Строение атома. Квантово-механическая модель атома

В нижеприведенной статье рассказывается об атоме и его строении: как его открывали, как развивали теорию в своих умах и при проведении экспериментов мыслители и ученые. Квантово-механическая модель атома как самая современная на сегодняшний день наиболее полно описывает его поведение и частицы, входящие в состав. О ней и ее особенностях читайте ниже.

Понятие атома

Химически неделимой минимальной частью химического элемента с набором характерных для него свойств является атом. В него входят электроны и ядро, которое, в свою очередь, содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Если в нем содержится одинаковое число протонов и электронов, то сам атом будет электрически нейтральным. В ином случае у него появляется заряд: положительный или отрицательный. Тогда атом называется ионом. Таким образом осуществляется их классификация: химический элемент определяется количеством протонов, а его изотоп — нейтронами. Связываясь друг с другом на основе межатомных связей, атомы образуют молекулы.

Немного истории

Впервые об атомах заговорили древнеиндийские и древнегреческие философы. А в период семнадцатого и восемнадцатого веков химики подтвердили идею, экспериментально доказав, что некоторые вещества нельзя расщеплять на составляющие их элементы посредством химических опытов. Однако с конца девятнадцатого до начала двадцатого веков физики открыли субатомные частицы, благодаря чему стало понятно, что атом не является неделимым. В 1860 году химики сформулировали понятия атома и молекулы, где атом стал наименьшей частицей элемента, который входил в состав как простых, так и сложных веществ.

Модели строения атома

1. Кусочки материи. Демокрит считал, что свойства веществ могут быть определены массой, формой и другими параметрами, которые характеризуют атомы. Например, огонь имеет острые атомы, из-за чего имеет способность обжигать; твердые тела содержат шероховатые частицы, благодаря чему сцепляются друг с другом очень крепко; в воде они гладкие, поэтому она имеет возможность течь. По Демокриту, даже человеческая душа состоит из атомов.
2. Модели Томсона. Ученый рассматривал атом как положительно заряженное тело, внутри которого находятся электроны. Эти модели опроверг Резерфорд, проведя свой знаменитый опыт.
3. Ранние планетарные модели Нагаоки. В начале двадцатого века Хантаро Нагаока предложил модели ядра атома, подобные планете Сатурн. В них вокруг маленького ядра, заряженного положительно, вращались объединенные в кольца электроны. Эти версии так же, как и предыдущие, оказались ошибочными.
4. Планетарные модели Бора-Резерфорда. После проведения нескольких экспериментов Эрнест Резерфорд предположил, что атом подобен планетной системе. В нем электроны передвигаются по орбитам вокруг ядра, которое заряжено положительно и находится в центре. Но классическая электродинамика противоречила этому, так как, по ней, электрон, двигаясь, излучает электромагнитные волны, а потому теряет энергию. Бор ввел специальные постулаты, по которым электроны не излучали энергию, находясь при этом в некоторых специфических состояниях. Получалось, что классическая механика оказалась неспособной описать эти модели строения атома. Это в дальнейшем привело к появлению квантовой механики, позволяющей объяснить как данное явление, так и многие другие.

Квантово-механическая модель атома

Эта модель является развитием предыдущей. Квантово-механическая модель атома предполагает, что в ядре атома находятся не имеющие заряд нейтроны и положительно заряженные протоны. Вокруг него расположены отрицательно заряженные электроны. Но по квантовой механике, электроны не движутся по заранее заданным определенным траекториям.Так, в 1927 году В. Гейзенберг озвучил принцип неопределенности, по которому представляется невозможным точное определение координаты частицы и ее скорости или импульса.

Химические свойства электронов определены их оболочкой. В таблице Менделеева атомы расположены согласно электрическим зарядам ядер (речь идет о количестве протонов), нейтроны при этом не влияют на химические свойства. Квантово-механическая модель атома доказала, что основная его масса приходится на ядро, а доля электронов при этом остается незначительной. Она измеряется в атомных единицах массы, которая равна 1/12 массы атома изотопа углерода С12.

Волновая функция и орбиталь

Согласно принципу В. Гейзентберга, нельзя говорить со стопроцентной уверенностью о том, что электрон, который имеет определенную скорость, находится в какой-либо конкретной точке пространства. Для того чтобы описать свойства электронов, используют волновую функцию пси.

Вероятность обнаружения частицы в конкретное время прямо пропорциональна квадрату ее модуля, который вычислен для определенного времени. Пси в квадрате называют плотностью вероятности, которая характеризует электроны вокруг ядра в виде электронного облака. Чем она будет больше, тем вероятность электрона в определенном пространстве атома будет выше.

Для лучшего понимания можно представить наложенные фотографии одна на другую, где зафиксированы положения электрона в разные моменты времени. В том месте, где точек будет больше и облако станет самым плотным, и наиболее высока вероятность нахождения электрона.

Рассчитано, например, что квантово-механическая модель атома водорода включает в себя наибольшую плотность электронного облака, находящегося на расстоянии 0,053 нанометра от ядра.

