Ядерные модели — Википедия

Ядерные модели — это методы описания свойств ядер атомов, основанные на представлении ядра в виде физического объекта с заранее известными характерными свойствами. Из-за того, что ядро представляет собой систему достаточно большого числа сильно взаимодействующих и расположенных близко друг к другу частиц (нуклонов), которые при этом состоят из кварков, теоретическое описание такой системы является очень трудной задачей. Использование моделей позволяет достичь приближённого понимания процессов, происходящих с участием атомных ядер и внутри их. Существуют различные модели ядра, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели выглядят даже взаимоисключающими.

Наиболее известными являются следующие модели:

Капельная модель[править | править код]

Была предложена Нильсом Бором в 1936 году в рамках теории составного ядра^[1]. Согласно этой теории, атомное ядро можно представить в виде сферической равномерно заряженной капли из особой ядерной материи, которая обладает несжимаемостью, насыщением ядерных сил, «испарением» нуклонов (нейтронов и протонов), напоминая жидкость. Эта модель развивалась Яковом Френкелем и, в дальнейшем, Джоном Уилером, на её основании Карлом Вайцзеккером была получена полуэмпирическая формула для энергии связи ядра атома, названная в его честь

формулой Вайцзеккера. Капельная модель является макроскопической теорией, она не учитывает микроскопического строения ядра, например, распределения ядерных оболочек.

Модель хорошо описывает важнейшие свойства ядер — свойство насыщения, т.е. пропорциональность энергии связи тяжёлых ядер массовому числу A = N+Z; зависимость радиуса ядра R от A: R∼A1/3{\displaystyle R\sim A^{1/3}}, причины деления ядер и их механизм, ядерные реакции при низких энергиях, идущие через составное ядро Бора, но не описывает некоторые члены в формуле для энергии связи ядра, например энергию спаривания, не объясняет существование и особую устойчивость магических ядер^[2]. Также капельная модель не пригодна для количественного описания спектров энергий возбуждённых состояний ядер^[3].

Оболочечная модель[править | править код]

Предложена в 1932 году Дмитрием Иваненко совместно с Евгением Гапоном, в 1949 году дополнена Марией Гёпперт-Майер и Хансом Йенсеном. Аналогична теории оболочечного строения атома, в которой электроны наполняют электронные оболочки, и, как только оболочка заполнена, значительно понижается энергия связи для следующего электрона. Согласно модели ядро представляет собой систему нуклонов, независимо движущихся в усреднённом поле, создаваемом силовым воздействием остальных нуклонов. Каждый нуклон находится в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения j, его проекцией m на одну из координатных осей и орбитальным моментом вращения l = j± 1/2. Энергия уровня не зависит от проекции момента вращения на внешнюю ось, поэтому на каждом энергетическом уровне с моментами j, l может находиться (2j + 1) нуклонов, образующих оболочку (j, l). Совокупность близких по энергии уровней образует оболочку ядра. Когда количество протонов или нейтронов достигает магического числа, отвечающего заполнению очередной оболочки, возникает возможность скачкообразного изменения некоторых характеризующих ядро величин (в частности, энергии связи). Физической причиной периодичности является принцип Паули, запрещающий двум тождественным фермионам находиться в одном и том же состоянии.

Оболочечная модель позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств, применима для описания легких и средних ядер, а также ядер, находящихся в основном состоянии

[4].

Модель не объясняет деформированные ядра.

Коллективная модель ядра[править | править код]

Предложена в 1952 году Оге Бором и Б. Моттельсоном. Возникла на основе капельной модели. Рассматривает ядро как остов, образованный нуклонами заполненных оболочек и внешних нуклонов, движущихся в поле создаваемом нуклонами остова. Модель объяснила природу низколежащих возбуждений ядер, которые интерпретируются как динамическая деформация поверхности.

Обобщённая модель ядра[править | править код]

Предложена в 1952 году Оге Бором и Б. Моттельсоном. Объяснила большие квадрупольные моменты некоторых ядер тем, что внешние нуклоны таких ядер деформируют остов, который становится вытянутым или сплюснутым.

Ротационная модель[править | править код]

Согласно экспериментальным данным в области массовых чисел 150 < A < 190 и А > 200, квадрупольные моменты ядер чрезвычайно велики и отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в десятки раз. В этой же области значений А зависимость энергии нижних возбуждённых состояний ядер от спина ядра оказывается похожей на зависимость энергии вращающегося волчка от его момента вращения. Согласно модели ядро предполагается несферическим.

Существенная черта ротационной модели — сочетание вращения всего ядра, как целого, с движением отдельных нуклонов в несферическом потенциальном поле. При этом предполагается, что вращение всего ядра происходит достаточно медленно по сравнению со скоростью движения нуклонов. Ротационная модель позволяет описать ряд существенных свойств большой группы ядер, при этом необъяснённым остаётся сам факт возникновения ротационного спектра (факт вращения всего ядра, как целого).

Сверхтекучая модель ядра[править | править код]

Предложена в 1958 году Оге Бором и Дж. Валатином. Согласно этой модели аналогично тому, как спаривание электронов в металлах порождает сверхпроводимость, спаривание нуклонов приводит к сверхтекучести ядерного вещества. В ядрах предполагается спаривание нуклонов с одними и теми же значениями квантовых чисел (j, l) и с противоположными проекциями полного момента вращения нуклона, равными —j, —j + 1,… j—1, j. Физическая причина спаривания — взаимодействие частиц, движущихся по индивидуальным орбитам.

Модель удовлетворительно объясняет как абсолютные значения моментов инерции, так и их зависимость от параметра деформации Р.

Кластерная модель (модель нуклонных ассоциаций)[править | править код]

Возникла во второй половине 30-х годов. Её суть составляет предположение, что ядро состоит из α-частичных кластеров, используется для объяснения свойств некоторых лёгких ядер. Предполагается, например, что ядро лития ⁶Li значительную часть времени проводит в виде дейтрона и α-частицы, вращающихся относительно центра тяжести ядра.

