряды ) в виде узкого пучка, на пути движения которого ставится тонкая золотая фольга Ф. Регистрация а-частиц, прошедших через фольгу, производится микроскопом М на люминесцирующем экране Э по вспышке световых точек сцинтилляция). Если модель атома Томсона верна, а-частицы не могут пройти даже через очень тонкую фоль- [c.31]
    В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Каждая орбита имеет номер и (1, 2, 3, 4,. ..), который назвали главным квантовым числом. Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты был 5,29-10 м, радиус других орбит был равен  [c. 19]

    Ядерная модель атома. Одна из первых моделей строения атома была предложена английским физиком Э. Резерфордом. В опытах по рассеянию а-частиц было показано, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме — положительно заряженном ядре. Согласно модели Резерфорда, вокруг ядра на относительно большом расстоянии непрерывно движутся электроны, причем их количество таково, что в целом атом электрически нейтрален. Позднее наличие в атоме тяжелого ядра, окруженного электронами, было подтверждено другими учеными. [c.10]

    Магнитные свойства ферромагнитных материалов определяются магнитными свойствами многоэлектронного атома. Однако далеко не все материалы с многоэлектронными атомами обладают ферромагнитными свойствами. Строение атомов ферромагнитных материалов имеет ряд особенностей. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны, образующие электронные слои и оболочки. Число электронных слоев определяют главным квантовым числом, которое принимает целые значения 1, 2, 3,. .., п. Число оболочек в слое выражают орбитальным квантовым числом I и обозначают их буквами 8, р, планетарная модель атома железа, из которого видно, что в атоме содержится четыре электронных слоя. В первом слое находится одна электронная оболочка 18 с двумя электронами во втором слое содержатся оболочки 28 с двумя электронами, 2р с шестью электронами в третьем слое — оболочка Зз с двумя электронами, оболочка Зр с шестью электронами и оболочка 3(1 с шестью [c.238]

    Одну из первых моделей строения атома предложил английский-физик Дж. Дж. Томсон (1904 г.). Он предположил, что атом представляет собой положительно заряженную сферическую частицу, внутри которой распределены электроны, компенсирующие положительный заряд этой частицы. Электроны распределены равномерно и колеблются относительно своих равновесных положений, при химических реакциях электроны могут переходить от одних атомов-к другим с образованием заряженных частиц — ионов. Эта первая модель строения атома получила впоследствии название пудинга Томсона (электроны, вставленные в положительно заряженную сферу, выглядели наподобие изюминок в пудинге ).[c.32]


    Н. Бор в 1913 г. впервые четко сформулировал вывод, что классическая электродинамика недостаточна для описания систем атомного размера [42]. Этот вывод привел его к разработке квантовой теории строения атома водорода в качестве первого шага и далее — к построению формальных моделей атомов всех элементов периодической системы. Применив к атомной теории постоянную Планка, Бор сформулировал два основных постулата 1) атом может существовать, не излучая, в определенных стационарных состояниях, характеризующихся определенными [c.247]

    Первым основополагающим достижением в области изучения внутреннего строения вещества было создание модели атома английским физиком Резерфордом (1911 г.). По Резерфорду атом состоит из ядра, окруженного электронной оболочкой. Выдающийся датский физик теоретик Вор использовал представления Резерфорда и созданную немецким физиком Плаиком (1900 г.) квантовую теорию для разработки в 1913 г. теории водородоподобного атома и первой квантовой модели атома модель атома Бора, см. 4.5). Приняв, что электроны — это частицы, он описал атом как ядро, вокруг которого на разных расстояниях движутся по круговым орбитам электроны. Б 1916 г. модель атома Бора была усовершёиствована немецким физиком Зоммерфель-дом, который объединил квантовую теорию Планка и теорию относительности Эйнштейна (1905 г.), создав квантовую теорию атомных орбит, которые по Зоммерфельду, могут быть не только круговыми, но и эллиптическими. [c.77]

    Атом элемента представляет собой одну из важнейших микрочастиц. Первые исследователи ее строения (Н.Бор, А. Зоммерфельд, 1912, 1913) положили в основу внутриатомной энергетики представления теории квант. Электромагнитное поле атомного ядра квантовано, т. е. имеет дискретное строение в самой природе структуры атома заложены определенные энергетические уровни. В соответствии с ними электрон, рассматриваемый как частица, согласно теории Бора, движется вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам, напоминая движение планет вокруг Солнца. Так возникла планетарная модель атома. Форма траекторий-орбит и их расстояние от ядра рассматривались как фактор, определяющий энергетическое состояние электрона. Энергетические уровни обозначались как главные кванто- [c.31]

    Преимущество метода МО над методом валентных связей состоит очевидно в том, что в основе первого лежит модель, которая в известной степени правильно передает внутреннее строение химических соединений. Клементи следующим образом характеризует преимущества метода МО он использует расчетную методику, которая может быть апробирована на примерах атомов. Электронная теория молекул принципиально и практически должна быть применима к предельному случаю — атому. Электроны не меняют своей природы при переходе от атомов к молекулам И для описания различных [c.90]

    Открытие субатомных частиц и первые модели атома. В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) открыл электрон, а в 1909 г. Р. Малликен определил его заряд, который равен 1,6-10 Кл. Масса электрона составляет 9,1 М0 г. В 1904 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом можно представить в виде положительно заряженной сферы с вкрапленными электронами. [c.17]

    Говоря о первоначальных атомных моделях, мы должны отметить весьма любопытное обстоятельство, на которое мало обращали внимание историки учения о строении вещества. Именно, еще в 1901 г. Ж. Перреп опубликовал работу Ядерно-планетарная структура атома [20]. Согласно Перрену, атом должен состоять из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательными электронами, которые двигаются по определенным орбитам , со скоростями, соответствующими частотам световых волн . Иными словами, Перрен предвосхитил основные структурные моменты будущей резерфордовской модели атома. Однако идея Перрена оказалась явно не своевременной, она не нашла, да и не могла вызвать никакого резонанса. Во-первых, потому, что был совершенно неясен вопрос о носителе положительного заряда в атоме (никаких прямых или косвенных экспериментальных данных на сей счет не существовало) во-вторых, модель Перрена противоречила представлениям классической электродинамики (это противоречие имело место и в резерфордовской модели, но оно было своевременно преодолено Н. Бором, применившим к строению атомов планковскую гипотезу о квантах). [c.237]

    Для достаточно полного обзора экспериментального материала по конформациям органических молекул, по-видимому, не хватит объема даже большой книги. Поэтому имеет смысл обсудить лишь обш,ие принципы и основные закономерности, характеризующие конформационные особенности молекул различных классов. Рассмотренная в предыдущей главе механическая модель обладает достаточной общностью, чтобы на ее основе можно было бы понять конформации молекул самого разного химического строения. Но как бы ни было построено изложение, пропуск большого числа экспериментальных данных неизбежен. Во-первых, не во всех молекулах геометрия определяется взаимодействиями, описываемыми атом-атом потенциалами в металлоорганических соединениях, например, большую роль играют слабые взаимодействия типа координационных связей. Во-вторых, если включить в рассмотрение все молекулы, к которым приложимы общие принципы конформационного анализа, то изложение могло бы вырасти до непомерных размеров. Поэтому за пределами нашего внимания остаются такие интересные органические системы, как стероиды, биологически активные молекулы типа ацетилхолина, никотина и некоторые другие. [c.146]


    Строение хлорангидридов фосфиновых кислот (ЬХХХУП) доказано химическими и физическими способами [109, 706, 1035]. На основании данных хроматографии и спектров ПМР показано, что реакция этинилвиниловых эфиров, и тиоэфиров с пятихлористым фосфором в описанных условиях протекает стереоспецифично и приводит к образованию аддуктов, у которых атомы водорода при первом и втором атомах углерода находятся в транс-расположении. Ввиду того, что исходные этинилвиниловые эфиры и тиоэфиры имеют г г/с-конфигурацию, допускается, что цис — тракс-изомеризация происходит в ходе реакции присоединения пятихлористого фосфора [109]. Возможно, что реакция осуществляется путем электрофильной атаки РС14 [1037] на тройную связь с последующим переходом аниона хлора к третьему атому углерода внутри образовавшегося катиона. Последний стабилизован показанными на схеме электронными сдвигами и поэтому утратил геометрическую конфигурацию исходного бутенина. Атом хлора вступает в наиболее выгодное стерическое положение, что приводит к т >акс-расположению водородных атомов при 1,2-двойной связи. Высказанные соображения подтверждаются при построении атомной модели Бриглеба — Стюарда исследованных соединений, причем наиболее благоприятным является трйнс-размещение атома хлора и фосфонильной группы [c.308]

    Одна из первых моделей строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1903 г. Атом представлялся как море положительного электричества с колеблющимися в нем электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов электронейтрального атома приравнивался его суммарному положительному за-рядз.  [c.38]

    Томсон в 1904 г. математически разработал аналогичную модель атома. Его статья имеет очень выразительное заглавие О строении атома исследование устойчивости и периодов колебания совокупности корпускул, расположенных с равными интервалами по окружности круга с применением результатов к теории атомного строения [2]. Согласно Томсону, положительный заряд атома распределен равномерно по всему его объему, тогда как корпускулы (так Томсон называет электроны) занимают внутри атома некоторое определенное положение. Томсон показывает расчетом, что такая модель атома может быть устойчива лишь при расположении корпускул либо в серии концентрических колец (если корпускулы вынуждены двигаться в одной плоскости), либо в ряде концентрических сфер (если допустить, что они могут двигаться во всех направлениях). Стабильность кольца (или сферы) достигается только при определенном числе корпускул в них в этом случае атом не способен удерживать дополнительно ни положительный, ни отрицательный заряд. Распределив все атомы в ряд (следуя порядку увеличения числа корпускул), мы получим сначала систему, которая ведет себя подобно атому одновалентного электроположительного элемента следующая система ведет себя подобно атому двухвалентного электроположительного элемента, в то время как на другом конце ряда у нас имеется система, которая ведет себя подобно нульвалентному атому ей непосредственно предшествует система, которая ведет себя подобно атому одновалентного электроотрицательного элемента, тогда как ей в свою очередь предшествует система, ведущая себя подобно атому двухвалентного электроотрицательного элемента [там же, стр. 262]. С глубокой проницательностью Томсон проводит далее аналогию между таким накоплением корпускул и свойствами элементов в двух первых периодах от гелия до неона и от неона до аргона. [c.29]

    До 1912 г. выдвигались модели строения атома, которые были лишь частично удовлетворительными. Томсоновская модель, согласно которой атом должен быть похож на арбуз, представляла собой первую попытку как-то описать положение электронов в атоме, но эта модель не позволяла объяснить многие свойства атомов. Резерфорд выдвинул модель атома, предполагающую вращение электронов вокруг ядра по орбитам (рис. 5.2). Если обозначить заряд электрона q , а заряд протона (ядра атома водорода) массу электрона т и радиус орбиты г, то выполняется условие [c.68]

    Как же расположены все эти частицы внутри атома Представляет ли атом беспорядочную смесь частиц или же строение его строго определенное Первая попытка ответить на этот вопрос была сделана Дж. Томсоном. Он предположил, что атом представляет собой миниатюрный шар, внутри которого равномерно распределено положительное электричество, а также расположены электроны. Эта модель, получившая название пудинга с изюмом , продержалась очень короткое время. [c.226]

    Модель атома водорода, предложенная Н. Бором (1913 г.), является первой попыткой количественного изображения строения и внутреннего механизма атома, поясняющая все экспериментальные данные, главным образом частоты линий испускаемых спектров. Атом водорода изображен в виде солнечной системы в миниатюре, в которой солнде представлено протоном с элементарным зарядом -fe, а планета — электроном с элементарным зарядом —е, вращающимся вокруг протона по круговой орбите радиуса г. Согласно закону Кулона, между этими двумя частицами развивается сила притяжения В своем дви- [c.57]

    В общем, энергия деформации валентного угла столь незначительна, что отклонения порядка 0° могут быть вызваны уже тепловой энергией. Это означает, что даже столь высокосимметричные молекулы, как метан, постоянно обнаруживают относительно большие отклонения от симметричного положения равновесия. Однако это не может служить поводом для отказа от тетраэдрической модели атома углерода . Свойственное атому углерода стремление к регулярно-тетраэдрическому расположению при использовании его четырех связей, 5р -гибридизацию, следует рассматривать как основной принцип пространственного строения всех соединений углерода. Важнейшим и исторически первым доказательством этого служит явление оптической активности, изложению которой посвящен следуюищй раздел. [c.83]

    Модель атома водорода, предложенная Н. Бором (1913 г.), является первой попыткой количественного изображения строения и внутреннего механизма атома, поясняющая все экспериментальные данные, главным образом частоты линий испускаемых спектров. Атом водорода изображен в виде солнечной системы в миниатюре, в которой солнце представлено протоном с элементарным зарядом — -е, а планета — электроном с элементарным зарядом —е, вращающимся вокруг протона по круговой орбите радиуса г. Согласно закону Кулона, между этими двумя частицами развивается сила притяжения е 1г . В своем движении по орбите электрон остается в равновесии благодаря центробежной силе, которая долнша равняться силе притяжения между частицами, следовательно, [c.57]


Строение атома. Опыты Резерфорда — Класс!ная физика

Строение атома. Опыты Резерфорда

Подробности
Просмотров: 721

«Физика — 11 класс»

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие.
В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц — законы квантовой механики.

Модель Томсона

Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон.
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 10-8 см, внутри которого находится электрон.
У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.

Опыты Резерфорда

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов.
Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц.
Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов.
Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.
Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия.
Скорость α-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов.
Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию а-частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома.
Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.


Схема опытов Резерфорда:

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал.
Пучок -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.).
После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка.
Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4.
Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α-частиц.
Но когда на пути пучка помещали фольгу, α-частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на большие углы.
Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране.
Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°.
Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием α-частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат.

В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя.
При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицу назад.
Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона:

где
qα — заряд α-частицы;
q — положительный заряд атома;
R — его радиус;
k — коэффициент пропорциональности.

Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру.
Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая α-частицы.

Определение размеров атомного ядра

Резерфорд понял, что α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства.
Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке показаны траектории α-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра.
Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10-12—10-13 см (у разных ядер диаметры различны).
Размер же самого атома 10-8 см, т. е. в 10—100 тысяч раз превышает размеры ядра.
Впоследствии удалось определить и заряд ядра.
При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Планетарная модель атома

На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома.
В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
В целом атом нейтрален.
Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе.
Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро.
Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца.
Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон.
Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза бо́льшую массы электрона.
Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица.
Размер атома водорода — это радиус орбиты его электрона.

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование.
Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию α-частиц.
Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость.
Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым.
Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра.
Излучение сопровождается потерей энергии.
Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.
Как показывают расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро.
Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит.

Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома.
Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца.
Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Атомная физика. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Строение атома. Опыты Резерфорда — Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Квантовая механика — Лазеры — Краткие итоги главы

Первая модель атома. История лазера

Читайте также

МОДЕЛЬ: АНСАМБЛЬ ПУЗЫРЬКОВ

МОДЕЛЬ: АНСАМБЛЬ ПУЗЫРЬКОВ Поговорим в начале главы об одной мудрой и красивой модели кристалла. По пути к концу книги она нам понадобится много раз. О модели мертвого кристалла или, быть может, правильнее о мертвой модели кристалла мы недавно вспоминали: деревянные

МОДЕЛЬ: РЕЗИНОВАЯ ТРУБКА

МОДЕЛЬ: РЕЗИНОВАЯ ТРУБКА В истории науки подобных примеров множество: появляется новая идея, или обнаруживается новое явление природы, и при этом вдруг оказывается, что ранее, в связи с совсем иными задачами и ввиду совсем иных целей, ученые высказали соображения или

Стандартная модель

Стандартная модель Сегодня поле Янга-Миллса открыло возможность всеобъемлющей теории материи. Мы настолько уверены в этой теории, что ласково называем ее Стандартной моделью.Стандартная модель способна объяснить все экспериментальные данные, касающиеся субатомных

Глава 3. Строение атома

Глава 3. Строение атома Радиоактивность Блестящая серия физических открытий в последнее десятилетие XIX века поистине явилась началом научной революции. Прологом к ней послужило открытие, сделанное в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, который

Глава 4. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ

Глава 4. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ Если к моменту публикации книги БАК действительно уничтожит Землю, мы принесем свои искренние извинения и будем готовы возместить все затраты на эту книгу.21 марта 2008 года Уолтер Вагнер и Луис Санчо начали процесс в Федеральном суде США с

Модели атома до Бора

Модели атома до Бора Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе

Какова структура атома

Какова структура атома Модель атома водорода В 1913 году датский физик Нильс Бор (1885—1962) попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет. Физики называют такую наглядную

Модель атома водорода

Модель атома водорода В 1913 году датский физик Нильс Бор (1885—1962) попытался нарисовать наглядную картину: как может быть построен атом из положительного ядра и электронов и при каких условиях он излучает свет. Физики называют такую наглядную картину моделью атома.Задача

II. Строение атома

II. Строение атома Каждое химическое вещество состоит из однородных частиц, называемых молекулами. Если разложить молекулу на более элементарные составные части, мы получим атомы.Атом принято схематически изображать в виде ядра с вращающимися вокруг него электронами.

4.9. Корпускулярная модель света

4.9. Корпускулярная модель света В описанных выше экспериментах и наблюдениях доказано, что движение объекта природы, называемого светом, как и всех остальных объектов природы, подчиняется классическому закону сложения скоростей. Изучены и другие его свойства, по которым

Модель горячей Вселенной

Модель горячей Вселенной Мы можем все высчитать и все просчитать, но Вселенная слушает себя, а не наши расчеты. А в ней все со всем связано, все на все влияет… Анхель де Куатье «Дневник сумасшедшего» До сих пор мы представляли модели Вселенной в большей мере с точки зрения

Стандартная модель

Стандартная модель К середине 1970-х все теоретические и опытные наработки СЛИЛИСЬ в единую теорию, названную стандартной моделью. В ее основе лежат математические выкладки, не являющиеся предметом настоящей книги, так что не следует забывать, что модель опирается на

РАДИОАКТИВНОСТЬ И СТРОЕНИЕ АТОМА

РАДИОАКТИВНОСТЬ И СТРОЕНИЕ АТОМА 1.6. Явления радиоактивности, открытые А. Беккерелем в 1896 г. и вслед затем изучавшиеся Пьером и Марией Кюри, Э. Резерфордом и многими другими, сыграли ведущую роль в открытии общих законов строения атома и в подтверждении эквивалентности

Глава 8. Внутри атома

Глава 8. Внутри атома Университетских студентов 1900 года учили тому, что обычное вещество — то, из которого состоят кирпичи, сталь, уран и все прочее, — и само состоит из мельчайших частиц, именуемых атомами. Однако, из чего состоят атомы, этого не знал никто. Общее мнение

Глава 4 Стандартная модель

Глава 4 Стандартная модель Почему Большой адронный коллайдер не уничтожил Землю?[56] 21 марта 2008 года Уолтер Вагнер и Луис Санчо начали процесс в Федеральном суде США с единственной простой целью – спасти человечество. Истцы утверждали, что в ближайшие несколько месяцев

Какую модель строения атома предложил резерфорд.

Некоторые исторические и современные модели атома

Исторические модели1 атома отражают уровни знаний, соответствующие опреде­лённому периоду развития науки.

Первый этап развития моделей атома характеризовался отсутствием экспериментальных данных о его строении.

Объясняя явления микромира, учёные искали аналогии в макромире, опираясь на законы класси­ческой механики.

Дж. Дальтон – создатель химической атомистики (1803 г.), предполагал, что атомы одного и того же химического элемента представляют собой одинаковые шарообразные мельчайшие, а следовательно, неделимые частицы.

Французский физик Жан Батист Перрен (1901 г.) предложил модель, фактически предвосхитившую «плане­тарную» модель. Согласно этой модели в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которо­го движутся по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны. Модель Перрена не привлекла внимания учёных, так как давала только ка­чественную, но не количественную характеристику атома (на рис. 7 это показано несоответствием заряда ядра атома числу элек­тронов).

В 1902 г. английский физик Уильям Томсон (Кельвин) разработал представле­ние об атоме как о положительно заряженной сферической частице, внутри которой совершают колебания (излучая и поглощая энергию) отрицательно заряженные электроны. Кельвин обратил внима­ние на то, что число электронов равно положительному заряду сферы, поэтому в целом атом не имеет электрического заряда (рис. 7).

Годом позже немецкий физик Филипп Ленард предложил модель, согласно которой атом – полая сфера, внутри которой находят­ся электрические диполи (динамиды). Объём, занимаемый этими диполями, значительно меньше объёма сферы, и основная часть атома оказывается незаполненной.

По представлениям японского физика Гонтаро (Хантаро) Нагаоки (1904 г.), в центре атома находится положительно заряженное ядро, а электроны движутся в пространстве вокруг ядра в плоских кольцах, напоминающих кольца планеты Сатурн (эта модель называлась «сатурнианским» атомом). Большинство учёных не об­ратили внимания на идеи Нагаоки, хотя они в какой-то мере перекли­каются с современным представлением об атомной орбитали.

Ни одна из рассмотренных моделей (рис. 7) не объясняла, каким образом свойства химических элементов связаны со строением их атомов.

Рис. 7. Некоторые исторические модели атома

В 1907 г. Дж. Дж. Томсон предложил статическую модель строения атома, представлявшую атом как заряженную положительным электричеством шарообразную частицу, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны (модель «пудинга «, рис. 7).

Математичес­кие расчёты показали, что электроны в атоме должны находиться на концентри­чески расположенных кольцах. Томсон сделал весьма важный вывод: причина периодического изменения свойств химических элементов связана с осо­бенностями электронного строения их атомов. Благодаря этому, модель атома Томсона была высоко оценена современниками. Однако она не объясняла некоторых явлений, например, рассеяния α-частиц при прохождении их через металлическую пластину.

На основании своих представлений об атоме Томсон вывел формулу для рас­чёта среднего отклонения α-частиц, и этот расчёт показал, что вероятность рассеяния таких частиц под большими углами близка к нулю. Однако экспе­риментально было доказано, что приблизительно одна из восьми тысяч падающих на золотую фольгу α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Это противоречило модели Томсона, которая предполагала отклонения только на малые углы.

Эрнест Резерфорд, обобщая экспериментальные данные, в 1911 г. предложил «планетарную» (её иногда называют «ядерной») модель строения атома, согласно которой 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком ядре, а отрицательно заряженныеэлектроны, число которых равно заряду ядра, вращаются вокруг него, подобно планетам Солнечной системы1 (рис. 7).

Резерфорд вместе со своими учениками поставил опыты, позволившие исследовать строение атома (рис. 8). На поверхность тонкой металлической (золотой) фольги 2 от источника радиоактивного излучения 1 направлялся поток положительно заряженных частиц (α-частицы). На их пути был установлен флуоресцирующий экран 3, позволяющий наблюдать за направлением дальнейшего движения α-частиц.

Рис. 8. Опыт Резерфорда

Было установлено, что большинство α-частиц проходило сквозь фольгу, практически не меняя своего направления. Лишь отдельные частицы (в среднем одна из десяти тысяч) отклонялись и летели почти в обратном направлении. Был сделан вывод, что бóльшая часть массы атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, поэтому α-частицы так сильно отклоняются (рис. 9).

Рис. 9. Рассеивание α-частиц атомным ядром

Движущиеся в атоме электроны в соответствии с законами электромагнетизма должны излучать энергию и, теряя её, притягиваться к противоположно заряженному ядру и, следовательно, «падать» на него. Это должно приводить к ис­чезновению атома, но так как этого не происходило, был сделан вывод о неадекватности этой модели.

В начале XX века немецкими физиком Максом Планком и физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном была создана квантовая теория света. Согласно этой теории лучистая энергия, например свет, испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). При­чём величина кванта энергии неодинакова для разных излуче­ний и пропорциональна частоте колебаний электромагнитной волны: Е = hν, гдеhпо­стоянная Планка, равная 6,6266·10 –34 Дж·с, ν – частота излучения. Эту энергию несут частицы света – фотоны .

Пытаясь искусственно соединить зако­ны классической механики и квантовой теории, датский физик Нильс Бор в 1913 г. дополнил модель атома Резерфорда двумя постулатами о скачкообразном (дискретном) изменении энергии электронов в атоме. Бор считал, что электрон в атоме водорода может находиться лишь на впол­не определённых стационарных орбитах , радиусы которых отно­сятся друг к другу как квадраты натуральных чисел (1 2: 2 2: 3 2: … : п 2 ). Электро­ны движутся вокруг атомного ядра по стационарным орбитам. Атом пребывает в устойчивом состоянии, не поглощая и не излучая энергию, – это первый постулат Бора. Согласно второму постулату излучение энергии происходит только при переходе электрона на более близкую к атомному ядру орбиту. При переходе электрона на более отдалённую орби­ту энергия атомом поглощается. Эта модель была усовершенствована в 1916 г. немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, указавшим на движение электронов по эллиптическим орбитам .

Планетарная модель, благодаря своей наглядности и постулатам Бора, долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме, устойчивость и свойства атома, в отличие от движения планет и устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­сать законами классической механики. В основе этой механики лежат законы Ньютона, и предметом её изучения является движение макроскопических тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Для описания строения атома необходимо применять представления квантовой (волновой) механики о двойственной корпускулярно-волновой природе микрочастиц, которые сформулировали в 1920-е годы физики-теоретики: француз Луи де Бройль, немцы Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, англичанин Поль Дирак и др.

В 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу о наличии у электрона волновых свойств (первый принцип квантовой механики) и предложил формулу для вычисления его длины волны. Стабильность атома объясняется тем, что электроны в нём движутся не по орбитам, а в неких областях пространства вокруг ядра, называе­мых атомными орбиталями. Электрон занимает практически весь объём атома и не может «упасть на ядро», находящееся в его центре.

В 1926 году Шрёдингер, продолжая развитие идей Л. де Бройля о волно­вых свойствах электрона, эмпирически подобрал математическое уравнение, похожее на уравне­ние колебания струны, с помощью которого можно вычислять энергии связи элек­трона в атоме на разных энергетических уровнях. Это уравнение стало основным уравне­нием квантовой механики.

Открытие волновых свойств электрона показало, что распространение знаний о макромире на объекты микромира неправомерно. В 1927 г. Гейзенберг установил, что невозможно определить точное положение в пространстве электрона, имеющего определённую ско­рость, поэтому представления о движении электрона в атоме носят ве­роятностный характер (второй принцип квантовой механики).

Квантово-механическая модель атома (1926 г.) описывает состояние атома посредством математических функций и не имеет геометричес­кого выражения (рис. 10). В такой модели не рассматриваются динамический характер устройства атома и вопрос о размере электрона как частицы. Считается, что электроны занимают определённые энергетические уровни и излучают или поглощают энергию при переходах на другие уровни. На рис. 10 энергетические уровни изобра­жены схематически в виде концентрических колец, расположенных на разных расстояниях от атомного ядра. Стрелками показаны переходы электронов между энергетическими уровнями и излучение фотонов, сопровождающих эти переходы. Схема показана качественно и не отражает реальных расстояний между энергетическими уровнями, которые могут отличаться между собой в десятки раз.

В 1931 году американским учёным Гилбертом Уайтом впервые были предложены гра­фическое представление атомных орбиталей и «орбитальная» модель атома (рис. 10). Модели атомных орбиталей используются для отражения понятия «электронная плотность» и демонстрации распределения отрицательного заряда вокруг ядра в атоме или системы атомных ядер в молекуле.


Рис. 10. Исторические и современные модели атома

В 1963 году американский художник, скульптор и инженер Кеннет Снельсон предложил «кольцегранную модель» электронных оболочек атома (рис. 10), которая объясняет количественное распределение электронов в атоме по устойчивым электронным оболочкам. Каждый электрон моделируется кольцевым ма­гнитом (или замкнутым контуром с электрическим током, имеющим магнитный момент). Кольцевые магниты притягиваются друг к другу и образуют симметрич­ные фигуры из колец – кольцегранники . Наличие у магнитов двух полюсов накладывает ограничение на возможные варианты сборки кольцегранников. Модели устойчивых электронных оболочек – это наиболее симметричные фигуры из колец, составленные с учётом наличия у них магнитных свойств.

Наличие у электрона спина (см. раздел 5) является одной их основ­ных причин образования в атоме устойчивых электронных оболочек. Электроны образуют пары с противоположными спинами. Кольцегранная модель электронной пары, или заполненной атомной орбитали, – это два кольца, расположенных в параллельных плоскостях с противоположных сторон от атомного ядра. При расположении около ядра атома более одной пары электронов кольца-электро­ны вынужденно взаимно ориентируются, образуя электронную оболочку. При этом близко распо­ложенные кольца имеют разные направления магнитных силовых линий, что обозначается разным цветом колец, изображающих электроны.

Модель­ный эксперимент показывает, что самой устойчивой из всех возможных кольцегранных моделей является модель из 8 колец. Геометрически модель образована таким образом, как будто атом в виде сферы поделили на 8 частей (трижды разделив пополам) и в каждую часть поместили по одному кольцу-электрону. В кольцегранных моделях используют кольца двух цветов: красного и синего, которые отражают положительное и отрицательное значение спина электрона.

«Волногранная модель» (рис. 10) похожа на «кольцегранную» с тем отличием, что каж­дый электрон атома представлен «волновым» кольцом, которое содержит целое число волн (как это было предложено Л. де Бройлем).

Взаимо­действие электронов электронной оболочки на этой модели атома показано совпадением точек контакта синих и красных «волновых» колец с узлами стоячих волн.

Модели атома имеют право на существование и границы применения. Всякая модель атома – это прибли­жение, отражающее в упрощённой форме определённую часть знаний об атоме. Но ни одна из моделей не от­ражает полностью свойств атома или его составляющих частиц.

Многие модели сегодня представляют только исторический интерес. При построении моде­лей объектов микромира учёные опирались на то, что можно непо­средственно наблюдать. Так появились модели Перрена и Резерфор­да (аналогия со строением Солнечной системы), Нагаоки (некое подобие планеты Сатурн), Томсона («пудинг с изюмом»). Некоторые идеи были отброшены (динамичная модель Ленарда), к другим через некоторое время вновь обращались, но уже на новом, более высоком теоретическом уровне: модели Перрена и Кельвина получили развитие в моделях Резерфорда и Томсона. Представления о строении атома постоянно совер­шенствуются. Насколько точ­на современная – «квантово-механическая» модель – покажет время. Именно поэтому в верхней части спирали, символизирующей путь познания, нарисован вопро­сительный знак (рис. 7).