Орбита из классической механики заменена в квантовой электронным облаком. Волновая функция электрона пси здесь называется орбиталью, которая характеризуется формой и энергией электронного облака в пространстве. Применительно к атому имеется в виду пространство вокруг ядра, в котором нахождение электрона является наиболее вероятным.

Невозможное — возможно?

Как и вся теория, квантово-механическая модель строения атома совершила поистине революцию в научном мире и среди обывателей. Ведь и по сей день трудно представить, что одна и та же частица в один и тот же момент времени может находиться одновременно не в одной, а в разных местах! Для защиты устоявшихся укладов говорят, что в микромире происходят события, которые немыслимы и не являются таковыми в макромире. Но так ли это на самом деле? Или люди просто боятся даже допустить возможность того, что «капля подобна океану и океан — капле»?

fb.ru

2.4. Квантово-механическая модель строения атома

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. ЭЛЕКТРОН ИМЕЕТ ДВОЙСТВЕНУЮ (корпускулярно-волновую) ПРИРОДУ.

Электрон, как и другие элементарные частицы (протон, нейтрон), обладает определенной массой и зарядом, т.е. ведет себя как частица. В то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например характеризуется способностью к дифракции (рассеяние световых лучей) и интерференции (наложение световых волн). Для любой элементарной частицы справедливо уравнение (Луи де Бройль), связывающее параметры волны и частицы

,

где λ – длина волны электрона, h — постоянная Планка, m – масса электрона, υ – скорость движения электрона.

2. ДЛЯ ЭЛЕКТРОНА НЕВОЗМОЖНО ОДНОВРЕМЕННО ТОЧНО ИЗМЕРИТЬ КООРДИНАТУ И СКОРОСТЬ.

В силу наличия у микрочастиц волновых свойств невозможно в каждый момент времени точно фиксировать их положение в пространстве и определять с любой точностью скорость их движения. Чем точнее мы измеряем один параметр, тем больше неопределенность в другом. Принцип неопределенности сформулирован Гейзенбергом (1927 г.) и имеет математическое выражение

,

где Δ_х – неопределенность положения частицы по оси х, ΔР_х = Δ(m·υ) – неопределенность составляющей импульса по оси х.

Из формулы видно, что чем меньше значение Δ_х , т.е. чем определеннее положение частицы, тем больше ΔР_х, т.е. тем неопределеннее ее импульс. Неопределенность в свойствах микрообъектов проявляется тем в большей степени, чем в большей степени выражена его волновая функция (чем меньше его масса). Поэтому неопределенность в положении электрона значительно больше, чем неопределенность в положении ядра атома.

3. ЭЛЕКТРОН В АТОМЕ НЕ ДВИЖЕТСЯ ПО ОПРЕДЕЛЕННЫМ

ТРАЕКТОРИЯМ, А МОЖЕТ НАХОДИТСЯ В ЛЮБОЙ ЧАСТИ ОКОЛОЯДЕРНОГО ПРОСТРАНСТВА, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.

Вероятность нахождения электрона в разных местах околоядерного пространства можно определить с помощью уравнения Шредингера

,

где h – постоянная Планка, m – масса электрона, U – потенциальная энергия, Е – полная энергия, ψ – волновая (пси) функция. Первый член уравнения

соответствует кинетической энергии частицы (Е_к) с массой m. При короткой записи Е_к описывается оператором Лапласа

где — оператор Лапласа.

Упрощенный вид уравнения Шредингера

.

Решение этого уравнения связано с большими математическими трудностями. Точное решение оно имеет для атома водорода и для одноэлектронных частиц. Для сложных атомов уравнение Шредингера может быть решено только приблизительно. Решая его находят энергию электрона, а также функцию координат электрона X, Y, Z и времени τ:

.

Волновая функция ψ представляет собой амплитуду трехмерной электронной волны. Причем она имеет как положительные, так и отрицательные значения. Квадрат модуля волновой функции

характеризует вероятность нахождения электрона в некотором объеме. Эту величину называют также электронной плотностью. Если в соответствии с уравнением Шредингера получим, что

,

где — определенный объем, то это значит, что в данном объеме электрон находится 0,1 времени, а 0,9 – в другом месте, т.е. можно утверждать, что электронная плотность в данном объеме равна 0,1. Совокупность мест пространства, где

имеет максимальное значение называют электронной орбиталью.

Таким образом, электронной орбиталью или электронным облаком называется часть околоядерного пространства, в котором вероятность пребывания электрона максимальна.

Поверхность, охватывающая ядро атома, за пределами которой вероятность пребывания электрона исчезающее мала, называют граничной поверхностью орбитали, которая и передает форму самой орбитали.

4. ЯДРА АТОМОВ СОСТОЯТ ИЗ ПРОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ (общее название — нуклоны).

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева, а сумма протонов и нейтронов его атомному числу.