Статистическая модель ядра[править | править код]

Предложена в 1936 году Яков Френкелем и 1937 году Львом Ландау. При высокой энергии возбуждения число уровней в средних и тяжёлых ядрах велико, а расстояния между уровнями малы. Зависимость плотности уровней энергии описывается методами статистической физики, рассматривая возбуждение как нагрев Ферми-жидкости нуклонов. Модель применима для описания распределения уровней энергии и распределения вероятности излучения квантов при переходе между высоколежащими возбужденными состояниями ядра, она позволяет учесть поправки, связанные с наличием оболочек в ядре.

Оптическая модель ядра[править | править код]

Используется для описания упругого рассеяния нуклонов на ядрах и прямых ядерных реакций, происходящих с характерными ядерными временами 10−22−10−23{\displaystyle 10^{-22}-10^{-23}} с. Ядро представляется в виде полупрозрачной сферы с определенными коэффициентами преломления и поглощения. При попадании на такую сферу частица испытывает все виды взаимодействия, характерные для распространения света в полупрозрачной оптической среде: отражение, преломление, поглощение.

Вибрационная модель[править | править код]

Используется для объяснения спектра коллективных возбуждений сферических ядер в результате поверхностных и квадрупольных колебаний жидкой капли, под которой понимается ядро.

Модели атома

Решающим моментом в развитии теории строения атома было открытие электрона. Наличие в электрически нейтральном атоме отрицательно заряженной частицы побуждало предполагать наличие частицы с положительным зарядом. Модель Д. Томсона, не будучи в состоянии объяснить характер атомных спектров, излучаемых атомами, уступила место планетарной модели Э. Резерфорда. Исследуя рассеяние атомами вещества альфа-частиц, излучаемых радиоактивными веществами, он открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. Оказалось, что атом состоит не из положительно заряженного облака, в котором (подобно изюму в булке) находятся электроны, как это предполагал Д. Томсон, а из электрона и ядра размером около 10-13 см., в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом подобен Солнечной системе: в центре него находится тяжелое ядро, вокруг него вращаются электроны. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом не может быть устойчивым: двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, электрон испытывает ускорение, а поэтому он должен излучать электромагнитные волны, несущие энергию. Потеря энергии приведет электрон к падению на ядро. Таким образом, подобный атом не может быть устойчивым, а потому в реальности не может существовать. Таким образом, классическая физика не могла найти объяснения устойчивости атомов.

Разработка следующей модели атома принадлежит Н. Бору. Взяв за основу модель Резерфорда, он использовал и идеи квантовой теории. Бор выдвинул предположение, согласно которому в атомах существуют особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают — излучение происходит лишь при переходе из одного стационарного состояния в другое.

Внутреннее строение атома изучать непосредственно невозможно, поскольку микроскопические размеры недоступны прямому восприятию, поэтому о структуре атома можно судить по ее косвенным проявлениям макроскопического масштаба. Таким проявлением является излучение атомов под воздействием нагрева или внешнего электрического поля. Изучение спектров излучения позволяет получить данные о внутренней структуре атома — для каждого атома характерны особенности спектра. Классическая физика не могла объяснить законы, которым подчинялись атомные спектры. Модель Бора выявила истинное значение спектральных законов и позволила установить, как эти законы отражают квантовый характер внутренней структуры атома — устойчивость структуры атома оказалась неразрывно связанной с существованием квантов. В модели Бора каждый атом обладает некоторой последовательностью квантовых (стационарных) состояний. Каждый вид атома имеет свою последовательность квантовых значений энергии, соответствующих различным возможным стационарным состояниям. Вывод о том, что в устойчивом состоянии атом не должен излучать, не соответствовал данным классической электродинамики, согласно которым электроны, движущиеся с ускорением, должны были непрерывно излучать электромагнитные волны. Бор и предположил, что каждая спектральная линия соответствует мгновенному переходу атома из одного квантового состояния в другое, которое характеризуется меньшим значением энергии. Избыток энергии при этом уносится в виде отдельных квантов (фотонов).

Модель атома Бора показала свою плодотворность в применении к атому водорода, позволив понять структуру оптического спектра. Но попытка применить данную модель к более сложным атомам, имеющим большее число электронов, выявила ограниченность данной модели — результаты ее применения лишь весьма приблизительно соответствовали данным эксперимента. Кроме того, модель атома Бора располагала методом квантования действия лишь для одномерного движения (предложенного еще Планком). Поэтому необходимо было найти методы квантования для случаев многомерного движения. Этот метод был найден в 1916 г. Ч. Вильсоном и А. Зоммерфельдом (почти одновременно друг с другом) и использован для решения тех задач, которые не могли быть решены с помощью модели атома Бора. Таким путем была создана концепция тонкой структуры линии спектра. Излучение линий спектра водорода с помощью спектрографов с высокой разрешающей способностью позволило выявить тонкую структуру спектра — оказалось, что спектральные линии сами состоят из ряда близко расположенных друг к другу линий. Зоммерфельд высказал предположение о связи тонкой структуры спектральных линий с релятивистскими эффектами и предположил вместо уравнений ньютоновской механики использовать уравнения релятивистской механики. Предположения Зоммерфельда дали результаты, согласуемые с экспериментальными данными. Вместе с тем полученная Зоммерфельдом картина спектральных линий оказалась значительно беднее реальной, поэтому его модель не могла дать достаточно полные объяснения тонкой структуры спектральных линий.

Для модели атома Бора основополагающим является утверждение о том, что электроны внутри атома могут находиться лишь в стационарных состояниях, которые соответствуют определенным квантовым значениям энергии. Следовательно, существуют определенные энергетические уровни, на которых находятся электроны. Как известно, атом каждого последующего элемента имеет на один электрон больше, чем предыдущего. Значит, по мере возрастали атомного номера усложняется структура электронных оболочек атомов. На основе знания этой структуры можно устанавливать физические и химические свойства элементов. В периодической системе Д. И. Менделеева элементы расположены в порядке возрастали атомного веса, причем в расположенных таким образом элементах обнаруживается определенная периодичность в химических свойствах этих элементов. Физическая природа этой периодичности оказывается весьма сложной. Теория атома должна иметь возможность объяснить эту природу. Для этого модель Бора необходимо было дополнить требованием, чтобы на одном энергетическом уровне могло находиться лишь ограниченное число электронов (явление насыщения энергетического уровня электронами). Если бы данного насыщения не существовало, то в нормальном (стабильном) состоянии атома все электроны атома были бы на низшем уровне, который соответствует наименьшей энергии. Но вследствие насыщения уровней подобная ситуация оказывается невозможной.