Стали важным шагом в развитии физики. Огромное значение имела модель Резерфорда. Атом как система и частицы, его составляющие, был изучен более точно и подробно. Это привело к успешному становлению такой науки, как ядерная физика.

Античные представления о строении вещества

Предположение о том, что окружающие тела состоят из мельчайших частиц, были высказаны еще в античные времена. Мыслители того времени представляли атом в виде мельчайшей и неделимой частицы любого вещества. Они утверждали, что нет во Вселенной ничего меньшего по размеру, чем атом. Таких взглядов придерживались великие древнегреческие ученые и философы — Демокрит, Лукреций, Эпикур. Гипотезы этих мыслителей сегодня объединены под названием «античный атомизм».

Средневековые представления

Времена античности прошли, и в средние века также были ученые, которые высказывали различные предположения о строении веществ. Однако преобладание религиозных философских взглядов и власть церкви в тот период истории на корню пресекали любые попытки и стремления человеческого разума к материалистическим научным выводам и открытиям. Как известно, средневековая инквизиция весьма недружелюбно вела себя с представителями научного мира того времени. Остается сказать, что у тогдашних светлых умов было пришедшее из античности представление о неделимости атома.

Исследования 18-19 веков

18 столетие было отмечено серьезными открытиями в области элементарного строения вещества. Во многом благодаря стараниям таких ученых, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов и Независимо друг от друга они сумели доказать, что атомы действительно существуют. Но вопрос об их внутреннем строении оставался открытым. Конец 18 века был отмечен таким знаменательным событием в научном мире, как открытие Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов. Это стало по-настоящему мощным прорывом того времени и приоткрыло завесу над пониманием того, что все атомы имеют единую природу, что они родственны друг другу. В дальнейшем, в 19 веке, еще одним важным шагом на пути к разгадке строения атома стало доказательство того, что в составе любого из них присутствует электрон. Работа ученых этого периода подготовила благодатную почву для открытий 20-го века.

Эксперименты Томсона

Английский физик Джон Томсон в 1897 году доказал, что в состав атомов входят электроны с отрицательным зарядом. На этом этапе ложные представления о том, что атом — предел делимости любого вещества, были окончательно разрушены. Как же Томсон сумел доказать существование электронов? Ученый в своих опытах помещал в сильно разреженные газы электроды и пропускал электрический ток. В результате возникали катодные лучи. Томсон тщательно изучил их особенности и обнаружил, что они являются потоком заряженных частиц, которые движутся с огромной скоростью. Ученый сумел высчитать массу этих частиц и их заряд. Он также выяснил, что их нельзя преобразовать в нейтральные частицы, поскольку электрический заряд — это основа их природы. Так были Томсон является и создателем первой в мире модели строения атома. Согласно ей, атом — это сгусток положительно заряженной материи, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны. Такое строение объясняет общую нейтральность атомов, так как противоположные заряды уравновешивают друг друга. Опыты Джона Томсона стали неоценимо важными для дальнейшего изучения строения атома. Однако многие вопросы оставались без ответа.

Исследования Резерфорда

Томсон открыл существование электронов, но он не сумел найти в атоме положительно заряженных частиц. исправил это недоразумение в 1911 году. Во время экспериментов, изучая активность альфа-частиц в газах, он обнаружил, что в атоме присутствуют частицы, положительно заряженные. Резерфорд увидел, что при прохождении лучей сквозь газ или через тонкую металлическую пластину происходит резкое отклонение незначительного количества частиц от траектории движения. Их буквально отбрасывало назад. Ученый догадался, что такое поведение объясняется столкновением с положительно заряженными частицами. Такие эксперименты позволили физику создать модель строения атома Резерфорда.

Планетарная модель

Теперь представления ученого несколько отличались от предположений, высказанных Джоном Томсоном. Разными стали и их модели атомов. позволил ему создать совершенно новую теорию в этой области. Открытия ученого имели решающее значение для дальнейшего развития физики. Модель Резерфорда описывает атом как ядро, расположенное в центре, и движущиеся вокруг него электроны. Ядро обладает положительным зарядом, а электроны — отрицательным. Модель атома по Резерфорду предполагала вращение электронов вокруг ядра по определенным траекториям — орбитам. Открытие ученого помогло объяснить причину отклонения альфа-частиц и стало толчком к развитию ядерной теории атома. В модели атома Резерфорда прослеживается аналогия с движением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Это очень точное и яркое сравнение. Поэтому модель Резерфорда, атом в которой движется вокруг ядра по орбите, была названа планетарной.

Работы Нильса Бора

Двумя годами позже датский физик Нильс Бор попытался объединить представления о строении атома с квантовыми свойствами светового потока. Ядерная модель атома Резерфорда была положена ученым в основу его новой теории. По предположению Бора, атомы вращаются вокруг ядра по круговым орбитам. Такая траектория движения приводит к ускорению электронов. Кроме того, кулоновское взаимодействие этих частиц с центром атома сопровождается созданием и расходованием энергии для поддержания пространственного электромагнитного поля, возникающего из-за движения электронов. При таких условиях отрицательно заряженные частицы должны когда-нибудь упасть на ядро. Но этого не происходит, что указывает на большую устойчивость атомов как систем. Нильс бор понял, что законы классической термодинамики, описанные уравнениями Максвелла, не работают во внутриатомных условиях. Поэтому ученый поставил перед собой задачу вывести новые закономерности, которые были бы справедливы в мире элементарных частиц.

Постулаты Бора

Во многом благодаря тому, что существовала модель Резерфорда, атом и его составляющие были неплохо изучены, Нильс Бор смог подойти к созданию своих постулатов. Первый из них гласит о том, что атом имеет при которых он не изменяет свою энергию, а электроны при этом движутся по орбитам, не меняя своей траектории. Согласно второму постулату, при переходе электрона с одной орбиты на другую происходит выделение или поглощение энергии. Она равна разности энергий предшествующего и последующего состояний атома. При этом, если электрон перепрыгивает на более близкую к ядру орбиту, то происходит излучение и наоборот. Несмотря на то что движение электронов мало напоминает орбитальную траекторию, расположенную строго по окружности, открытие Бора позволило получить великолепное объяснение существованию линейчатого спектра Приблизительно в это же время ученые-физики Герц и Франк, жившие в Германии, подтвердили учение Нильса Бора о существовании стационарных, стабильных состояний атома и возможность изменения значений атомной энергии.

Сотрудничество двух ученых

Кстати, Резерфорд длительное время не мог определить Ученые Марсден и Гейгер попытались осуществить перепроверку утверждений Эрнеста Резерфорда и в результате подробных и тщательных экспериментов и расчетов пришли к выводу о том, что именно ядро является важнейшей характеристикой атома, и в нем сосредоточен весь его заряд. В дальнейшем было доказано, что значение заряда ядра численно равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Интересно, что Нильс Бор вскоре познакомился с Резерфордом и полностью согласился с его взглядами. В последующем ученые длительно работали вместе в одной лаборатории. Модель Резерфорда, атом как система, состоящая из элементарных заряженных частиц, — все это Нильс Бор посчитал справедливым и навсегда отложил в сторону свою электронную модель. Совместная научная деятельность ученых была очень успешной и принесла свои плоды. Каждый из них углубился в изучение свойств элементарных частиц и сделал значимые для науки открытия. Позже Резерфорд обнаружил и доказал возможность разложения ядра, но это уже тема другой статьи.

Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра Опубликовано 10.03.2016 18:27 Просмотров: 4106

Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.

Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами . И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.

Открытие электрона. Модель атома Томсона

Джозеф Джон Томсон

В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами . Позже они стали называться электронами . Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.

Модель атома Томсона

Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали «моделью сливового пудинга».

Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.

Опыт Резерфорда

Эрнест Резерфорд

Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.

Опыт Резерфорда

Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.

Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.

Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.

Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома .

Планетарная модель атома Резерфорда

Модель атома Резерфорда

Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.

Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.

Почему атом существует

Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?

Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами .

Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.

Планетарная модель атома

Планетарная модель атома: ядро (красное) и электроны (зелёные)

Планетарная модель атома , или модель Резерфорда , — историческая модель строения атома , которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеянием альфа-частиц . По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны , — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики . Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга » Джозефа Джона Томсона , которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома.

Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году как вывод из эксперимента по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, проведённого под его руководством. При этом рассеянии неожиданно большое количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры и в нём сосредоточен значительный электрический заряд. 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 пропорционален атомной массе.

Недостатком планетарной модели была её несовместимость с законами классической физики. Если электроны движутся вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, то их движение ускоренное, и, следовательно, по законам классической электродинамики они должны были бы излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. Следующим шагом в развитии планетарной модели стала модель Бора , постулирующая другие, отличные от классических, законы движения электронов. Полностью противоречия электродинамики смогла решить квантовая механика .

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Планетарий Эйсе Эйсинги
  • Планетарная фантастика

Смотреть что такое «Планетарная модель атома» в других словарях:

    планетарная модель атома — planetinis atomo modelis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. planetary atom model vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. планетарная модель атома, f pranc. modèle planétaire de l’atome, m … Fizikos terminų žodynas

    Боровская модель атома — Боровская модель водородоподобного атома (Z заряд ядра), где отрицательно заряженный электрон заключен в атомной оболочке, окружающей малое, положительно заряженное атомное ядро … Википедия

    Модель (в науке) — Модель (франц. modèle, итал. modello, от лат. modulus мера, мерило, образец, норма), 1) образец, служащий эталоном (стандартом) для серийного ли массового воспроизведения (М. автомобиля, М. одежды и т. п.), а также тип, марка какого либо… …

    Модель — I Модель (Model) Вальтер (24.1.1891, Гентин, Восточная Пруссия, 21.4.1945, близ Дуйсбурга), немецко фашистский генерал фельдмаршал (1944). В армии с 1909, участвовал в 1 й мировой войне 1914 18. С ноября 1940 командовал 3 й танковой… … Большая советская энциклопедия

    СТРОЕНИЕ АТОМА — (см.) построен из элементарных частиц трёх видов (см.), (см.) и (см.), образующих устойчивую систему. Протон и нейтрон входят в состав атомного (см.), электроны образуют электронную оболочку. В ядре действуют силы (см.), благодаря которым… … Большая политехническая энциклопедия

    Атом — У этого термина существуют и другие значения, см. Атом (значения). Атом гелия Атом (от др. греч … Википедия

    Резерфорд Эрнест — (1871 1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Родился в Новой Зеландии, после окончания… … Энциклопедический словарь

    Άτομο

    Корпускул — Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия

    Корпускулы — Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия

Книги

Лекция: Планетарная модель атома

Строение атома

Наиболее точный способ определения структуры любого вещества — это спектральный анализ. Излучение у каждого атома элемента исключительно индивидуальное. Однако, прежде, чем понять, каким образом происходит спектральный анализ, разберемся, какую структуру имеет атом любого элемента.

Первое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый длительное время занимался изучением атомов. Более того, именно ему принадлежит открытие электрона — за что он и получил Нобелевскую премию. Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с действительностью, однако послужила достаточно сильным стимулом в изучении строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась «пудингом с изюмом».

Томсон считал, что атом является сплошным шаром, имеющим отрицательный электрический заряд. Для его компенсации в шар вкраплены электроны, как изюминки. В сумме заряд электронов совпадает с зарядом всего ядра, что делает атом нейтральным.

ВО время изучения строения атома выяснили, что все атомы в твердых телах совершают колебательные движения. А, как известно, любая двигающаяся частица излучает волны. Именно поэтому каждый атом имеет свой собственный спектр. Однако данные утверждения никак не вкладывались в модель Томсона.

Опыт Резерфорда

Чтобы подтвердить или опровергнуть модель Томсона, Резерфордом был предложен опыт, в результате которого происходила бомбардировка атома некоторого элемента альфа-частицами. В результате данного эксперимента было важно увидеть, как будет вести себя частица.

Альфа частицы были открыты в результате радиоактивного распада радия. Их потоки представляли собой альфа-лучи, каждая частица которых имела положительный заряд. В результате многочисленных изучений было определено, что альфа-частица походит на атом гелия, в котором отсутствуют электроны. Используя нынешние знания, мы знаем, что альфа частица — это ядро гелия, в то время Резерфорд считал, что это были ионы гелия.

Каждая альфа-частица имела огромную энергию, в результате чего она могла лететь на рассматриваемые атомы с высокой скоростью. Поэтому основным результатом эксперимента являлось определение угла отклонения частицы.

Для проведения опыта Резерфорд использовал тонкую фольгу из золота. На нее он направлял высокоскоростные альфа-частицы. Он предполагал, что в результате данного эксперимента все частицы будут пролетать сквозь фольгу, причем с небольшими отклонениями. Однако, чтобы выяснить это наверняка, он поручил своим ученикам проверить, нет ли больших отклонений у данных частиц.


Результат эксперимента удивил абсолютно всех, ведь очень многие частицы не просто отклонились на достаточно большой угол — некоторые углы отклонения достигали более 90 градусов.

Данные результаты удивили абсолютно всех, Резерфорд говорил, что такое чувство, будто на пути снарядов был поставлен листок бумаги, который не дал альфа-частице проникнуть во внутрь, в результате чего, она повернулась обратно.

Если бы атом действительно был сплошным, то он должен был иметь некоторое электрическое поле, которое затормаживало частицу. Однако, сила поля была недостаточной, чтобы остановить её полностью, а уж тем более отбросить обратно. А это значит, что модель Томсона была опровергнута. Поэтому Резерфорд начал работать над новой моделью.


Модель Резерфорда

Чтобы получить такой результат эксперимента, необходимо сосредоточить положительный заряд в меньшем размере, в результате чего получится большее электрическое поле. По формуле потенциала поля можно определить необходимый размер положительной частицы, которая смогла бы оттолкнуть альфа-частицу в противоположном направлении. Радиус её должен быть порядка максимум 10 -15 м . Именно поэтому Резерфорд предложил планетарную модель атома.


Данная модель названа так неспроста. Дело в том, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, подобное Солнцу в Солнечной системе. Вокруг ядра, как планеты вращаются электроны. Солнечная система устроена таким образом, что планеты притягиваются к Солнцу с помощью гравитационных сил, однако, они не падают на поверхность Солнца в результате имеющейся скорости, которая держит их на своей орбите. То же самое происходит и с электронами — кулоновские силы притягивают электроны к ядру, но за счет вращения они не падают на поверхность ядра.

Одно предположение Томсона оказалось абсолютно верно — суммарный заряд электронов соответствует заряду ядра. Однако в результате сильного взаимодействия электроны могут быть выбиты со своей орбиты, в результате чего заряд не компенсируется и атом превращается в положительно заряженный ион.

Очень важной информации относительно строения атома является то, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Например, у атома водорода имеется всего один электрон, чья масса более, чем в полторы тысячи раз меньше, чем масса ядра.


Рекомендуем также

Разработка модели атома

Томсон взял идею атома и попытался включить доказательства существования электрона. В этой модели электроны — это мелочи, а все остальное — некоторая положительная материя. Это обычно называют моделью отвесного пудинга, потому что электроны подобны вещам в положительном пудинге.