Массовое число (А), заряд ядра (Z), равный числу протонов, и число нейтронов (N) связаны соотношениями: Z = А – N, N = А – Z, А = Z + N.

Атомы с одинаковыми Z, но разными А и N, называют изотопами.

studfile.net

Строение атома и все что с этим связано

Содержание:

История строения атома

Модели строения атома

Периодический закон Менделеева и строение атомов

Электронная оболочка атомов

Формула строения атома

Современная модель строения атома

Строение атома, видео

История строения атома

Еще с давних времен мыслители, философы и первые ученые мужи предполагали, что все сущее, материя, воздух, вода, все состоит из неких мельчайших частиц – атомов. Основоположником атомарной теории строения мира был древнегреческий философ и ученый Демокрит, хотя, скорее всего не он был первым автором этой идеи – Демокрит много путешествовал по тогдашней ойкумене и учение о строении атомов мог перенять у халдейских и/или египетских жрецов, по совместительству блестящих ученых древнего мира.

Согласно учению Демокрита даже человеческая душа состоит из атомов. Он также объяснял многие особенности разных веществ, например, огонь, согласно Демокриту, потому печет, что атомы из которых он состоит острые, а твердые тела именно потому твердые, что атомы из которых они состоят крепко сцеплены между собой.

Учение Демокрита вызвало многие споры среди античных философов (в целом охочих к этому занятию), в частности частым предметом дискуссий и рассуждений был вопрос о делимости/неделимости атома и если атом таки делится, рассуждали философы, то делятся ли в свою очередь его мельчайшие частицы, и до каких пор происходит это деление? Некоторые же мудрецы считали атом мельчайшей неделимой частицей, ведь само название этого слова «atomos» на древнегреческом означало «неделимый».

Правда античные мудрецы дальше теоретических дискуссий так и не зашли, затем на смену античности пришло мрачное средневековье и стало не до атомов. Новый интерес к атомам, основным сведениям об их строении уже возник в XIX веке, времени нового расцвета науки и техники. Так уже с практическими опытами ученым стало понятно, что атом не является неделимым, а в 1860 году было сформулировано академическое понятие атома и молекулы.

XX век стал подлинным временем прорыва наших знаний об атоме, в том числе блестящие ученые физики Нильс Бор и Эрнест Резерфорд предложили так званую планетарную модель атома, сравнив его с планетной системой, где подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца, электроны в атоме вращаются вокруг атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Любопытно, что подобные рассуждения перекликаются с представлениями древних, ведь еще легендарный Гермес Трисмегист говорил «что вверху, то внизу», или другими словами строение планетных систем и галактик подобно строению мельчайшей частицы – атома.

Модели строения атома

Помимо модели Бора/Резерфорда были и другие, например, модель Томпсона, полагавшего, что атом является положительно заряженным телом, внутри которого располагаются электроны. Эту модель опроверг Резерфорд.

Также стоит отметить планетарную модель атома Нагаоки, предполагавшего, что строение атома подобно планете Сатурн, у которого вокруг ядра вращаются объединенные в кольца электроны.

Закономерным развитием общепризнанной планетарной модели Бора/Резерфорда стала квантовая модель строения атома, утверждающая, что в ядре атома находятся не имеющие заряда нейтроны, положительно заряженные протоны, а вокруг летают отрицательно заряженные электроны. При этом траектории движения электронов согласно законам квантовой механики наперед не заданы.

Разумеется, все модели строение атомы являются весьма упрощенными вариантами, подлинное строение атома куда более сложное.

Периодический закон Менделеева и строение атомов

Строение и свойства атомов различных химических элементов прямо связаны с местом последних в знаменитой таблице Менделеева. Там они расположены согласно электрическим зарядам своих ядер, зависящего от количества протонов (как помним заряженных положительно) и электронов, летающих вокруг ядра и заряженных отрицательно.

Электронная оболочка атомов

Электронная оболочка атомов имеет ровно столько электронов, сколько есть в его ядре протонов, именно благодаря этому атом является нейтрально заряженным – количество положительно и отрицательно заряженных частиц уравнивают друг друга.

Формула строения атома

Наряду с появлением планетарной теории строения атома появились и формулы, описывающие это самое строение для атомов разных химических элементов. Например, формулу строения атома азота можно описать как – 1s²2s

22p³, строение атома натрия – 1s2²s²2p⁶3s¹. Эти формулы показывают, какое количество электронов движется по каждой из орбит того или иного химического элемента.

Современная модель строения атома

В наше время физика не стоит на месте и с момент создания канонической планетарной модели атома Бора/Резерфорда было сделано много интересных открытий относительно устройства атома. Так, например, мы уже знаем что протоны, из которых состоит атомное ядро, сами в свою очередь состоят из еще более мелких элементарных частиц – кварков. Но кварки, также далеко не самые мелкие частицы, меньше их открытые загадочные нейтрино, о которых на нашем сайте есть интересная статья.

Строение атома, видео

И в завершение познавательное видео про электронное строение атома и атомного ядра.

www.poznavayka.org