Двигаясь по периодической системе элементов, можно видеть, как постепенно заполняются друг за другом низшие энергетические уровни — как только низший уровень оказывается заполненным, настает очередь следующего уровня. Тонкая структура спектральных линий при этом свидетельствует о расщеплении энергетических уровней электронов внутри атома на ряд подуровней. Заполняющие эти уровни подуровни электроны (обладающие почти одинаковой энергией) образуют оболочку. При заполнении друг за другом последующих уровней, таким образом, образуются различные оболочки. Изменяемая при движении по таблице Менделеева периодичность свойств объясняется характером заполнения оболочек электронами. Таким образом, исследование спектров играет огромную роль в изучении внутренней структуры атома.

Модель Бора, позволяя определить частоту излучения, не давала возможности определять интенсивность излучения и его поляризацию, что совершенно необходимо для уточнения природы излучения, которое возникает при переходах электронов внутри атома из одного стационарного состояния в другое. Бор этот недостаток пытался устранить с помощью принципа соответствия. Кроме того, модель Бора была непоследовательной: отвергая ряд положений классической механики и электродинамики, она использовала как классические понятия и формулы, так и квантовые. Бор понимал ограниченный характер собственной модели атома. Принцип соответствия указывал на одно из новых направлений. Однако впоследствии, с созданием квантовой механики, было выяснено, что при описании строения атома классические представления не могут иметь места.

Квантово-химические модели атомов и молекул

 

Современные представления о строении атомов и молекул, понимание химических превращений вещества на атомном и молекулярном уровне его организации раскрывает квантовая химия.

С позиции квантовой химии атом – это микросистема, состоящая из ядра и электронов, движущихся в электромагнитном поле ядра. На рис. 1 представлены орбитальные, электронные и электронографические модели атомов первого и второго периодов, построенные с использованием квантовых принципов и правил заполнения электронами энергетических уровней в атомах. Четыре квантовых числа n, l, m_l, m_s полностью характеризуют движение электронов в поле ядра. Главное квантовое число n характеризует энергию электрона, его удалённость от ядра и соответствует номеру энергетического уровня, на котором находится электрон. Орбитальное квантовое число l определяет форму орбитали и энергию подуровней одного и того же энергетического уровня. Понятие «орбиталь» означает наиболее вероятную область движения электрона в атоме. Магнитное квантовое число m_l определяет число орбиталей и их пространственную ориентацию. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа взаимосвязаны. Орбитальное квантовое число l принимает значения на единицу меньше, чем главное квантовое числоn. Если n = 1, то l = 0,  и по форме это сферическая 1s-орбиталь. Если n = 2, то орбитальное квантовое число принимает два значения: l = 0, 1, указывающие на наличие двух подуровней.  Это сферическая 2s— орбиталь (l = 0) и три 2p-орбитали, напоминающие по форме гимнастические гантели, расположенные под углом 90^о по осям декартовой системы координат.

 

Рисунок 1.  Квантово-химические, электронные и электронографические модели атомов первого и второго периодов

 

Число и пространственное расположение 2p-орбиталей определяет магнитное квантовое числоm_l, которое принимает значения в пределах изменения орбитального квантового числа от –l до +l. Если l = 0, то m_l = 0 (одна s—орбиталь). Если l = 1, то m_l принимает три значения –1, 0, +1 (три р-орбитали).

Орбитальные модели атомов показывают пространственное расположение и форму орбиталей, а на электронографических моделях в виде символических квантовых ячеек  дано изображение орбиталей и положение уровней и подуровней на энергетической диаграмме. Следует обратить внимание на размеры атомов. В периодах повторяется одна и та же закономерность – по мере увеличения заряда ядра происходит возрастающая деформация (сжатие) орбиталей под действием электромагнитного притяжения электронов ядром (рис. 1).

Размещение электронов на орбиталях подчиняется одному из важнейших принципов квантовой механики (принцип Паули): на одной орбитали может находиться не больше двух электронов, причем они должны различаться собственным моментом количества движения – спином (англ. spin вращение). Электроны, различающиеся спинами, условно изображают стрелками ­ и ¯. Когда на одной орбитали находятся два электрона, они имеют антипараллельные спины и не мешают друг другу двигаться в поле ядра.

Это свойство напоминает вращение в зацеплении двух шестеренок. Находясь в зацеплении, одна шестеренка вращается по часовой стрелке, другая – против часовой стрелки. Третья шестеренка в зацеплении с двумя другими останавливает вращение. Она лишняя. Так и на одной орбитали может находиться лишь 2 электрона, третий – лишний.

При заполнении электронами энергетических уровней и подуровней в действие вступает квантовый принцип минимума энергии (правило Клечковского). Электроны заполняют орбитали от низшего к высшему энергетическому уровню. Принцип минимума энергии напоминает заполнение этажей многоэтажного дома в период наводнения. Вода поднимается и заполняет все этажи снизу вверх, не пропуская ни одного.

В соответствии с правилом Хунда все р-орбитали заполняются сначала одним электроном и только затем вторым с антипараллельным спином.

Квантовохимические модели атомов позволяют объяснить свойства атомов обмениваться энергией, отдавать и присоединять электроны, изменять геометрическую конфигурацию, образовывать химические связи.

Ковалентная химическая связь образуется при перекрывании валентных электронных облаков. Например, такая связь представлена в орбитальной модели молекулы водорода (рис. 2).

 

Рисунок 2. Модель ковалентной связи в молекуле водорода

 

Использование квантовохимического метода валентных связей основано на представлении, о том, что каждая пара атомов в молекуле удерживается вместе при помощи одной или нескольких электронных пар с антпараллельными спинами. С позиции метода валентных связей молекула – это микросистема, состоящая из двух или большего числа ковалентно связанных атомов.Положительно заряженные ядра атомов удерживаются отрицательным зарядом, сосредоточенным в области перекрывания атомных орбиталей. Притяжение ядер атомов к повышенной электронной плотности между ними уравновешивается силой отталкивания ядер между собой. Образуется устойчивая микросистема, в которой длина ковалентной связи равна расстоянию между ядрами.