Рассеяние Резерфорда

Эрнест Резерфорд однажды сказал: «Эй, я думаю, что я буду стрелять в атомы.«Я уверен, что его жена сказала: «О, Эрни» (она, вероятно, называла его Эрни) «если это доставляет вам удовольствие, играя со своими маленькими физическими штучками, вперед. Я знаю, как вам это нравится». Так он и сделал. Он выстрелил альфа-частицами (которые на самом деле являются просто ядром атома гелия) в очень тонкую золотую фольгу. Вот схема его эксперимента.

Если вы стреляете этими положительными альфа-частицами в этот положительный атом пудинга, они должны в основном отскакивать, верно?Ну, это не то, что произошло.Резерфорд обнаружил, что большинство из них прошли сквозь фольгу. Некоторые из них отскочили назад. Как такое могло быть, если модель отвесного пудинга была верна? Эксперимент Резерфорда привел к изменению атомной модели. Если положительные альфа-частицы в основном прошли сквозь фольгу, но некоторые отскочили обратно. И если они уже знали, что электрон маленький и отрицательный, то атом должен иметь маленькое положительное ядро ​​с электронами вокруг них.

Модель Бора

Модель, предложенная Нильсом Бором, встречается во многих вводных научных текстах.В этой модели много хороших идей, но она не согласуется со всеми имеющимися данными. Модель пытается установить связь между светом и атомами.

Предположим, вы берете немного света и позволяете разным цветам преломляться в разной степени (представьте, что это радуга). Таким образом, вы могли видеть, какие цвета присутствуют для разных источников света. Вот три разных источника света.

Возможно, свет от лампочки — это то, что вы ожидаете. Это цвета радуги.Однако предположим, что вы взяли немного газообразного водорода и возбудили его. Производятся только определенные цвета (только определенные длины волн) света. Если вы направите свет через газообразный водород, появятся темные полосы света тех же цветов.

Итак, Бор сказал, что эти цвета света в газообразном водороде соответствуют различным энергетическим уровням, которые может иметь электрон в водороде. И это ключ к модели Бора — электроны могут находиться ТОЛЬКО на определенных энергетических уровнях в атоме. Это безумие (по крайней мере, для своего времени).Представьте себе планету, вращающуюся вокруг Солнца. Это может быть любой энергетический уровень. В этом случае существует гравитационная сила, притягивающая планету, которая производит орбитальное движение. Это будет работать в любой точке Солнечной системы.

Ранние физики представляли электрон в атоме очень похожим на планету, вращающуюся вокруг Солнца. Ключевое отличие состоит в том, что электрон (в модели Бора) движется по орбите за счет электрического, а не гравитационного взаимодействия. Другое отличие модели Бора состоит в том, что электрон не может двигаться по орбите (если он вращается, а это не так) ни на каком расстоянии и ни при какой энергии.В этом суть модели Бора.

Атомная теория и строение

Далее следует вспомогательное содержание лекции 4 по общей химии I. Эта лекция будет охватывать историю развития теории атома, строение атома, химическую символику и расчеты атомной массы.

Мы начнем с обзора шагов, предпринятых для создания атомной теории:

Теперь, когда мы рассмотрели, как мы пришли к атомной теории, давайте посмотрим на атомную структуру, которую мы теперь считаем истинной.

Атомная структура

довольно проста. Ее часто описывают как похожую на солнечную систему с ядром, представляющим солнце, и электронами, действующими как планеты:

.

 

Атом состоит из трех типов частиц, расположенных в двух областях. протонов и нейтронов расположены в ядре , а электронов расположены на энергетических уровнях, окружающих ядро.

Теперь, когда вы знакомы с частицами, из которых состоит каждый атом элемента, давайте рассмотрим, как эти частицы представлены в периодической таблице.Другими словами, информация, которая приведена в символике, используемой в таблице Менделеева, позволяет определить протоны, нейтроны и электроны, содержащиеся в каждом атоме или элементе.

Мы можем представить элемент или атом элемента его символом.

  • С = углерод
  • О = кислород
  • В = бор
  • Pb = свинец

Мы также используем эти символы, чтобы показать, как атомы (в молекулах) меняют партнеров в химической реакции.

  • CO + PbO → CO2 + Pb
  • Nh4 + HCl → Nh5Cl

Как существуют сами элементы?

Одноатомные элементы

He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
(называемые благородными газами, раньше их называли инертными газами)

Двухатомные элементы

h3, O2, N2, F2, Cl2, Br2, I2
(Кислород также существует в виде O3 = озона. Это называется аллотропной формой; многие элементы существуют в нескольких аллотропных формах.)

Прочие формы элементов

P4, S8, C60 и т. д.
Алмаз, графит и бакминстерфуллерен («бакибол», C60) — все это формы одного и того же элемента — углерода.

В таблице Менделеева каждому элементу дается поле, содержащее его химический символ, а также несколько других элементов информации:

Глядя на символ магния, вы заметите несколько цифр: 24, 12 и 2+. Каждое из этих чисел дает ключ к атомной структуре этого конкретного атома магния.

Начнем с самого важного из трех: числа 12. Это называется Атомный номер и соответствует количеству протонов в атоме. Количество протонов уникально для каждого элемента, поэтому, если вы измените количество протонов, вы измените элемент. Другими словами, КАЖДЫЙ атом магния будет иметь ровно 12 протонов в своем ядре.

Следующее число, на которое следует обратить внимание, это 24. Это число называется числом атомной массы и представляет собой округленное значение атомной массы атома.Эта масса определяется суммированием всех масс протонов и нейтронов в ядре. Итак, если вы знаете атомное массовое число и знаете атомный номер, вы можете легко вычислить количество нейтронов в атоме:

.

Атомный массовый номер — Атомный номер = Количество нейтронов

24 (протоны и нейтроны) — 12 протонов = 12 нейтронов

Последнее число на символе может быть использовано для расчета количества электронов в элементе или ионе, если есть заряд + или -. Мы знаем, что протоны несут заряд +1, а электроны несут заряд -1 из атомной теории. Таким образом, если в атоме присутствует равное количество протонов и электронов, общий заряд равен 0 или нейтрален.

протонов + электронов = состояние заряда или ионизации

Итак, если имеется заряд, как в приведенном выше примере, 2+, это означает, что протонов на два больше, чем электронов и

(12+) — (?e-) = 2+, поэтому число электронов равно 10.

Давайте потренируемся:

Наконец, нам нужно более подробно обсудить атомную массу , а затем атомную массу .

Изотопы

Поскольку нам нужно рассчитать количество нейтронов, присутствующих в атоме, исходя из атомного массового числа, это означает, что существует более одного атомного массового числа. Если бы было только одно, как в случае с атомной массой, нам не понадобился бы расчет для определения числа нейтронов, оно было бы просто известно, верно? Итак, поскольку мы можем рассчитать количество нейтронов, присутствующих в каждом атоме, это означает, что даже атомы одного и того же элемента могут иметь разное количество нейтронов, и это действительно так. Мы называем атомы элементов с разным числом нейтронов изотопами.

Существует много известных изотопов для каждого элемента, за очень немногими исключениями, имеющими только один. Вы можете найти эти элементы только с одним изотопом, взглянув на их атомную массу, показанную в периодической таблице. Вы можете догадаться, как? Что ж, позвольте мне дать вам подсказку. Атомная масса, указанная в периодической таблице для каждого элемента, рассчитывается путем взятия «процентного содержания» каждого изотопа и умножения его на его массу.Так что в основном это средневзвешенная масса. НО, если бы был только один изотоп, была бы только одна масса, верно? Таким образом, вы могли бы выяснить, какой элемент (элементы) имеет только один изотоп.

Атомная масса

Итак, я использовал пару терминов, приведенных выше, которые я обнаружил ранее, вызывающих математическую панику у студентов, поэтому позвольте мне привести пример, который мог бы сделать «средневзвешенную атомную массу» и использование в ней «процентного содержания» более понятными.

Предположим, вы хотите рассчитать среднюю массу группы из 25 человек.13 человек — женщины, а остальные 12 — мужчины (дух). Поскольку большинство мужчин весят больше, чем большинство женщин, присвоение всем одного веса не дает очень точного среднего веса. Но если бы каждый мужчина весил ~ 180 фунтов, а каждая женщина весила ~ 130 фунтов, вы могли бы взять процент каждого (женщины 13/25 = 0,52 или 52% и мужчины 12/25 = 0,48 или 48%) и умножить эти проценты на массу и получить довольно близко к средней массе группы.

So (0,52 x 130 фунтов) + (0,48 x 180 фунтов) = 154 фунта

Это именно то, что мы делаем, чтобы получить средневзвешенную атомную массу.Мы берем процент каждого изотопа и умножаем его на массу изотопа, чтобы получить его индивидуальный вклад в общую массу элемента:

.

Пример:

 

Вот несколько практических задач:

 

 

Экспериментальные данные о структуре атома

Экспериментальные данные о структуре атома

Георгий Сивулка


23 марта 2017 г.

Представлено в качестве курсовой работы для Ph341, Стэнфордский университет, зима 2017 г.

Введение

Рис.1: Трехмерный вид аппарат, аналогичный последнему цилиндрическому прибору Гейгера и Марсдена итерация, наглядно показывающая рассеяние альфа-частиц по золотой фольге. (Источник: Викимедиа Коммонс)

Резерфордский эксперимент с золотой фольгой предложил первое экспериментальное свидетельство, которое привело к открытию ядра атом как маленькое, плотное и положительно заряженное атомное ядро.Также известные как эксперименты Гейгера-Марсдена, открытие на самом деле включало серия экспериментов, проведенных Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом при Эрнесте Резерфорде. Эксперимент Гейгера и Марсдена доказательства, Резерфорд вывел модель атома, открыв атомную ядро. Его «Модель Резерфорда», описывающая крошечный положительно заряженный атомный центр, окруженный вращающимися электронами, был ключевым научным Открытие, раскрывающее структуру атомов, составляющих все материя во Вселенной.

Экспериментальные доказательства открытия связано с рассеянием пучка частиц после прохождения через тонкую закупорка золотой фольгой. Частицы, использованные для эксперимента — альфа частицы — положительны, плотны и могут испускаться радиоактивным источник. Эрнест Резерфорд открыл альфа-частицу как положительную радиоактивный выброс в 1899 г. и вывел его заряд и массовые свойства. в 1913 году, проанализировав заряд, который он индуцировал в воздухе вокруг себя.[1] Как эти альфа-частицы имеют значительный положительный заряд, любой значительные потенциальные помехи должны быть вызваны большим концентрация электростатической силы где-то в структуре атом. [2]

Предыдущая модель атома

Рис. 2: Сравнение J.J. Модель атома Томпсона «сливовый пудинг» и модель Резерфорда Модель и ее ядро.Альфа-частицы и их рассеяние или их отсутствие изображаются дорожками черного стрелы. (Источник: Викимедиа Коммонс)

Рассеяние пучка альфа-частиц должно иметь было невозможно согласно принятой в то время модели атома. Эта модель, изложенная лордом Кельвином и расширенная Дж. Дж. Томпсоном. после открытия электрона считал, что атомы состоят из сферы положительного электрического заряда, усеянной присутствием отрицательно заряженные электроны.[3] Описание атомной модели, аналогичной «сливовый пудинг», предполагалось, что электроны распределяются во всем этом поле положительного заряда, как сливы, распределенные в Десерт. Однако в этой модели сливового пудинга отсутствовало какое-либо присутствие значительная концентрация электромагнитной силы, которая может ощутимо влияют на любые альфа-частицы, проходящие через атомы. Таким образом, альфа частицы не должны иметь признаков рассеяния при прохождении через тонкие иметь значение.[4] (см. рис. 2)

Эксперименты Гейгера Марсдена

Проверка этой общепринятой теории, Ганс Гейгер и Эрнест Марсден обнаружил, что атомы действительно рассеивают альфа-частицы. экспериментальный результат полностью противоречит модели атома Томпсона. В 1908 году была опубликована первая статья из серии экспериментов, описание аппарата, используемого для определения этого рассеяния, и происходит рассеяние на малые углы.Гейгер построил двухметровую стеклянная трубка, закрытая с одного конца радиевым источником альфа-частиц а на другом конце фосфоресцирующим экраном, который излучал свет, когда попадание частицы. (см. рис. 3) Альфа-частицы прошли по длине трубки, через щель посередине и попала в экран детектора, производя мерцания света, которые отмечали их точку падения. Гейгер отмечал, что «в хорошем вакууме вряд ли и мерцания были бы наблюдается вне геометрического образа щели, «в то время как при щель была покрыта позолотой, площадь наблюдаемых мерцаний был гораздо шире, и «различие в распределении можно было отметить с невооруженным глазом. [5]

Рис. 3: Схема оригинала Двухметровая трубка, которую Гейгер сконструировал и использовал для сначала обнаружить рассеяние альфа-частиц на атомном ядро. В точке, обозначенной R, находится частица радона. источник излучения и Z экран детектора. (Источник: Викимедиа Коммонс)

По просьбе Резерфорда Гейгер и Марсден продолжал тестировать рассеяние на большие углы и под разными параметры эксперимента, собирая данные, которые позволили Резерфорду далее собственные выводы о природе ядра.К 1909 г. Гейгер и Марсден показали отражение альфа-частиц под углами более чем на 90 градусов, наклоняя источник альфа-частиц к отражатель из листа фольги, который теоретически отражал бы падающее частицы на экране обнаружения. Разделение источника частиц и экран детектора свинцовым барьером для уменьшения паразитного излучения, они отметил, что 1 из каждых 8000 альфа-частиц действительно отражается тупые углы, необходимые для отражения металлического листа и на экран с другой стороны. [6] Более того, в 1910 г. Гейгер усовершенствовал дизайн своего первого эксперимента с вакуумной трубкой, упрощающий измерение расстояние отклонения, варьировать типы и толщину фольги, а также регулировать скорость потока альфа-частиц с препятствиями из слюды и алюминия. Здесь он обнаружил, что как более толстая фольга, так и фольга из элементов увеличение атомного веса привело к увеличению наиболее вероятного угол рассеяния. Кроме того, он подтвердил, что вероятность угол отражения более 90 градусов был «исчезающе малым» и отметил, что повышенная скорость частиц, скорее всего, уменьшилась. угол рассеяния.[7]

Атом Резерфорда

Опираясь на эти экспериментальные данные, Резерфорд изложил свою модель строения атома, рассуждая, что, поскольку атомы четко рассеянные падающие альфа-частицы, структура содержала гораздо большая электростатическая сила, чем предполагалось ранее; как большой угол рассеяние было редким явлением, источник электростатического заряда был содержится лишь в доли общего объема атома. Как он заключает это рассуждение «простейшим объяснением» в своем 1911 г. бумаге, «атом содержит центральный заряд, распределенный по очень малый объем» и «большие одиночные отклонения обусловлены центральным заряд в целом». Фактически, он математически смоделировал рассеяние закономерности, предсказанные этой моделью с этим маленьким центральным «ядром», будут точечный заряд. Позже Гейгер и Марсден экспериментально проверили каждое из отношения, предсказанные в математической модели Резерфорда с методы и устройства рассеяния, которые улучшили свои предыдущие работу, подтверждающую атомную структуру Резерфорда.[4, 8, 9] (см. 1)

С экспериментально проанализированным характером прогиба альфа-лучей тонкой золотой фольгой, правда, обрисовывающей в общих чертах структуру атом становится на место. Хотя позже немного поправил Quantum Эффекты механики, понимание строения атома сегодня почти полностью следует из выводов Резерфорда о Эксперименты Гейгера и Марсдена. Это знаменательное открытие принципиально продвинули все области науки, навсегда изменив мировоззрение человечества. понимание окружающего нас мира.