В молекуле фтора так же, как и в молекуле водорода, имеется неполярная ковалентная связь. При перекрывании 2р¹-орбиталей электронная пара создает между ядрами атомов повышенную электронную плотность и удерживает молекулу в устойчивом состоянии (рис. 3).

 

F–F

Рисунок 3. Модель ковалентной связи в молекуле фтора

 

Под неполярной ковалентной связью подразумевается такое перекрывание валентных орбиталей, в результате которого совпадают центры тяжести положительных и отрицательных зарядов.

Возможно образование полярной ковалентной связи при перекрывании 1s¹— и 2р¹-орбиталей. На рис. 4 представлена модель фтороводорода с полярной ковалентной связью. Электронная плотность между ковалентно связанными атомами смещается к атому фтора, заряд ядра которого (+9) оказывает большее электромагнитное притяжение по сравнению с ядром атома водорода с зарядом (+1).

 

H–F

Рисунок 4. Модель полярной ковалентной связи в молекуле фтороводорода

 

Ионная связь обусловлена притяжением электрически заряженных частиц – ионов. На рис. 5 представлена модель образования ионной связи во фториде лития. Сильное электромагнитное поле, создаваемое ядром атома фтора, захватывает и удерживает на р-орбитали электрон, принадлежавший атому лития. Атом лития, лишенный электрона, изменяет геометрическую конфигурацию (исчезла 2s-орбиталь), становится положительно заряженным ионом и притягивается к отрицательно заряженному иону фтора, который приобрел лишний электрон на р-орбиталь.

 

Рисунок 5. Модель ионной пары Li⁺F^— фторида лития

 

Силы электростатического притяжения противоположно заряженных ионов и отталкивания электронных оболочек ионов лития и фтора уравновешены и удерживают ионы на расстоянии, соответствующем длине ионной связи. Перекрывание орбиталей в соединениях с ионной связью практически отсутствует.

Особый вид химической связи проявляется в атомах металлов. Кристалл металла (рис. 6) состоит из положительно заряженных ионов, в поле которых свободно движутся валентные электроны («электронное облако»).

 

Рисунок 6. Модель кристалла металлического лития

 

Ионы и «электронное облако» взаимно удерживают друг друга в устойчивом состоянии. Благодаря высокой подвижности электронов металлы обладают электронной проводимостью.

В молекулах атомы, связанные несколькими ковалентными связями, изменяют геометрическую конфигурацию. Рассмотрим проявление этого свойства на примере атома углерода (1s²-орбиталь в моделях атома углерода не изображена, т.к. не участвует в образовании химической связи).

Экспериментально установлено, что в молекуле СН₄ атом углерода образует с атомами водорода четыре одинаковые ковалентные связи, эквивалентные по своим энергетическим и пространственным характеристикам. Трудно представить четыре одинаковые ковалентные связи, если иметь в виду, что в углероде валентные электроны располагаются на двух энергетических 2s и 2p подуровнях:

В основном (невозбужденном) состоянии углерод образует лишь две ковалентные связи. В возбужденном состоянии один электрон с подуровня 2s переходит на более высокий энергетический подуровень 2p. В результате такого перескока электрона увеличивается суммарная энергия 2s— и 2p-орбиталей и валентность атома углерода изменяется до четырех:

И все же этого недостаточно, чтобы объяснить четыре равноценные ковалентные связи в молекуле СН₄, т.к. 2s— и 2p-орбитали имеют разную форму и пространственное расположение. Проблема была решена введением гипотезы огибридизации – смешении валентных электронов в подуровнях одного и того же энергетического уровня. В молекуле метана одна 2s— и три 2р-орбитали атома углерода в результате гибридизации превращаются в четыре равноценные sp³-гибридные орбитали:

В отличие от невозбужденного (основного) состояния атома углерода, в котором три 2р-орбитали атома расположены под углом 90^о (рис. 7,а), в молекуле метана (рис. 7,b) равноценные по форме и размерам sp³ -гибридные атома углерода расположены под углом 109^о28^‘.

 

Рисунок 7. Модель молекулы метана

 

В молекуле этилена С₂Н₄ (рис. 8,а) атомы углерода находятся в sр²-гибридном состоянии. В гибридизации участвует 2s-орбиталь и две 2р-орбитали. В результате гибридизации атомы углерода образуют три равноценные sp²-гибридные орбитали, расположенные под углом 120^о на плоскости; 2p_z-орбиталь не участвует в гибридизации.

 

Рисунок  8. Модель молекулы этилена

 

В молекуле этилена атомы углерода связаны не только s-связью, но и  p-связью. Она образуется в результате перекрывания р_z-орбиталей с образованием двух областей перекрывания над и под осью, соединяющей ядра, по обе стороны от оси s-связи (рис.8).

Модель тройной связи представлена в молекуле ацетилена (рис. 9). При смешении одной 2s— и одной 2р_х—орбитали атома углерода образуются две sp-гибридные орбитали, которые располагаются на линии, соединяющей ядра атомов (угол 180^о). Негибридные 2р_у—и2р_z-орбитали разных атомов углерода перекрываются, образуя две p-связи во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 9).

 

Рисунок  9. Модель молекулы ацетилена

 

Молекулы, подобно атомам, проявляют свойство разрывать и образовывать химические связи, изменять геометрическую конфигурацию, переходить из электронейтрального в ионное состояние. Указанные свойства представлены в реакции между молекулами аммиака NН₃ и фтороводорода HF (рис. 10). Разрывается ковалентная связь в молекуле фтороводорода, и образуется ковалентная донорно-акцепторная связь между азотом и водородом в молекуле аммиака. Донором выступает неподелённая пара электронов атома азота, акцептором – вакантная орбиталь атома водорода (рис. 10). Геометрическая конфигурация молекулы NН₃ (тригональная пирамида, валентный угол 107^о18′) изменяется на тетраэдрическую конфигурацию иона NН₄⁺ (109^о28′). Завершающим процессом является образование ионной связи в кристаллической структуре фторида аммония. Орбитальные модели молекул позволяют показать все перечисленные выше свойства в одной реакции: разрывать и образовывать химические связи, изменять геометрическую конфигурацию, переходить из электронейтрального в ионное состояние.

 

Рис. 10. Модель образования ионной пары кристаллического NH₄⁺F^—

 

Химическая реакция с использованием символов химических элементов:

NН₃ + HF → NН₄F,

дает обобщенное выражение того, что раскрыто в орбитальных моделях молекул. Химические реакции, представленные орбитальными моделями и символами химических элементов, взаимно дополняют друг друга. В этом их достоинство. Овладение элементарными знаниями квантово-химического выражения структуры и состава атомов и молекул ведет к пониманию ключевых химических понятий: ковалентная полярная и неполярная связь, донорно-акцепторная связь, ионная связь, геометрическая конфигурация атомов и молекул, химическая реакция. И на фундаменте этих знаний можно уверенно использовать символику химических элементов и соединений для краткого описания химических состояний и превращений вещества.

Приведем ещё пример реакции, рассматриваемой с позиций квантовой химии. Вода проявляет свойства слабого электролита. Электролитическую диссоциацию обычно представляют уравнением:

Н₂О ⇄Н⁺ + ОН^—

или

Н₂О + Н₂О ⇄Н₃О⁺ + ОН^—.

Деление молекул воды на положительно и отрицательно заряженные ионы раскрывает квантовохимическая модель реакции электролитической диссоциации (рис. 11).

 

Рисунок 11. Модель электролитической диссоциации воды

 

Молекула воды представляет собой искаженную пирамиду (валентный угол 104^о30′). Две sр³-гибридные орбитали атома кислорода образуют s-связи с атомами водорода. Две другие sр³-гибридные орбитали располагают свободными парами электронов с антипараллельными спинами. Разрыв ковалентной Н−О связи в одной из молекул приводит к образованию на соседней молекуле ковалентной химической связи по донорно-акцепторному механизму. Ион водорода, располагающий вакантной орбиталью, выступает в роли акцептора электронной пары атома кислорода соседней молекулы воды. В этом примере, как и в предыдущем, квантово-химический подход позволяет понять физико-химический смысл процесса электролитической диссоциации воды.

***

Мышление – это процесс, с помощью которого мы опосредствованно можем судить о том, что скрыто от нашего чувственного восприятия. Квантовая химия дает зрительный образ химических процессов и состояний вещества, раскрывает то, что скрыто от нашего чувственного восприятия, побуждает учиться и размышлять.

Модель атома Томсона — Вікіпедія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Схематичне забраження моделі атома Томсона

Моде́ль атома То́мсона інколи ще її називають пу́дингова модель а́тома (англ. plum pudding model) — модель атома, яку 1904 року запропонував Джозеф Джон Томсон. Відкривши у 1897 році електрон, дослідник припустив, що від’ємно заряджені «корпускули» (так він називав електрони, хоча ще 1894 року Джордж Стоні (англ. George Johnstone Stoney, 1826—1911) запропонував називати «атоми електрики» електронами^[1]) входять до складу атома. Він запропонував модель атома, в якому у хмарі позитивного заряду, що за розміром відповідає розміру атома (приблизно 10⁻¹⁰м), містяться маленькі, від’ємно заряджені «корпускули», сумарний електричний заряд яких дорівнює заряду позитивно зарядженої хмари, чим забезпечується електронейтральність атомів. «Корпускули» у цій моделі електрони розподілені всередині позитивно зарядженої хмари з однаковою за об’ємом густиною заряду, що нагадують родзинки у тісті пудинга, що й дало іншу назву — «пудингова модель атома».

На думку Томсона:

«

…атоми елементів складаються з декількох від’ємно заряджених корпускул, поміщених у сферу, що має однорідно розподілений позитивний електричний заряд…[2]

»

Атом за Томсоном складається з електронів, поміщених в позитивно заряджений «суп», що компенсує їхні від’ємні заряди, подібно до негативно заряджених «родзинок» в позитивно зарядженому «пудингу». Електрони, як вважалося, розподілялись по усьому атому. Було декілька варіантів можливого розташування електронів усередині атома, зокрема на кільцевих траєкторіях руху електронів. У деяких варіантах моделі замість «супу» пропонувалася «хмара» позитивного заряду.

Згідно з цією моделлю, електрони могли вільно здійснювати колові рухи у краплі або хмарі такої позитивно зарядженої субстанції. Їх орбіти стабілізувались тим, що, при віддаленні електрона від центра позитивно зарядженої хмари, він зазнавав зростання сили притягання, що повертала його назад, оскільки всередині його орбіти було більше субстанції протилежного заряду, ніж зовні (за теоремою Гауса). В моделі Томсона електрони могли вільно обертатись на кільцевих орбітах, які стабілізувались взаємодією між електронами, а спектри пояснювались енергетичними відмінностями між різними кільцевими орбітами.

Модель пояснювала кілька важливих фундаментальних фактів^[3]:

• По-перше, тверді тіла, тобто такі, в яких атоми знаходяться майже впритул один до одного, надзвичайно важко стиснути, що означає що атомі є жорсткими конструкціями.
• По-друге, при механічному терті заряд може перетікати з одного тіла на інше, а отже його носії мають відносно вільно пересуватися.
• Електрони значно менші ніж атоми (оцінки показували, що радіус електрона менший за 10^-15 м)

Стаття Томсона була опублікована у березні 1904 року у «Філософському журналі» (англ. «Philosophical Magazine»), провідному британському науковому журналі того часу. Томсон згодом намагався пояснити за допомогою своєї моделі наявність певних яскравих спектральних ліній хімічних елементів, але успіху не досяг.

Проте, модель Томсона (також як до неї модель сатурніанських кілець для електронів атомів, яку висунув теж у 1904 році Х. Нагаока, за аналогією з моделлю кілець Сатурна Джеймса Клерка Максвелла) стала раннім провісником пізнішої й успішнішої моделі Бора, що представляє атом як подобу Сонячної системи.