© Георгий Сивулка. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать это произведение в неизмененном виде, с ссылка на автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, сохраняются за автором.

Каталожные номера

[1] Э. Резерфорд, «Урановое излучение и Электрическая проводимость, производимая им», Philos. Mag. 47 , 109 (1899 г.).

[2] Э.Резерфорд «Строение атома». Филос. Маг. 27 , 488 (1914).

[3] Дж. Дж. Томсон, «О структуре атома: Исследование устойчивости и периодов колебаний ряда Тельца, расположенные через равные промежутки по окружности Круг; с приложением результатов к теории атомных Структура», Philos. Mag. 7 , 237 (1904).

[4] Э. Резерфорд, Рассеяние α и β-частицы материи и структура атома», Philos.Маг. 21 , 669 (1911).

[5] Гейгер Х., О рассеянии α Particles by Matter, Proc. R. Soc. A 81 , 174 (1908).

.

[6] Х. Гейгер и Э. Марсден, «О диффузном Отражение α-частиц», Proc. R. Soc. A 82 , 495 (1909).

[7] Г. Гейгер, «Рассеяние α Particles by Matter, Proc. R. Soc. A 83 , 492 (1910).

.

[8] Э.Резерфорд, «Происхождение α и β Rays From Radioactive Substances, Philos. Mag. 24 , 453 (1912).

.

[9] Х. Гейгер и Э. Марсден, «Законы отклонения α-частиц под большими углами, Philos. Mag. 25 , 604 (1913).

Разработка моделей атомов — Атомная структура — OCR Gateway — GCSE Combined Science Revision — OCR Gateway

Модель Дальтона (1803)

  • атомы не могут быть разбиты на что-то более простое
  • атомы данного элемента идентичны друг другу
  • атомы разных элементов отличаются друг от друга
  • во время химических реакций атомы перестраиваются в производить различные вещества
  • Модель Томсона (1897 г.)

    JJ Томсон открыл электрон. Атомы в целом нейтральны, поэтому в «модели сливового пудинга» Томсона:

      атомы представляют собой сферы с положительным зарядом
    • электроны расставлены внутри
    Модель сливового пудинга

    Эксперимент Гейгера-Марсдена (1909–1911)

    Ганс Гейгер и Эрнест Марсден протестировали модель сливового пудинга.Они направили лучи положительно заряженных частиц на очень тонкую золотую фольгу. Согласно модели сливового пудинга, эти частицы должны были пройти насквозь. Однако многие из них изменили направление. Эрнест Резерфорд объяснил эти результаты в своей «планетарной модели»:

    • атомов имеют центральное положительно заряженное ядро ​​с большей массой
    • Модель Бора (1913)

      Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда.Используя математические идеи, он показал, что электроны занимают оболочки или энергетические уровни вокруг ядра.

      Эти распространенные модели атомов на самом деле совершенно неверны

      Если вы введете «атом» в поиск картинок Google прямо сейчас, почти все, что вы получите, — это дерьмовая куча клик-артных планетарных моделей — это упрощенное представление атомной структуры, которая выглядит как планеты, вращающиеся вокруг центральной звезды.

       

      Как ни важно иметь упрощенную модель, чтобы мы могли изучить основы строения атома, эта планетарная модель настолько неверна, что любые атомы, у которых есть электроны, вращающиеся вокруг ядра, очень быстро разрушатся сами по себе и исчезнут. .

      Несмотря на то, что планетарная, или резерфордовская, модель была создана более века назад и очень быстро была заменена другим, столь же упрощенным представлением — моделью Бора, — она ​​остается в общественном сознании без признаков угасания.

      Как поясняется в приведенном ниже эпизоде ​​SciShow, в 1913 году модель Бора улучшила планетарную модель, отказавшись от неустойчивых спиралевидных орбит и заменив их концентрическими кругами, которые визуализировали различные энергетические уровни, на которых находятся электроны.

      Но хотя мы часто видим, как эта модель используется в старшей школе для обучения нас валентностям, она также не рассказывает всей истории, даже если вы допускаете упрощенную версию вещей.

      Во-первых, модель была разработана более чем за десять лет до того, как физики узнали, что такое нейтроны, и они очень важны, если вы хотите правильно представить атом.

      А еще есть странность квантовой механики, которая утверждает, что а) электроны вообще не обязательно вращаются вокруг ядра, и б) они даже не существуют в определенном месте в определенное время.

       

      «Вместо этого они как бы находятся во множестве разных мест одновременно, в пределах большей области. Затем, когда вы измеряете электрон, он внезапно оказывается в одном конкретном месте в этой области», — объясняет Оливия Гордон в видео. ниже.

      «Это странная концепция, которая сильно отличается от нашего обычного восприятия мира, но для вас это квантовая механика.»

      Более точный способ изобразить атом, сохраняя при этом простоту, — изобразить пространство вокруг ядра в виде темного «электронного облака».

      Это в основном показывает, где электроны могут плавать в любой данный момент, не подразумевая, что они заняли определенное положение: , поэтому, хотя модель электронного облака является наиболее точным и простым способом изобразить атом, она не делает другие варианты бесполезными.

      Что хорошо в этих различных моделях, так это то, что вы можете использовать модель электронного облака, если хотите сосредоточиться на химических связях или на том, где находятся электроны в целом, а модель Бора может показать вам энергетические уровни и излучение данного атома.

      Даже ужасная планетарная модель может научить основам электронных орбит, но просто помните — правда намного интереснее, чем эта красивая картинка, и если вам нужно реальное изображение атомной структуры, у нас теперь есть и они:

      Первое в истории изображение орбитальной структуры атома водорода. Предоставлено: APS/Алан Стоунбрейкер

       

      Frontiers | Простой подход к характеристике атомной структуры для машинного обучения моделей структуры-свойства границ зерен

      1.Введение

      Границы зерен (ГЗ) играют важную роль для многих свойств материалов, таких как водородное охрупчивание (Bechtle et al., 2009), ползучесть (Gertsman and Tangri, 1997; Watanabe et al., 2009), коррозионная стойкость (Shimada et al., 2009). ., 2002; Tan et al., 2008) и проводимости (Zhang et al., 2006). В то время как структура ГБ чаще всего экспериментально характеризуется их пятью макроскопическими кристаллографическими степенями свободы (Ashby et al., 1978), именно атомная структура в основном определяет их свойства (Katritzky and Fara, 2005). Атомистическое моделирование использовалось для исследования атомной структуры ГБ и того, как она коррелирует с их наблюдаемыми свойствами (Zhang et al., 2009). Однако атомная структура ГБ намного сложнее, чем их кристаллографическая структура, и традиционные дескрипторы идентификации кристаллов не предназначены для классификации структуры подавляющего большинства атомов, присутствующих в ГБ. В качестве примера мы проанализировали 388 ГБ, созданные Olmsted et al. (2009) с использованием общепринятых методов идентификации кристаллической структуры: анализа валентного угла (BAA) (Ackland and Jones, 2006), анализа общих соседей (CNA) (Faken and Jónsson, 1994) и сопоставления полиэдрических шаблонов (PTM) (Larsen et al. ., 2016). В таблице 1 представлен процент атомов ГБ, которые не были классифицированы (т. е. классифицированы как «другие»/неизвестные структуры) по каждому методу во всех 388 ГБ и в подмножестве из 41 Σ3 ГБ. Тот факт, что 50–98% атомов ГБ остаются неклассифицированными, затрудняет выявление взаимосвязей между атомной структурой и свойствами ГБ и указывает на острую потребность в новых методах, которые могут описать сложную атомную структуру ГБ.

      Таблица 1 . Сравнение методов характеристики, примененных к набору данных Olmsted GB (Olmsted et al., 2009).

      Из-за сложной и многомерной природы атомных структур ГБ машинное обучение и связанные статистические подходы обеспечивают привлекательный путь для разработки моделей атомных структур-свойств. Однако невозможность определить атомарную структуру внутри ГБ усложняет такую ​​работу, потому что эффект различных атомарных сред не может быть извлечен, если эти среды не могут быть различимы. Если бы было возможно полностью охарактеризовать атомарную структуру ГБ, методы уменьшения размерности, такие как выбор признаков (например,например, деревья решений) и преобразование признаков (например, анализ основных компонентов) могут применяться для определения атомарных сред, которые управляют интересующими свойствами. Затем можно было бы предоставить помеченные данные моделирования для обучения контролируемых алгоритмов машинного обучения, а также разработать прогностические модели, которые значительно расширили бы наше понимание отношений атомной структуры и свойств для ГБ.

      Как показано выше, общепринятых методов идентификации кристаллической структуры недостаточно для решения этой задачи.Следовательно, несколько авторов разработали методы идентификации произвольных некристаллических атомных структур для таких приложений, как определение межатомных потенциалов (Bartók et al., 2013), анализ коллоидной кристаллизации (Reinhart et al., 2017) и определение границ зерен (Banadaki and Патала, 2017; Розенброк и др., 2017; Придеман и др., 2018). Краткое изложение их работы дано в разделе 2. Хотя эти методы эффективны, они также значительно сложнее, чем простые методы идентификации кристаллической структуры, которые обычно используются.Основной вклад настоящей работы состоит в преодолении этого пробела.

      Применяя простую версию анализа общих соседей (CNA) и используя информацию, которая уже доступна, но которая обычно отбрасывается, мы разрабатываем подход, который (i) может характеризовать произвольные атомные среды, а также (ii) прост в использовании. реализовать, и (iii) построен на дескрипторе, который уже знаком сообществу атомистического моделирования. Мы демонстрируем, что, несмотря на его простоту, его можно использовать в целях прогнозирования как часть стратегии машинного обучения для разработки моделей структуры-свойства ГБ.Мы ожидаем, что простота и эффективность этого подхода облегчит разработку прогнозирующих моделей структуры-свойства для ГБ, а также других приложений, включающих атомные структуры с более низкой симметрией, такие как те, которые присутствуют в металлических стеклах.

      2. Фон

      В последнее время и в последнее десятилетие наблюдается большой интерес к характеристике атомных структур, и в литературе имеется несколько обзоров (Stukowski, 2012; Priedeman, 2018), поэтому здесь дается только краткое описание.

      2.1. Идентификация кристаллических атомных сред

      Общие методы, используемые для идентификации кристаллических структур, включают параметр центросимметрии (Kelchner et al. , 1998), анализ общих соседей (CNA) (Faken and Jónsson, 1994), сопоставление полиэдрических шаблонов (PTM) (Larsen et al., 2016), и методы анализа клеток Вороного (Bernal, 1959; Rahman, 1966; Bernal and Finney, 1967; Finney, 1970; Hsu and Rahman, 1979; Sheng et al., 2006; Lazar et al., 2015).

      Параметр центросимметрии является мерой расстояния до n ближайших соседей атома, чтобы определить, находится ли атом внутри объемного кристалла или дефекта.Методы анализа CNA, PTM и Вороного классифицируют атомную структуру атома путем сравнения его локального окружения с библиотекой известных структур, обычно гранецентрированной кубической (FCC), гексагональной плотноупакованной (HCP), объемно-центрированной кубической. (BCC), икосаэдрический (ICO) и, для некоторых из этих методов, простой кубический (SC).

      Эти методы предоставляют ценные инструменты для определения местоположения, а в некоторых случаях и типов дефектов, присутствующих в атомистической модели. Однако, как и все инструменты (в том числе те, которые мы представляем в этой статье), каждый метод имеет определенные недостатки и ограничения. Основные недостатки параметра центросимметрии заключаются в том, что количество соседей, n , является определяемым пользователем параметром, а параметр центросимметрии не дает никакого представления о том, что такое локальная структура, если она является частью дефекта. Хотя некоторые ограничения CNA были уменьшены за счет введения адаптивного радиуса отсечки (Stukowski, 2012), этот метод обычно используется только для определения того, принадлежит ли атом к одному из небольшого набора заранее определенных сред. PTM использует более надежный метод Вороного для идентификации соседей, но он также опирается на сравнение с небольшой библиотекой известных сред.Анализ Вороного обычно характеризует локальные среды количеством граней с определенным количеством ребер, но этот подход не позволяет различать некоторые общие среды (FCC и HCP) (Bernal, 1959; Rahman, 1966; Bernal and Finney, 1967; Finney, 1970; Хсу и Рахман, 1979; Шэн и др., 2006). Недавно разработанный метод топологии Вороного (VoroTop) (Lazar et al. , 2015) использует представления плоского графа для решения этой проблемы, включая информацию о расположении граней, но требует большой базы данных почти вырожденных вариантов известных ячеек Вороного для сравнить с, так как небольшие смещения атомов могут существенно повлиять на топологию ячейки Вороного.Как и в других методах идентификации кристаллической структуры, метод VoroTop в основном использует небольшую библиотеку известных структур. В эти библиотеки можно добавить дополнительные окружения, но это нужно делать вручную.

      2.2. Идентификация некристаллических атомных сред

      Для адекватного анализа локальной атомной структуры дефектов, таких как ГБ, необходим метод, который может классифицировать атомы без априорного знания о присутствующих структурах (т.е., без опоры на небольшой предварительно вычисленный список известных структур). В нескольких недавних публикациях представлены методы определения произвольной локальной среды (Bartók et al., 2013; Banadaki and Patala, 2017; Reinhart et al. , 2017; Rosenbrock et al., 2017; Priedeman et al., 2018), а также краткое описание каждого приведено здесь.

      Барток и др. (2013) разработали дескриптор атомарной структуры, основанный на суперпозиции ядер Гаусса с центром в атомных позициях, называемый ядром/дескриптором SOAP.SOAP уникален тем, что представляет собой непрерывный дескриптор (что делает его устойчивым к небольшим изменениям в положениях атомов), в отличие от большинства других дескрипторов, дискретных по своей природе. SOAP недавно был применен для характеристики ГБ Rosenbrock et al. (2017) и Priedeman et al. (2018).

      Банадаки и Патала (2017) представили модель многогранной единицы, которая сравнивает окрестности пустот в атомных структурах (в которых центрируются вершины мозаики Вороного) с исчерпывающей библиотекой конфигураций плотноупакованных сфер, включающей до 12 сфер.Преимущество модели многогранных единиц заключается в том, что можно рассчитать среднеквадратичное отклонение для количественной оценки того, насколько близки конкретные структуры к их эталонным структурам, но результирующие многогранники центрируются на пустоте, а не на атоме, который является более распространенным представлением. атомной среды.

      Рейнхарт и др. (2017) разработали алгоритм под названием Neighborhood Graph Analysis (NGA), который реализовал CNA с адаптивным радиусом отсечки для создания сигнатур CNA для произвольных сред, присутствующих в моделировании коллоидной кристаллизации.Однако адаптивное отсечение создает асимметричный граф соседства (т. е. атом B может быть соседом атома A, но это не означает, что атом A будет в множестве соседей атома B), который может искусственно увеличивать количество уникальных сред ( т. е. происходит чрезмерное разбиение конфигурационного пространства). Это компенсируется использованием алгоритма машинного обучения для определения взаимосвязей между дискретными сигнатурами и объединения похожих сред с разными сигнатурами.Рейнхарт и др. al впоследствии разработали модифицированную версию своего исходного алгоритма, который они назвали алгоритмом «быстрого NGA» (fNGA) (Reinhart and Panagiotopoulos, 2018), который определяет соседей с помощью триангуляции Делоне (аналогично PTM) и использует графлеты для резкого снизить вычислительные затраты на этапе консолидации. Настоящую работу можно рассматривать как упрощенную версию оригинального подхода Рейнхарта.