Спростування моделі Томсона[ред. | ред. код]

Сучасна модель атома гелію включає в себе щільне ядро, оточене ймовірнісною «хмарою» електронів

Модель атома Томсона від 1904 року було спростовано в експерименті із визначення розсіювання альфа-частинок на золотій фользі у 1909 році, аналіз якого зробив Ернест Резерфорд у 1911 році^[4][5], котрий зробив припущення, що в атомі є відносно дуже мале за розмірами ядро з великим позитивним зарядом (для кожного випадку, достатнім, щоб скомпенсувати заряд багатьох десятків електронів), що привело до створення планетарної моделі атома Резерфорда.

Так як атомний номер золота дорівнює 79, одразу ж після виходу статті Резерфорда у 1911 році Антоніус ван ден Брук зробив інтуїтивне припущення, що атомний номер і є зарядом ядра. Для підтвердження припущення потрібен був експеримент. У 1913 році Генрі Мозлі експериментально показав (див. закон Мозлі), що ефективний заряд ядра є дуже близьким до атомного номера (різниця, яку виявляв Мозлі, була не більшою за одиницю), при цьому Мозлі посилався виключно на роботи Ван ден Брука та Резерфорда.

Це дослідження у підсумку створило передумови появи у тому ж році моделі атома Бора, схожої на планетарну систему але з квантовими обмеженнями, у якій ядро з позитивним зарядом, що чисельно дорівнює атомному номеру, оточене такою ж кількістю електронів, розташованих в орбітальних шарах.

Конфігурації, що їх мали голки в експериментах Майера

• З цією новою моделлю Томсон відмовився від своєї попередньої гіпотези «туманного атома» (англ. nebular atom), за якою вважалось, що атом складається з нематеріальних вихорів. Тепер принаймні частина атома складалася мікроскопічних негативно заряджених корпускул Томсона, хоча позитивно заряджена решта атома як і раніше залишалася досить туманною й практично невизначеною.
• Модель Томсона порівнювали (хоча сам він цього не робив) з британським десертом, різдвяним пудингом з родзинками, що дав назву цій моделі.
• Намагаючись зрозуміти, яку конфігурацію мають електрони у атомі, Томсон звернув увагу на експерименти Альфреда Майера^[en], який встромляв намагнічені голки у шматочки корку, поміщав їх у ємність з водою, яку потім ставив під сильний магніт. Майер помітив, що голки самостійно стають у впорядковані конфігурації, а саме концентричні кільця і еліпси, форма і кількість яких залежить від кількості голок. Томсон сподівався, що електрони у атомах поводяться схожим чином, і утворюють кільцеподібні конфігурації. Сучасна концепція електронних оболонок на диво схожа на очікуване Томсоном явище, хоча принципи її існування зовсім інші.
  [6]

• Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — Библиотечка «Квант». Вып. 1. — М. : Наука, 1980. — 152 с.
• Білий М. У. Атомна фізика. — К. : Вища школа, 1973. — 396 с.
• Яворський Б. М. Довідник з фізики: для інженерів та студентів вищих навч. закладів / Б. М. Яворський, А. А. Детлаф, А. К. Лебедєв. —  : Навчальна книга-Богдан, 2005. — 1034 с. — ISBN 966-692-818-3.

Ранние модели атома

Физика >Ранние модели атома

 

Изучите первые модели строения атома. Узнайте, как видели модель атома Демокрит, алхимики и Дальтон: число Авогадро, состав атома, электромагнитная сила.

Дальтон считал, что материя представлена дискретными единицами – атомы, которые нельзя разделить.

Задача обучения

• Изучить постулаты атомной теории Дальтона и взгляды древнегреческих философов.

Основные пункты

• Атом – главная единица материи, представленная плотным центральным ядром, окруженным облаком из электронов с отрицательными зарядами.
• Рассеянные знания, открытые алхимиками в средние века, поспособствовали обнаружению атома.
• Дальтон строит теорию, основываясь на факте, что массы реагентов в определенных химических реакциях всегда обладали определенным соотношением.

Термины

• Ядро – массивная центральная часть атома с положительным зарядом, вмещающая протоны и нейтроны.
• Число Авогадро – количество частиц (атомы или молекулы) в одном моле вещества. Значение — 6.02214129 ⋅ 10²³ моль^-1.
• Электромагнитная сила – фундаментальная сила, активная между заряженными телами.

Атом – главная единица материи, представленная плотным центральным ядром, вокруг которого сосредоточено облако из отрицательно заряженных электронов. Как выглядит модель строения атома? В ядре вмещается смесь протонов (положительные) и нейтронов (нейтральные). Электроны связываются с ядром через электромагнитную силу.

Перед вами атом гелия, демонстрирующий ядро (розовое) и позицию электронных облаков (черное). Ядро (справа сверху) в гелии-4 выступает сферически симметричным и напоминает электронное облако. Черная линия – один ангстрем

Люди с давних времен размышляют о структуре материи и существовании атомов. Наиболее ранние идеи появились в Древней Греции в 5-м веке до н.э. от философов Левкиппа и Демокрита. Они пытались разобраться в том, можно ли разделить вещество на мелкие части без ограничений. Есть несколько ответов. Один из них заключается в бесконечно малом подразделении. Демокрит полагал, что все же есть наименьшая конечная частичка, с которой уже ничего нельзя сделать и он именовал ее «атом». Сейчас мы знаем, что их можно поделить, но в процессе уничтожается идентичность, поэтому греки были правы.

Они также думали, что есть несколько разновидностей атомов и материя использует их комбинации. Именно от них пошла идея о земле, воздухе, огне и воде, что было блестяще, но не соответствует истине. Грекам удалось скорее выявить наиболее распространенные состояния материи, а не химических элементов. Понадобилось более 2000 лет, чтобы создать необходимое оборудование для определения настоящей атомной природы.

Веками ученые совершали открытия по отношению к свойствам веществ и химических реакций. К примеру, сходство между определенными редкими элементами привело к интересным трансформациям (золото). Конечно, подобные манипуляции приобретали финансовую выгоду, поэтому не освещались для широкого круга.

Алхимикам удалось открыть много интересных научных загадок, но они держали все под строжайшим секретом. После средневековья алхимики исчезли и появилась химия. Тайны стали лишними и на смену пришло коллективное изучение. В начале 19 века мы уже знали, что массы реагентов в финальных химических реакциях всегда обладают определенным соотношением масс. А это говорит о существовании неких главных единиц.