      Хотя все эти методы эффективны для классификации некристаллических атомных сред, они сложны и в некоторых случаях требуют больших вычислительных ресурсов.В этой статье мы представляем сравнительно простую альтернативу, основанную на CNA, для идентификации произвольных локальных сред без использования заранее определенной библиотеки структур. Из-за его простоты и того факта, что он требует лишь незначительной постобработки (код представлен в дополнительных материалах) традиционных данных CNA, которые уже повсеместно доступны в существующих пакетах программного обеспечения, наш подход можно легко принять. Хотя наш метод, как и другие, страдает от чрезмерного разделения пространства уникальных атомных сред, мы показываем, что, тем не менее, можно получить представление о важных отношениях структура-свойство.Мы демонстрируем полезность этого метода, характеризуя уникальные атомные среды (UAE), присутствующие в 388 ГБ набора данных Olmsted (Olmsted et al. , 2009). Мы также проверяем недавнюю гипотезу (Banadaki, Patala, 2016) о том, что структуры Σ3 ГБ могут распадаться на грани ГБ, занимающие углы соответствующей плоской фундаментальной зоны (ФЗ) ГБ. Наконец, мы приводим краткий пример того, как UAE, идентифицированные с помощью нашего подхода, могут служить входными данными для стратегий машинного обучения для разработки моделей атомарных свойств структуры для ГБ.

      3. Методы

      3.1. Традиционный анализ общих соседей

      В традиционном методе CNA определяется набор из трех индексов ( j, k, l ), который описывает топологию графа, образованного ближайшими соседними атомами (см. рис. 1). Три индекса вычисляются для каждого соседнего атома, чтобы определить их отношение к центральному атому. Первый индекс j перечисляет количество общих ближайших соседей (например, на рисунке 1 четыре светло-фиолетовых атома являются ближайшими соседями как центрального атома, так и темно-фиолетового атома, поэтому для темно-фиолетового атома j = 4) . Индекс k перечисляет количество связей между общими ближайшими соседями (например, на рисунке 1 есть две пунктирные фиолетовые линии, указывающие на две различные связи между общими ближайшими соседями, поэтому для темно-фиолетового атома k = 2). Наконец, индекс l перечисляет количество связей в самой длинной цепочке связей, образованной общими соседями (например, на рис. 1 пунктирные фиолетовые линии не имеют общего атома, поэтому самая длинная цепочка связей между общими ближайшими соседями равна 1). , что дает l = 1 для темно-фиолетового атома).Индексы CNA рассчитываются для каждой пары атомов. Затем локальное окружение (то есть «атомная структура») конкретного атома определяется набором индексов CNA всех его ближайших соседей. Как и в предыдущей литературе (Stukowski, 2012; Reinhart et al., 2017), мы называем это CNA-сигнатурой атома, чтобы отличить ее от CNA-индексов атома. Например, сигнатура CNA атома, локальная структура которого соответствует решетке FCC, будет обозначаться {12 × (4, 2, 1)}, что указывает на то, что он имеет 12 ближайших соседей, каждый с индексами CNA (4, 2, 1). 1).Атом с менее симметричным локальным окружением, например атом, принадлежащий ГБ, может иметь сигнатуру CNA {2 × (3, 1, 1), 3 × (4, 2, 1), 2 × (4, 2, 2), 2 × (4, 3, 3), } {1 × (4, 4, 4), 2 × (5, 4, 4)}, что указывает всего двенадцать ближайших соседей, но которые имеют разные индексы CNA .

      Рисунок 1 . Иллюстрация процесса определения индексов CNA и сигнатуры CNA, концепция, вдохновленная Reinhart et al. (2017). На (A) показан атом (центральный желтый атом, размер которого был уменьшен для наглядности) вместе с его ближайшими соседями.Соответствующее графическое представление предоставлено в (B) . Светлые символы представляют ближайших соседей, общих с центральным атомом (четыре для фиолетового соседа и четыре для зеленого соседа). Сплошные линии представляют связи между соседями центрального атома, а пунктирные линии представляют связи между общими соседями (по две для фиолетовых и зеленых соседей). Для фиолетового соседа общие связи (штриховые линии) не связаны, поэтому k = 1, но для зеленого соседа общие связи связаны, поэтому k = 2. Из-за симметрии этого графа имеется шесть соседей с теми же индексами (4, 2, 1), что и у фиолетового атома (обозначен кружками), и шесть с теми же индексами (4, 2, 2), что и у зеленого (обозначен кружками). по квадратам). Следовательно, сигнатура CNA для центрального атома равна {6 × (4, 2, 1), 6 × (4, 2, 2)}, что представляет атомную среду HCP.

      Отметим, что соседей можно идентифицировать с помощью различных методов, основными из которых являются фиксированный радиус отсечки или адаптивный отсечка (Stukowski, 2012; Reinhart et al., 2017). В этой работе мы решили использовать фиксированное значение отсечки 3,5 Å (которое находится между первым и вторым ближайшими соседями для решетки FCC, см. рис. 3A ). Фиксированное отсечение было выбрано как из-за его простоты, так и потому, что оно приводило к меньшему количеству уникальных сигнатур, чем адаптивные методы (2205 против 3716) для проанализированных нами структур.

      После того, как сигнатура CNA каждого атома вычислена, атомарные структуры идентифицируются путем сравнения с сигнатурами CNA предопределенной библиотеки известных структур, обычно ограниченной FCC, HCP, BCC и ICO. При стандартном использовании любой атом, чья сигнатура CNA не соответствует сигнатуре одного из предопределенных структурных шаблонов, остается неклассифицированным и помечается как «другой». Этого достаточно, чтобы идентифицировать местоположение дефектов, потому что «другие» атомы обычно находятся в дефектах. Однако, как правило, этого недостаточно для разрешения структуры этих дефектов. Поскольку ГБ состоят в основном из «других» атомов, их внутреннюю атомную структуру обычно невозможно разрешить. Кроме того, если два ГБ содержат все «другие» атомы, их трудно различить.

      3.2. CNA с полным кредитным плечом

      Чтобы решить эту проблему, мы отмечаем, что информация, необходимая для того, чтобы отличить «другие» атомы друг от друга, уже доступна и закодирована в их соответствующих подписях CNA, просто обычно она игнорируется в стандартной практике. Чтобы использовать эту информацию, нужно просто идентифицировать все уникальные подписи CNA; они определяют отдельные классы атомарной структуры; в некотором смысле этот список представляет собой расширенную библиотеку структур. Затем атомы классифицируются с использованием этой расширенной библиотеки структур.Однако он строится в момент анализа и совместим с произвольными атомными структурами (не нужно знать, какие структуры ищут априори ). Кроме того, категория «другие» полностью исключается, поскольку все атомы классифицируются и принадлежат одному из идентифицированных ОАЭ.

      Для извлечения полных сигнатур CNA для каждого атома в проанализированных нами структурах существуют встроенные функции, которые можно запустить как часть конвейера в Open Visualization Tool (OVITO) (Stukowski, 2010), и пример Python. script доступен в онлайн-документации OVITO.Мы модифицировали этот сценарий для нашего конкретного приложения и предоставили нашу измененную версию в сопроводительном дополнительном материале. После извлечения уникальные сигнатуры CNA идентифицируются в MATLAB, и каждой из них присваивается уникальный числовой идентификатор класса (мы также предоставляем этот код в дополнительном материале), который впоследствии импортируется в OVITO в качестве пользовательского свойства частиц, что позволяет использовать цветовое кодирование. и визуализация.

      4. Результаты и обсуждение

      4.1. Классификация «других» атомов в ГБ

      Мы применили подход с полным использованием CNA, чтобы охарактеризовать все атомы в 388 ГБ из набора данных Олмстеда (Olmsted et al., 2009), который содержит атомные структуры в общей сложности 388 ГБ в Al с вариациями по всем пяти кристаллографическим степеням свободы, включая 41 Σ3 ГБ. Здесь мы представляем результаты этого анализа. Подавляющее большинство атомов принадлежат внутренностям зерен и являются ГЦК, и их можно легко охарактеризовать существующими методами. Поэтому мы сосредоточимся на атомах ГБ, которые обычно классифицируются как «другие»/неидентифицированные структуры методами, основанными на эталонной структуре. Определим атом как принадлежащий ГЗ, если хотя бы один из ближайших соседей не является ГЦК.Это приводит к тому, что все атомы, не являющиеся ГЦК, а также многие атомы ГЦК внутри или рядом с ГЗ отождествляются с ней (для некоторых наклонных ГЗ, если расстояние между дислокациями достаточно велико, в плоскости ГЦК будут атомы ГЦК, которые полностью окружены другими атомами FCC, которые не будут считаться атомами GB по этому определению. ). Используя это определение, всего имеется 462 955 атомов ГБ из 11 922 451 атома, содержащихся в наборе данных Олмстеда (атомы, не являющиеся ГБ, принадлежат объемному кристаллу и все являются ГЦК).Хотя некоторые ГБ должным образом содержат атомы ГЦК внутри себя (например, малоугловые ГБ имеют атомы ГЦК между дислокациями), основное внимание в этой работе уделяется характеристике атомов, не являющихся ГЦК. Следовательно, мы представим наши результаты двумя способами: (i) относительно всех 462 955 атомов ГБ (FCC и неFCC) и (ii) относительно только не-FCC атомов ГБ (которых 227 401).

      На рис. 2A показано распределение атомарных сред ГБ по всем 388 ГБ для подхода с полным использованием CNA. Это показывает, что из почти 500 000 атомов ГБ (во всех 388 ГБ) имеется 2205 уникальных подписей CNA.Однако, учитывая логарифмическую шкалу по оси ординат, требуется только 448 сигнатур для учета примерно 90% атомов ГБ, не являющихся ГЦК (см. рис. 2В), и только 167 необходимо, если атомы ГБ со структурой ГЦК являются включены. Хотя это по-прежнему представляет значительное количество уникальных сред, это значительное уменьшение размерности для общего набора границ зерен, для которого в противном случае потребовалось бы в общей сложности не менее 682 203 параметров для описания атомных конфигураций (3 параметра для каждый атом Rosenbrock et al., 2017).

      Рисунок 2. (A) Гистограмма ОАЭ, обнаруженных в 388 ГБ Омлстеда. Обратите внимание, что это в логарифмическом масштабе, и имеется примерно 5 × 10 5 атомов ГБ. (B) Кумулятивная сумма доли атомов, которые можно описать с помощью заданного количества UAE. Приблизительно 90% атомов ГБ без ГЦК могут быть описаны одним из 448 наиболее распространенных UAE (требуется только 167 UAE, если включить атомы ГБ со структурой FCC).

      Мы отмечаем, что при использовании альтернативного пространственно непрерывного дескриптора плавное перекрытие позиций атомов (SOAP) (Bartók et al., 2013), Розенброк и др. первоначально обнаружили 800 000 UAE для тех же 388 ГБ в Ni, используя предельное расстояние соседства 5Å (Rosenbrock et al., 2017). В методе SOAP, а также в других методах, таких как PTM, используется мера подобия, позволяющая двум структурам, которые отличаются лишь небольшим отклонением, по-прежнему классифицироваться как одна и та же среда, что является одним из способов исправить явление чрезмерного разделения. После использования метрики подобия в рамках машинного обучения исходные 800 000 UAE были объединены только в 145 отдельных UAE.Отметим, что, как и при любом подходе к консолидации на основе подобия, результирующее количество уникальных сред зависит от заданного пользователем порога сходства.

      Простой подход к идентификации ОАЭ, воплощенный в CNA с полным использованием ресурсов, не использует порог подобия, поэтому ожидается, что пространство ОАЭ будет перераспределено. Это проявляется в относительно длиннохвостом распределении UAE на рисунке 2, которые возникают из-за небольших отклонений в положении атомов, которые заставляют одну среду создавать несколько сигнатур CNA (т. т. е. редко наблюдаемые ЭАЭ, скорее всего, являются слегка искаженными версиями других ЭАЭ). Основной причиной этого явления является сложность однозначного определения соседей атомов в некристаллических областях. Чтобы проиллюстрировать это, сравните функцию радиального распределения (RDF) для объемного FCC с функцией границы зерна, как показано на рисунке 3. Четкое разделение первого и второго пиков, соответствующих первому и второму ближайшим соседям, соответственно, в RDF решетки FCC (рис. 3A) облегчает выбор соответствующего соседнего радиуса отсечки.Однако, как и ожидалось, RDF для атомов на границе зерна (рис. 3B) не показывает четкого разделения между первым и вторым соседями, что делает CNA чувствительным к небольшим возмущениям положения атомов и изменениям радиуса отсечки. Это также означает, что количество UAE, идентифицированных с помощью полностью используемого подхода CNA в настоящей работе, зависит от выбранного пользователем радиуса отсечки. Эта проблема существует для любого метода, который пытается охарактеризовать атомы ГБ, потому что нет четкого выбора того, какие атомы должны быть включены в соседство, и полученные структуры, вероятно, перераспределят пространство ОАЭ.

      Рис. 3. (A) Функция радиального распределения (ФРР) для ГЦК-решетки, рассчитанная в OVITO, и (Б) ФРР для зернограничных атомов (в качестве репрезентативный пример). Отчетливые пики в объемном FCC упрощают выбор подходящего предельного расстояния для идентификации соседей, однако более непрерывный характер GB RDF делает CNA более чувствительным к небольшим возмущениям в положении атомов и изменениям в отсечке. .

      Как упоминалось ранее, работа была проделана Reinhart et al. (2017), чтобы внедрить подход машинного обучения для выявления сред, которые имеют схожую структуру, но разные сигнатуры CNA, и объединить их в единую среду (т. е. кластеризация в пространстве ОАЭ). Это эффективно реализует метрику подобия для CNA и успешно применяется к поверхностям коллоидных кристаллов. Однако этот процесс является дорогостоящим в вычислительном отношении и не приводит к единому универсальному разделению пространства ОАЭ, поэтому перераспределение необходимо будет пересчитывать (или, по крайней мере, обновлять) для каждого нового набора данных, который необходимо охарактеризовать. Несмотря на чрезмерное разбиение, возникающее в результате простого подхода с полным использованием CNA, и в отсутствие консолидации среды, мы обнаруживаем, что полезный анализ все еще может быть выполнен для оценки моделей структуры-свойства ГБ, как будет описано в разделе 4.3.

      Для подмножества Σ3 ГБ количество UAE значительно сокращается. На рис. 4 показано распределение атомных сред, найденных в подмножестве 41 Σ3 ГБ, для которых было всего 117 уникальных сигнатур CNA. Более того, подавляющее большинство атомов ГБ (примерно 90%) соответствует одному из всего 44 UAE (или только 29 UAE, если включить атомы ГБ со структурой FCC).Такое уменьшение размерности для описания атомной структуры ГБ может значительно упростить вывод моделей атомной структуры-свойства ГБ. Кроме того, эта информация может быть использована для сравнения структурного сходства различных ГБ, что будет обсуждаться в разделе 4.3.