Большая часть исследований в этом периоде принадлежит Джону Дальтону, а также Амедео Авогадро. Последнему принадлежит заслуга создания фиксированного числа атомов и молекул (6.022 ⋅ 10²³).

Дальтон считал, что материя наполнена дискретными единицами, именуемыми атомами. Он также думал, что их нельзя разделить, а значит, перед нами финальная частичка. В конце 19-го века эту идею опроверг Томпсон после обнаружения электронов.

---

Подскажите пожалуйста какова современная модель строения атома? И какие вообще бывают модели строения атома?

Вот атом, который построил Бор.

Это — протон,
Который в центр помещен
Атома,
который построил Бор.

А вот электрон,
Который стремглав облетает протон,
Который в центр помещен
Атома,
который построил Бор.

Вот мю-мезон,
Который распался на электрон,
Который стремглав облетает протон,
Который в центр помещен
Атома,
который построил Бор.

А вот пи-мезон,
Который, распавшись, дал мю-мезон,
Который распался на электрон,
Который стремглав облетает протон,
Который в центр помещен
Атома,
который построил Бор.

Вот быстрый протон,
Который в ударе родил пи-мезон,
Который, распавшись, дал мю-мезон,
Который распался на электрон,
Который стремглав облетает протон,
Который в центр помещен
Атома,
который построил Бор.

А вот беватрон,
В котором ускорился тот протон,
Который в ударе родил пи-мезон,
Который, распавшись, дал мю-мезон,
Который распался на электрон,
Который стремглав облетает протон,
Который в центр помещен
Атома,
который построил Бор.

А вот дополнительность.
Это закон,
Который Бором провозглашен.
Закон всех народов,
Закон всех времен,
Успешно описывающий с двух сторон
Не только протон
И электрон,
Но также нейтрон,
Фотон,
Позитрон,
Фонон,
Магнон,
Экситон,
Полярон,
Бетатрон,
Синхротрон,
Фазотрон,
Циклотрон,
Циклон,
Цейлон,
Нейлон,
Перлон,
Одеколон,
Декамерон
И, несомненно, каждый нейрон
Мозга, которым изобретен
Тот замечательный беватрон,
В котором ускорился тот протон,
Который в ударе родил пи-мезон,
Который, распавшись, дал мю-мезон,
Который распался на электрон,
Который стремглав облетает протон,
Который в центр помещен
Атома,
который также построил
Нильс Бор!

Модель соединения атомов в молекулы / Habr

Предыдущая публикация получила отрицательную оценку с формулировкой «зачем здесь размещать столь элементарные вещи». Поэтому я сразу предупреждаю, что данный материал предназначен, в первую очередь, для школьников, начинающих изучать химию. А также для тех, кому этот предмет был непонятен в школьные годы. Я бы поместил статью на популярном специализированном ресурсе для школьников, если бы он существовал.

И да, я в курсе существования модели атома, в которой электрон представляет собой волну вероятности, расположенную вблизи ядра. Но школьнику, как правило, трудно представить себе то, как вероятность может соединять атомы в молекулы. Поэтому излагаю «на пальцах».

Соединение атомов в молекулы

Наш мир не существует в виде отдельных атомов, они каким-то образом соединяются друг с другом. Каким именно?

Возьмем два атома водорода. Каждый из них содержит по одному протону и по одному электрону, поэтому суммарный заряд каждого из этих атомов равен нулю.

Закон Кулона

F = k*q1*q2/r^2

говорит нам, что нейтральные тела не должны притягиваться друг к другу

(q1 = 0, q2 = 0).

А значит, водород (и любой другой химический элемент) должен существовать только в виде атомов, и никогда не соединяться в молекулы. На самом же деле атомы водорода всегда соединяются попарно. Почему?

Давайте возьмем два отрезка металла, и расположим их параллельно на небольшом расстоянии друг от друга.

Оба отрезка содержат одинаковое количество протонов и электронов, следовательно, суммарный заряд каждого из них равен нулю. А значит, они не имеют причин для взаимного притяжения.

Мы знаем, что в металлах часть внешних электронов покидает свои атомы и свободно гуляет между ионами (покинутыми атомами) кристаллической решетки металла. И распределены эти электроны, в среднем, равномерно.

Представьте себе, что нам удалось каким-то образом переместить часть этих свободных электронов в левую часть нижнего отрезка металла. При этом в его правой части окажется дефицит электронов.

Мы получили так называемый диполь: левая часть отрезка заряжена отрицательно, правая – положительно. Отлично. А что будет происходить в верхнем отрезке? Мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные — притягиваются. Следовательно, электроны верхнего отрезка, отталкиваясь от электрических полей электронов нижнего отрезка, уйдут в правую часть. То есть, картина распределения электронов в этих двух отрезках металлов станет зеркальной:

Такое влияние заряженных предметов на соседние предметы, приводящее к перераспределению зарядов в них, называется электростатической индукцией.

Теперь самое интересное: положительно заряженные ядра атомов в левой части верхнего отрезка оказались напротив электронов, собранных в левой части нижнего отрезка. А противоположные заряды притягиваются. Значит, левые части отрезков начнут притягиваться друг к другу!

То же самое будет происходить в правой части отрезков – только зеркально. И правые концы отрезков также будут притягиваться друг к другу. Чудесно, не так ли? Перераспределение зарядов внутри одного из отрезков проводников, привело к взаимному притяжению этих двух отрезков!

А что произойдет, если теперь переместить свободные электроны нижнего отрезка в его правый конец? Тогда свободные электроны верхнего отрезка переместятся в левый конец. То есть, перемещая электроны туда – сюда в одном из отрезков, мы заставляем перемещаться электроны соседнего отрезка, никак не связанного с первым! Такое влияние перемещения электронов в одном проводнике на перемещение электронов в соседнем проводнике называется электродинамической индукцией.

Хотя это и не относится к нашей теме, отметим, что мы с вами в несколько упрощенном виде изучили, как работает антенна и приемник при радиопередаче.
Мы можем расположить эти два отрезка металла иначе – торцами друг к другу:

Если мы сумеем переместить электроны, допустим, в правую часть левого отрезка, электроны правого отрезка, отталкиваясь от них, также переместятся в правую часть правого отрезка:

И в этом случае эти два отрезка металла начнут притягиваться друг к другу, так как их ближние концы имеют противоположный заряд. Следует особо обратить внимание на то, что во втором варианте расположения отрезков, сила их взаимного притяжения будет слабее, так как притягиваются только их встречные торцы, в то время, как при первом варианте расположения отрезков, притягивались друг к другу как левые, так и правые концы.