      Рисунок 4. (A) Гистограмма ОАЭ, обнаруженных в Σ3 ГБ. Большой всплеск на окружении 1 соответствует структурному типу ГЦК и обусловлен включением первого слоя атомов ГЦК в состав ГЗ. (B) Кумулятивная сумма пропорции Σ3 атомов ГБ, которую можно описать с помощью заданного количества UAE. Приблизительно 90% атомов Σ3 соответствуют одному из 44 наиболее распространенных UAE.

      4.2. Визуализация

      Не прибегая к более продвинутому механизму SOAP или подходу Рейнхарта к машинному обучению, большая часть анализа атомных структур опирается на более простые методы идентификации кристаллической структуры на основе эталонной структуры. Поскольку они были разработаны для идентификации кристаллических областей, а не ГБ, 50–98% атомов ГБ в наборе данных Олмстеда, что неудивительно, классифицируются как «другие» с помощью методов, основанных на эталонной структуре, что делает атомную структуру этих ГБ в значительной степени непрозрачны для классического анализа.Как показал наш полностью использованный метод CNA, тот факт, что только 44 UAE доминируют в изученных здесь Σ3 ГБ, предполагает возможность обнаружения новой структурной информации ГБ с очень небольшими вычислительными усилиями и в рамках знакомой структуры CNA. Мы иллюстрируем это с помощью визуализации, раскрашивая атомы ГБ в соответствии с их идентификатором ОАЭ. В качестве примера на рисунках 5A, B представлена ​​визуализация Σ3 [5̄12̄] ГБ с атомами, окрашенными в соответствии со стандартной практикой (с использованием традиционного подхода CNA).Атомы FCC (зеленые) идентифицированы, но все атомы в GB классифицируются как «другие»/неидентифицированные среды. Напротив, на рисунке 5C показаны те же атомы ГБ, окрашенные с использованием классов атомной среды, определенных нашей полностью используемой техникой CNA. Очевидно, что это ГБ содержит структурированное расположение атомных сред и является квазидвумерным. Этот новый подход выявляет структуру, которая ранее была неразрешима с помощью обычных методов идентификации кристаллической структуры, и требует гораздо меньших вычислительных усилий, чем более продвинутые методы.

      Рис. 5. (A) Визуализация OVITO Σ3 [521̄] ГБ с атомами, окрашенными традиционным CNA. Зеленые атомы — FCC, белые — «другие». Обратите внимание, что все атомы ГБ остаются неопознанными. (B) Все атомы FCC удалены. (C) Атомы, окрашенные в соответствии с идентификаторами UAE, полученными в результате нашей полностью используемой процедуры CNA.

      В дополнение к возможности легко получить важную структурную информацию для одного ГБ, окрашивание каждого атома в соответствии с его локальным окружением облегчает выявление структурного сходства между различными ГБ.В случае ГБ Σ3 была выдвинута гипотеза, что ГБ могут образовывать фасетки, структура которых соответствует структуре ГБ, занимающих углы соответствующей фундаментальной зоны граничной плоскости (FZ) (Banadaki, Patala, 2016). Однако проверка этой гипотезы потребует сравнения атомных структур различных ГБ, что было бы затруднительно с использованием дескрипторов на основе эталонной структуры, которые оставляют почти все эти атомы неклассифицированными. Например, в верхнем ряду рисунка 6 показаны три разных ГБ Σ3, которые находятся рядом друг с другом в FZ. Хотя террасоподобные элементы очевидны, неясно, представляют ли они грани одной и той же структуры. При использовании полностью используемой процедуры CNA нижняя строка рисунка 6 ясно показывает, что каждая из этих ГБ на самом деле содержит очень похожие среды, что дает некоторые доказательства в поддержку гипотезы огранки. Более полный анализ фасетирования в Σ3 ГБ, обеспечиваемый полностью используемой техникой CNA, представлен в разделе 4.3.

      Рисунок 6 . Визуализация трех ГБ Σ3 (плоскость границы указана в скобках), (вверху) с атомами, окрашенными с использованием традиционного CNA, доступного в OVITO, и (внизу), окрашенных с помощью UAE, обнаруженных во время полной процедуры CNA.

      Визуализация границы зерна таким образом также выделяет дефекты более высокого порядка или дефекты внутри других дефектов (обратите внимание на темно-фиолетовую среду, украшающую выступы на рис. 6).

      4.3. Заявка

      Здесь мы применяем полноценный метод CNA для исследования взаимосвязи между атомной структурой и свойствами ГБ. Как упоминалось ранее, недавно Банадаки и Патала (2016) выдвинули гипотезу о том, что ГБ Σ3 могут состоять из фасеток, структура которых соответствует структуре 3 ГБ, определяющих углы плоскости FZ Σ3 ГБ.Основываясь на этой гипотезе, Банадаки и Патала разработали модель структурных свойств для прогнозирования энергии ГБ произвольного Σ3 ГБ как средневзвешенного значения энергий ГБ углов FZ. Эта модель показала хорошее согласие с энергиями ГЗ, рассчитанными методом МД для многих случаев. Однако структуры ГБ никогда не анализировались, чтобы проверить, действительно ли произошла предполагаемая структурная огранка. Представленный здесь подход с полным использованием CNA дает возможность проверить эту гипотезу.

      Общее количество ЭАЭ, обнаруженных в каждом из ГБ, определяющих углы плоскости ЗЗ ГБ Σ3, представлено в таблице 2.Примечательно, что ЭАЭ, входящие в каждую из угловых ГБ, образуют непересекающиеся множества. Это означает, что они в некотором смысле являются ортогональными структурами, что на первый взгляд может показаться подтверждающим возможность огранки. Однако общее количество сред (117), обнаруженных во всех 41 ГБ Σ3, больше, чем общее количество сред, обнаруженных в углах ЗП (12), и, как показано на рисунке 7, эти дополнительные среды не сконцентрированы в выступы между гранями, но составляют значительную часть неугловых ГБ.

      Таблица 2 . Сводка ОАЭ, обнаруженных в фундаментальной зоне Σ3.

      Рисунок 7 . Рендеринг 41 Σ3 ГБ из набора данных Олмстеда с атомами, окрашенными в соответствии с их идентификатором ОАЭ. Положение в ЗП является относительным и приблизительным (точное размещение может привести к перекрытию некоторых изображений). Цвета были выбраны вручную для наиболее часто встречающихся ЭАЭ, чтобы максимизировать визуальные различия между атомами с разным идентификатором ЭАЭ, которые находятся рядом друг с другом; однако некоторые менее часто наблюдаемые ОАЭ имеют тот же цвет.

      Из рисунка 7 можно сделать несколько ключевых выводов. Во-первых, на самом деле есть некоторые области FZ, где ГБ состоят из граней угловых ГБ. В частности, ГЗ вблизи когерентного двойника [111] (θ = ϕ = 0) имеют явные грани, имеющие структуру когерентного двойника. Кроме того, ГЗ вдоль правой границы ЗП (θ = 90°) демонстрируют некоторые признаки огранки (такое поведение вблизи угла [21̄1̄] было также отмечено Банадаки и Патала, 2017), хотя для многих из этих ГБ структура эти грани не соответствуют ни одному из углов ФЗ.Что касается остальной части FZ, то для GB Olmsted Al нет явных признаков огранки. Однако важно отметить, что способность ГБ граниться в атомистической модели может зависеть от размера ячейки моделирования, которая использовалась для ее построения (см. Race et al., 2014; Humberson and Holm, 2017, для обсуждения влияния размера ячейки моделирования), так что возможно, что при использовании более крупных ячеек моделирования огранка может наблюдаться более широко. Более того, было показано, что для одного и того же ГЗ может существовать множество метастабильных атомных структур (Han et al., 2017), некоторые из которых имеют почти вырожденную энергию. Таким образом, также возможно, что существуют различные изоэнергетические конфигурации или что атомные структуры в этом наборе данных могут не быть конфигурациями с самой низкой энергией, которые в противном случае могли бы демонстрировать предполагаемую структуру огранки. Действительно, Банадаки и Патала обнаружили атомные структуры для Σ3 ГБ во многих случаях со значительно более низкими энергиями (Banadaki and Patala, 2016), которые, возможно, демонстрировали более общую огранку, и это может быть одним из объяснений лучшего соответствия энергии модели огранки. предсказания к своим данным, чем к данным Олмстеда (см. Рисунок 9 ).Независимо от того, являются ли атомарные структуры в наборе данных Олмстеда структурами основного состояния или (по крайней мере, в некоторых случаях) метастабильными структурами, подход с полным использованием CNA может быть применен для характеристики присутствующей атомной структуры, что бы она ни происходило с быть. Кроме того, если бы структуры основного состояния были доступны, наш подход с полным использованием CNA легко выявил бы более общую огранку, если бы она происходила в этих структурах.

      Хотя структурной огранки атомных структур Олмстеда в целом не происходит, относительно плавные тренды в составе ЭАЭ наблюдаются по всей ЗЗ.На рис. 8 показана доля атомов в каждом ГЗ, атомное окружение которых совпадает с окружением каждого из углов ЗП. Для всех трех углов наблюдаются плавные тренды состава атомного окружения по θ = 90° от [21̄1̄] до [101̄] (для угла [21̄1̄] он плавный, но не монотонный, см. рис. 8Б). Гладкие тренды также возникают вдоль ϕ = 0 от [111] до [21̄1̄] и вблизи когерентного двойника. Кроме того, по мере увеличения кристаллографического расстояния до одного из угловых ЗГ доля атомных окружений, принадлежащих этому углу, уменьшается.Это говорит о том, что в отсутствие огранки (которая представляет собой своего рода поведение структурной сегрегации) может иметь место своего рода смешивание атомных окружений от каждого из углов FZ для этих структур ГБ.

      Рис. 8. (A–C) Доля атомов ГБ, локальное окружение которых принадлежит набору UAE, присутствующих в каждом из соответствующих углов фундаментальной зоны, и (D) доля окружений, не присутствующих ни в одном из уголки ФЗ.

      Поскольку обычно мы не наблюдаем структурной огранки, неудивительно, что модель огранки плохо предсказывает энергии набора данных Олмстеда.Однако для некоторых областей FZ также существуют отклонения между предсказаниями модели огранки и расчетными энергиями ГБ для атомных структур с более низкой энергией, полученными Банадаки и Патала. Примечательно, что там, где эти отклонения действительно происходят, они почти всегда являются заниженными. Наши наблюдения здесь могут частично объяснить такое поведение. Модель огранки предсказывает энергию ГБ как средневзвешенное значение энергии ГБ в углах FZ, что игнорирует энергетический вклад линейных дефектов, которые, вероятно, будут существовать на стыке различных граней, и поэтому недооценки согласуются с этим упущением.Эти линейные дефекты, вероятно, состоят из атомных окружений, которых нет в углах FZ и которые могут иметь более высокие когезионные энергии. Фактически мы находим, что неугловые атомные окружения имеют среднюю энергию когезии, которая на 3,5 × 10 −21 Дж (0,022 эВ) выше, чем в среднем для атомных окружений, принадлежащих углам ФЗ. Это может показаться небольшой разницей, но поскольку многие ГБ содержат большую часть неугловых сред (в среднем 49% атомов ГБ), кумулятивный эффект может быть значительным.Показательна грубая оценка: если 50% атомов ГБ (например, 500 из 1000) являются неугловыми окружениями и обладают средней энергией когезии неуглового окружения (-5,30 × 10 -19 Дж или -3,31 эВ) тогда при площади ГБ 1800 Å 2 (среднее поперечное сечение для ячейки моделирования Олмстеда) неугловые среды вносят приблизительно 0,097 Дж/м 2 в энергию ГБ, что аналогично величине заниженные прогнозы, показанные на рисунке 9.

      Рисунок 9 .Сравнение расчетных энергий ГБ для ГБ, расположенных по краям фундаментальной зоны Σ3, с предсказаниями модели огранки Банадаки и Паталы (Banadaki and Patala, 2016). Включены два набора данных рассчитанных энергий ГБ: (светлые квадраты) из Olmsted et al. (2009 г.) и (полупрозрачные закрашенные кружки) из Банадаки и Патала (2016 г. ). Прогнозы модели ОАЭ также включены (закрашенные квадраты) для сравнения с моделированием Олмстеда (открытые квадраты).

      4.4. Простая модель ОАЭ

      Это говорит о том, что модель, основанная на атомной среде, может обеспечить улучшенные прогнозы энергии ГБ. Отметим, что важную работу в этой области уже выполнили Rosenbrock et. al в рамках SOAP (Rosenbrock et al., 2017). Строгая разработка такой модели выходит за рамки настоящей работы, основная цель которой состояла в том, чтобы представить простой метод характеристики атомной структуры (подход с полным использованием CNA), который позволяет характеризовать атомную структуру ГБ, которую нельзя было разрешить с помощью кристаллической структуры. идентификационные подходы.Тем не менее, мы приводим простой и краткий пример того, как получившиеся UAE могут быть включены в машинное обучение или другие подходы к разработке моделей.

      Мы рассматриваем долю каждого UAE как предикторную (независимую) переменную, а энергию ГБ — как отклик (зависимую) переменную. Это подразумевает 2205-мерное пространство (что соответствует 2205 UAE, наблюдаемым во всех 388 ГБ). Мы используем PCA для преобразования и выбора признаков и обнаруживаем, что для объяснения 95% дисперсии данных требуется всего 84 основных компонента (линейные комбинации исходных переменных).Таким образом, мы уменьшили размерность задачи с 2205 до 84 измерений. Используя эти 84 преобразованные переменные, мы используем 5-кратную перекрестную проверку для обучения простой модели линейной регрессии. Сравнение полученной модели с рассчитанными энергиями ГБ для всех 388 ГБ представлено на рисунке 10, где выделено подмножество Σ3 ГБ. Сравнение прогнозов модели с моделированием Олмстеда для подмножества Σ3 ГБ в зависимости от ориентации граничной плоскости также представлено на рисунке 9 (сравните заполненные и заполненные).открытые квадраты). Полученные прогнозы модели хорошо согласуются с расчетными значениями, и модель предсказывает правильную энергию ГБ с ошибкой менее 10% для 89,69% из 388 ГБ (и 92,68% из Σ3 ГБ). Отметим, в частности, улучшенные прогнозы модели ОАЭ по дуге θ = 90° ЗП от [21̄1̄] до [101̄] (зеленые закрашенные квадраты хорошо согласуются с зелеными незакрашенными квадратами на правой панели рис. 9). ) по сравнению с моделью огранки (сплошная зеленая линия).

      Рисунок 10 .Сравнение прогнозов модели, обученной с использованием фракций ОАЭ в качестве переменных, с истинными расчетными энергиями ГБ из набора данных Олмстеда (Olmsted et al., 2009).

      5. Заключение

      В этой работе мы представили метод описания атомной структуры (подход с полным использованием CNA), который (i) может характеризовать произвольные атомарные среды, а также (ii) прост в реализации и (iii) построен на дескрипторе. это уже знакомо сообществу атомистического моделирования.Это позволяет охарактеризовать атомную структуру ГБ, которая ранее была неразрешима с помощью методов идентификации кристаллической структуры, и с меньшими вычислительными затратами, чем более продвинутые методы. Мы показываем, что можно описать атомную структуру ГБ с точки зрения доли уникальных атомных сред (УАЭ), возникающих в результате использования нашего метода.