Но как это относится к соединению атомов? Давайте посмотрим на атом водорода. В нем имеется электрон, перемещающийся вокруг ядра. И если рядом окажется второй атом водорода, этот электрон заставит электрон соседа перемещаться примерно так же, как они перемещались в наших отрезках металла – пока электрон одного из атомов находится с одной стороны ядра своего атома, соседний будет вынужден находиться с противоположной стороны своего атома.

Здесь, разумеется, влияние не одностороннее, а взаимное – как первый электрон влияет на второй, так и второй влияет на первый. Но самое главное в том, что эти два атома будут притягиваться точно так же, как притягивались два куска металла во втором варианте их взаимного размещения (торцами друг к другу).

Суть такая же: электроны держатся подальше друг от друга, позволяя разноименным зарядам притягиваться друг к другу. Представьте себе, что электрон одного из атомов оказался между ядрами двух соседних атомов, в то время, когда электрон соседнего атома находился в противоположной, удаленной точке орбиты:

Теперь у нас есть отрицательно заряженный электрон, находящийся между двумя положительно заряженными ядрами атомов. Ядра обоих атомов притягиваются к этому электрону. Таким образом, электрон в данный момент связывает два атома.

Расстояние между ядрами атомов больше, чем расстояние от каждого из ядер до электрона, находящегося между ними. А мы помним, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, в данный момент, сила притяжения ядер к электрону больше, чем взаимное отталкивание ядер.

Но электроны постоянно перемещаются, и поэтому через некоторое время первый электрон покидает место между ядрами, зато туда перемещается второй электрон. В этот момент роль связующего переходит электрону второго атома (момент 3 на рисунке ниже).

Заметим, что в моменты времени, показанные на рисунках 2 и 4, между ядрами атомов нет электронов. В эти моменты ядра отталкиваются друг от друга. По этой причине расстояние между атомами колеблется — постоянно меняется в процессе вращения электронов вокруг ядер, но сохраняется ее средняя длина, называемая длиной связи. Длина связи – расстояние между ядрами атомов — индивидуальна для каждой пары видов атомов, объединенных в молекулу.

Электроны этих двух атомов в образовавшейся молекуле водорода стараются находиться как можно дальше друг от друга так же, как они делали это в отрезках металлов. За счет этого происходит их синхронизация – их расположение относительно друг друга на каждом обороте вокруг ядер примерно одинаково.

Это несколько напоминает коллективное исполнение вальса, когда пары вращаются с одинаковой скоростью таким образом, чтобы ни дамы, ни кавалеры никогда не оказывались рядом друг с другом, а всегда чередовались:

Данная статья — выдержка из книги «Понятная химия».

Святая Неопределенность и Святая Вероятность

Квантовая теория утверждает, что невозможно одновременно определить точное место электрона в пространстве и его импульс (направление и скорость его движения). Поэтому считается, что вокруг ядра атома существуют некие места (области), в которых вероятность обнаружить электрон высока. Эти области и называют орбиталями электронов.

Эту теорию нетрудно объяснить на бытовом примере. Допустим, вы живете в квартире, в которой есть спальня кухня и санузел. Если вы 90% времени проводите в спальне, 8% времени – на кухне, и 2% времени в санузле, то вашей орбиталью можно считать спальню и кухню, так как вероятность обнаружить вас в санузле очень низкая. Проведя 100 наблюдений за вами в разные моменты времени, наблюдатель, скорее всего, обнаружит вас в 90 случаях в спальне, и в 8 случаях – на кухне. И по этим цифрам придет к выводу об ареале вашего обитания.

Теперь о том, почему невозможно одновременно определить место электрона в пространстве и его скорость, и направление движения. Тут еще проще. Дело в том, что скорость можно измерить только на некотором отрезке пройденного пути. Разделив длину этого отрезка на время, за которое он пройден, мы можем узнать скорость движения. Но ведь мы не можем считать местом расположения тела отрезок пространства. Место – это точная координата тела.

Представьте себе, что в темной комнате летает муха. Осветив комнату очень короткой вспышкой света, мы можем увидеть место, в котором муха находится в данный момент. Но чтобы понять то, куда и с какой скоростью она летит, нам придется включить свет на более длительное время. Тогда мы увидим изменение положения мухи с течением времени и сможем оценить скорость этого изменения. Но в этом случае мы уже не можем указать точное место, в котором муха находилась во время измерения ее скорости, так как за это время она переместилась на некоторое расстояние. Вот и весь смысл принципа неопределенности.

Электроны, перемещающиеся вокруг ядер атомов, очень быстро меняют скорость и направление движения, поэтому невозможно сказать точно, где они находятся в данный момент времени и куда движутся.

А в модели, рассмотренной выше, электроны движутся, как стрелки в часах. И это не может не вызвать праведного гнева адептов Святой Неопределенности и Святой Вероятности.

Однако то, что мы не можем точно сказать, где именно находится тот или иной электрон, и какому из атомов он «принадлежит» нисколько не меняет электростатического механизма связывания атомов. Невозможно связать два протона иначе, как разместив между ними электрон. Никакая вероятность или неопределенность не может соединить атомы в молекулу. И это отлично демонстрирует молекулярный ион водорода h3+. В этом ионе нет ни дублета электронов, ни компенсации спинов спаренных электронов, ни перекрытия электронных облаков, тем не менее, данный ион существует и он устойчив.

К тому же, не стоит забывать то, что это всего лишь модель, и ее «объяснительные» возможности ограничены, как и возможности любых других моделей. Например, она (вроде бы) не объясняет, почему атомы водорода не могут соединяться в длинные цепи типа h4, h5 и т.д.

Впрочем, можно предположить, что из-за того, что электронные орбитали в молекулах водорода смещены к центру молекулы, они не «высовываются» из ее концов, и поэтому соседние молекулы водорода не имеют возможности прицепиться друг к другу, используя механизм синхронизации электронов.