      Мы находим, что относительно небольшое количество UAE приходится на большую долю атомов ГБ, что указывает на возможность значительного уменьшения размерности в описании атомной структуры ГБ.В частности, мы обнаружили, что для описания 90% атомов ГБ, не относящихся к FCC, присутствующих в 388 ГБ набора данных Олмстеда, требуется только 448 UAE (сигнатур CNA), а для подмножества из 41 Σ3 ГБ необходимо только 44 UAE. . Это уменьшение размерности предполагает, что эти UAE могут действовать как дескрипторы атомарной структуры, которые могут быть включены в подходы машинного обучения для разработки улучшенных моделей структуры-свойства ГБ.

      Мы продемонстрировали, как визуализация ОАЭ позволяет выявить важную структурную информацию ГБ.В качестве примера мы исследовали возможное описание Σ3 ГБ как состоящих из граней ГБ, занимающих углы соответствующей фундаментальной зоны (ФЗ) граничной плоскости. Мы обнаружили, что для набора данных Олмстеда такая огранка имеет место в некоторых регионах ЗФ, но не в целом. Вместо этого наблюдалось кажущееся смешение атомарных сред из ГБ, определяющих углы ФЗ, вместе с появлением многочисленных сред, отсутствующих в углах ФЗ. Эти наблюдения согласуются с хорошим согласием модели огранки с рассчитанными энергиями ГБ для некоторых областей ЗП, а также с наблюдаемым занижением прогноза в других областях.

      Наконец, мы предоставили краткий пример, чтобы проиллюстрировать, как дроби UAE можно использовать в качестве дескрипторов атомарной структуры ГБ, которые могут служить входными данными для подходов машинного обучения для разработки моделей атомной структуры-свойства ГБ.

      Доступность данных

      Наборы данных для этого исследования не будут опубликованы, поскольку некоторые данные использовались с разрешения. Все остальные данные предоставляются по запросу соответствующему автору.

      Вклад авторов

      OJ разработал проект и обучил окончательную модель. BS и DD разработали все коды анализа и выполнили расчеты и анализ. Все авторы внесли свой вклад в подготовку рукописи.

      Финансирование

      Эта работа была поддержана Департаментом машиностроения Университета Бригама Янга.

      Заявление о конфликте интересов

      Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

      Благодарности

      Мы благодарны д-ру Эрику Р. Гомеру и д-ру Шриканту Патала за плодотворные обсуждения, а также д-ру Дэвиду Олмстеду за разрешение использовать структуры Al GB.

      Дополнительный материал

      Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2019.00120/full#supplementary-material

      .

      Сноски

      Каталожные номера

      Экленд, Г. Дж., и Джонс, А.П. (2006). Применение мер локальной кристаллической структуры в эксперименте и моделировании. Физ. Ред. B 73:054104. doi: 10.1103/PhysRevB.73.054104

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Эшби М.Ф., Спэпен Ф. и Уильямс С. (1978). Структура границ зерен описывается как упаковка полиэдров. Акта Металл. 26, 1647–1663. дои: 10.1016/0001-6160(78)

    -5

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Банадаки, А.Д. и Патала С. (2016). Простая модель огранки для межфазной энергии и энергии спайности границ зерен Σ3 в полном пространстве ориентации граничной плоскости. Вычисл. Матер. науч. 112, 147–160. doi: 10.1016/j.commatsci.2015.09.062

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Банадаки, А. Д., и Патала, С. (2017). Трехмерная полиэдрическая модель структуры границ зерен в ГЦК металлах. npj Вычисл. Матер. 3:13. doi: 10.1038/s41524-017-0016-0

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Барток, А.П., Кондор Р. и Чаньи Г. (2013). О представлении химических сред. Физ. Преподобный Б. Конденс. Материя Матер. физ. 87, 1–16. doi: 10.1103/PhysRevB.87.184115

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Бехтл С., Кумар М., Сомердей Б., Лоуни М. и Ричи Р. (2009). Зернограничная инженерия заметно снижает восприимчивость металлических материалов к межкристаллитному водородному охрупчиванию. Acta Mater. 57, 4148–4157. doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2009.05.012

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Бернал, Дж. Д., и Финни, Дж. Л. (1967). Случайная плотноупакованная модель твердых сфер. II. геометрия случайной упаковки твердых сфер. Обсудить. Фарадей Сок. 43, 62–69. дои: 10.1039/DF9674300062

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Факен, Д., и Йонссон, Х. (1994). Систематический анализ локальной атомной структуры в сочетании с трехмерной компьютерной графикой. Вычисл. Матер. науч. 2, 279–286.дои: 10. 1016/0927-0256(94)

    -0

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Финни, Дж. Л. (1970). Случайные упаковки и строение простых жидкостей. I. Геометрия случайной плотной упаковки. Проц. Р. Соц. Лонд. сер. Математика. физ. науч. 319, 479–493. doi: 10.1098/rspa.1970.0189

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Герцман В. и Тангри К. (1997). Моделирование распространения межкристаллитных повреждений. Acta Mater. 45, 4107–4116.дои: 10.1016/S1359-6454(97)00083-9

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хан Дж., Витек В. и Сроловиц Д. Дж. (2017). Редукционная модель зернограничной структурной единицы. Acta Mater. 133, 186–199. doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2017.05.002

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хсу, К.С., и Рахман, А. (1979). Потенциалы взаимодействия и их влияние на зарождение и симметрию кристаллов. J. Chem. физ. 71, 4974–4986. дои: 10.1063/1.438311

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хамберсон, Дж., и Холм, Э.А. (2017). Антитермическая подвижность на границе зерен Σ3 [111] 60 {11 8 5} в никеле: механизм и расчетные соображения. Scripta Mater. 130, 1–6. doi: 10.1016/J.SCRIPTAMAT.2016.10.032

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Катрицки, А. Р., и Фара, Д. К. (2005). Как химическая структура определяет физические, химические и технологические свойства: обзор, иллюстрирующий потенциал количественных взаимосвязей свойств структуры для науки о топливе. Энергетическое топливо 19, 922–935. дои: 10.1021/ef040033q

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Келхнер, К.Л., Плимптон, С.Дж., и Гамильтон, Дж.К. (1998). Зарождение дислокаций и структура дефектов при вдавливании поверхности. Физ. Ред. B 58, 11085–11088. doi: 10.1103/PhysRevB.58.11085

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ларсен П. М., Шмидт С. и Шиотц Дж. (2016). Надежная структурная идентификация посредством сопоставления многогранных шаблонов.Модель . Симул. Матер. науч. англ. 24:055007. дои: 10.1088/0965-0393/24/5/055007

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лазар, Э. А., Хан, Дж., и Сроловиц, Д. Дж. (2015). Топологическая основа для анализа локальной структуры в конденсированных средах. Проц. Натл. акад. науч. США 112, E5769–E5776. doi: 10.1073/pnas.1505788112

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Лю, X., Эрколесси, Ф., и Адамс, Дж. (2004).Межатомный потенциал алюминия из расчетов теории функционала плотности с улучшенной энергией дефекта упаковки. Модель . Симул. Матер. науч. англ. 12, 665–670. дои: 10.1088/0965-0393/12/4/007

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Олмстед, Д.Л., Фойлс, С.М., и Холм, Э.А. (2009). Обзор рассчитанных свойств границ зерен в гранецентрированных кубических металлах: I. Энергия границ зерен. Acta Mater. 57, 3694–3703. doi: 10.1016/j.actamat.2009.04.007

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Плимптон, С.(1995). Быстрые параллельные алгоритмы для молекулярной динамики ближнего действия. Дж. Вычисл. физ. 117, 1–19. doi: 10.1006/jcph.1995.1039

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Придеман, Дж. Л. (2018). Количественная оценка зернограничных атомных структур с использованием плавного перекрытия атомных позиций (магистерская диссертация). Университет Бригама Янга, США.

    Академия Google

    Придеман, Дж. Л., Розенброк, К. В., Джонсон, О. К., и Гомер, Э. Р.(2018). Количественная оценка и соединение атомарной и кристаллографической структуры границ зерен с использованием представления локальной среды и методов уменьшения размерности. Acta Mater. 161, 431–443. doi: 10.1016/j.actamat.2018.09.011

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Рейс, К. П., Фон Пецольд, Дж., и Нойгебауэр, Дж. (2014). Роль мезомасштаба в кинетике миграции плоских границ зерен. Физ. Ред. B 89:214110. doi: 10.1103/PhysRevB.89.214110

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Рейнхарт, В.Ф., Лонг, А.В., Ховард, М.П., ​​Фергюсон, А.Л., и Панайотопулос, А.З. (2017). Машинное обучение для автономной идентификации кристаллической структуры. Мягкая материя 13, 4733–4745. дои: 10.1039/C7SM00957G

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Рейнхарт, В.Ф., и Панайотопулос, А.З. (2018). Автоматизированная характеристика кристалла с помощью метода быстрого анализа графа соседства. Мягкая материя 14, 6083–6089. дои: 10.1039/C8SM00960K

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Розенброк, К.В., Гомер, Э. Р., Чаньи, Г., и Харт, Г. Л. В. (2017). Обнаружение строительных блоков атомарных систем с помощью машинного обучения: применение к границам зерен. npj Вычисл. Матер. 3:29. doi: 10.1038/s41524-017-0027-x

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Шэн Х., Луо В., Аламгир Ф. М., Бай Дж. М. и Ма Э. П. (2006). Атомная упаковка и ближний и средний порядок в металлических стеклах. Природа 439, 419–425. doi: 10.1038/nature04421

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Симада, М., Кокава Х., Ван З., Сато Ю. и Карибе И. (2002). Оптимизация распределения характера границ зерен для устойчивой к межкристаллитной коррозии нержавеющей стали 304 с помощью двойного проектирования границ зерен. Acta Mater. 50, 2331–2341. doi: 10.1016/S1359-6454(02)00064-2

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Стуковски, А. (2010). Визуализация и анализ данных атомистического моделирования с помощью OVITO — открытого инструмента визуализации. Модель . Симул. Матер.науч. англ. 18:015012. дои: 10.1088/0965-0393/18/1/015012

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Стуковски, А. (2012). Методы идентификации структуры для атомистического моделирования кристаллических материалов. Модель . Симул. Матер. науч. англ. 20:045021. дои: 10.1088/0965-0393/20/4/045021

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Тан Л., Шридхаран К., Аллен Т., Нанстад Р. и МакКлинток Д. (2008). Адаптация микроструктуры для улучшения свойств с помощью проектирования границ зерен. J. Nucl. Матер. 374, 270–280. doi: 10.1016/J.JNUCMAT.2007.08.015

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ватанабэ, Т., Цурэкава, С., Чжао, X., и Цзо, Л. (2009). «Приход технологии границ зерен в 21 веке», в «Микроструктура и текстура в сталях » (Лондон: Springer), 43–82.

    Академия Google

    Чжан, Х., Сроловиц, Д. Дж., Дуглас, Дж. Ф., и Уоррен, Дж. А. (2009). Границы зерен демонстрируют динамику стеклообразующих жидкостей. Проц. Натл. акад. науч. США 106, 7735–7740. doi: 10.1073/pnas.0

    7106

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Чжан, К. Г., Цао, Б.Ю., Чжан, X., Фуджи, М., и Такахаши, К. (2006). Влияние зернограничного рассеяния на электро- и теплопроводность поликристаллических нанопленок золота. Физ. Ред. B 74:134109. doi: 10.1103/PhysRevB.74.134109

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Атомная структура — Викиверситет

    Атом — небольшая часть элемента, принимающая участие в химических реакциях.Он состоит из трех субатомных структур, называемых протонов , нейтронов и электронов .

    Субатомные структуры:

     _________________________________________
        Частица: Заряд: Масса:
        Протон +1 1 *u
        Нейтрон 0 1 *u
        Электрон -1 1 / 1836*у
        Позитрон +1. 1/1836*у
     

    Ядро в центре атома состоит из протонов и нейтронов.Вокруг ядра вращаются электроны.

    Модель атома лития

    Ядро в центре атома состоит из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны. Каждый уникальный элемент имеет атомный номер, равный количеству содержащихся в нем протонов. В природе встречается 94 элемента (от 1 до 94). и другие искусственно созданные (95+..) Каждый элемент имеет атомный вес для наиболее часто встречающегося изотопа. Атомный вес = количество протонов + количество нейтронов.См.: Периодическая таблица. В стабильном незаряженном атоме количество электронов будет равно количеству протонов. Если число электронов изменится, атом станет ионизированным. и получить либо положительный (меньше электронов) или отрицательный (большие электроны) заряд.

    Один и тот же элемент может существовать в разных формах, причем каждая форма имеет одинаковую атомный номер, но разные массовые числа. Эти формы называются изотопами . Изотопы, которые не могут распадаться в течение определенного периода времени, называются стабильными изотопами .А изотопы, которые могут распадаться в течение определенного периода, называются нестабильными (или радиоактивными ) изотопами. Например :

     1 2 3
            1ч 1ч 1ч
            Протиум.  Дейтерий. Тритий.
     

    Тритий — нестабильный изотоп водорода.

    Модель Бора Считается, что электроны движутся вокруг ядра по фиксированным оболочкам (орбитам) на различных уровнях энергии .Эти уровни могут быть обозначены как K L M N снаряды…….. или 1 2 3 4 ……….. Орбиты. На первом уровне всего 2 электрона. Второй уровень может содержать 6 электронов. Максимальное количество электронов, которые могут занимать одну оболочку s, определяется по формуле 2nî или 2n в квадрате, где n — номер оболочки

    Когда электроны возбуждены, то они могут переходить между оболочками. По мере удаления от ядра энергетические уровни увеличиваются. Электроны имеют собственную энергию, и энергия увеличивается с увеличением значения n или орбиты.

    Конфигурация электронов, занимающих наименьшее количество пространства (модель Бора), называется основным состоянием .Но когда электроны возбуждаются (получая электричество, тепло), они перескакивают на более высокий уровень.

    Это состояние атома называется возбужденным состоянием . Когда электроны возвращаются в основное состояние, они выделяют энергию.

    Все энергетические уровни содержат подуровней , известных как s p d f .

    Подуровень S может содержать 2 электрона. (Одна пара.)

    P может содержать 6 электронов. (Три пары.)

    D может содержать 10 электронов.(Пять пар.)

    F может содержать 14 электронов. (Семь пар.)

    Первая оболочка имеет только подуровень s и поэтому имеет только 2 электрона Вторая оболочка имеет оба подуровня s и p и может содержать 8 электронов. Третья оболочка имеет подуровни s, p и d и может содержать 18 электронов. Четвертая и последняя оболочка имеет подуровни s, p, d и f и может содержать 32 электрона.

    • Области вокруг ядра, в которых вероятность нахождения электрона определенного энергетического уровня наиболее высока, называются орбиталями.2 число электронов.
    • Форма орбитали зависит от подуровня.
    • Валентные электроны вращаются в валентных оболочках.
    • Электроны, которые могут вступить в реакцию, находятся только на последнем уровне.
    • Эти электроны называются валентными электронами. Максимальное число

    валентных электронов равно 8. Валентность определяет, сколько электронов атом должен одолжить или одолжить. Все части атомов, кроме последней орбиты, называются ядром.

    • Формула электронной точки представляет валентные электроны.
     Примеры: . .
                     . Н . Пунктирная формула азота.
                       .
     

    Энергия ионизации — это количество энергии, необходимое для удаления или добавления электрона из газообразного атома или иона. Энергия ионизации зависит от числа протонов в ядре и экранирования (экранирования) внутренних электронов.

    1. «Три изотопа водорода — видео и расшифровка урока | Study.com». Study.com .Проверено 18 сентября 2018 г. .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.