Современные представления о строении атома

Введение.

Само понятие «атом», означающее в переводе с древнегреческого «неделимый», возникло очень давно. В европейской культуре возникновение и широкое распространение понятие «атом» получило благодаря усилиям древнегреческой философской школе атомистов (V – IV вв. до н.э). У истоков атомизма стоят древнегреческие философы Левкипп и Демокрит. Они предполагали, что материя состоит из атомов – мельчайших неделимых частиц – и пустоты. Несмотря на то, что мы, благодаря работам ученых-физиков, знаем, что атом состоит из еще более мелких частиц, и, следовательно, делим, Левкипп и Демокрит внесли огромный вклад в формирование научного мировоззрения.

Учение атомистов получило новый толчок в эпоху Возрождения. Его сторонником был, например, Галилео Галилей. В XVII в. французский ученый Пьер Гассенди предположил, что из атомов состоят химические элементы.

Однако несмотря на то, что понятие «атом» было известно давно, в химии господствовала теория другого древнегреческого философа – Аристотеля, согласно учению которого основными началами природы являются четыре абстрактных принципа – холод, тепло, сухость и влажность, при комбинации которых формируется четыре основных «элемента-стихии»: земля, воздух, огонь и вода. Именно на такие представления опиралась средневековая алхимия. И только в начале XIX в., во многом благодаря работам английского ученого Дж. Дальтона, опиравшегося, в свою очередь, на работы Р. Бойля, М.В. Ломоносова и др., в химии окончательно воцарилось атомно-молекулярное учение.

Современные представления о строении атома.

В конце XIX - начале XX века был открыт ряд явлений, указывающих на то, что «неделимый» атом имеет сложное строение. До того времени развитие представлений о строении вещества шло в двух плоскостях. Материальный мир представлен объектами, имеющими массу покоя, конечные размеры и положение в пространстве которых в любой момент может быть точно указано. Это, говоря языком М.В, Ломоносова, «корпускулярный» мир. Но есть ещё и волновые объекты материального мира, и в первую очередь, излучение видимого света. К концу XIX - началу XX века выяснилось, что видов излучения много: радио-, инфракрасное (тепловое), микроволновое, видимое, рентгеновское, -излучение. Все они представляют собой варианты электромагнитного излучения. Основными характеристиками волнового процесса являются: амплитуда (А), скорость (с), длина волны () и частота ()

Эти величины связаны между собой соотношением:

 = с/λ

Любое электромагнитное излучение распространяется со скоростью света (с = 299793 км/сек). Виды электромагнитного излучения отличаются лишь длиной волны (частотой): самое длинноволновое это радиоизлучение, самое коротковолновое - -излучение.

Экспериментально было установлено, что энергия излучения обратно пропорциональна длине его волны (прямо пропорциональна частоте ).

Для волновых объектов характерны два явления, отличающие их от материальных (корпускулярных) объектов. Это интерференция и дифракция.

Погожим летним днём вы сидите на берегу пруда и бросаете камешки в него. Бросили один – пошла концентрическая волна, в стороне бросили второй – пошла ещё одна волна. Там, где они сойдутся, возникает картина наложения волн. Это и есть интерференция.

Возможна и такая ситуация. Со дна пруда выступает на поверхность камень, или стоит затопленное дерево. Вы бросили камень да так удачно, что длина пошедшей после броска волны примерно равна размеру выступающего камня или диаметру дерева. В таком случае можно наблюдать любопытное явление. Волна, дойдя до препятствия, разделяется на две, которые затем огибают препятствие и дают своеобразную картину наложения волн – чередование зон усиления и погашения. Это и есть дифракция, а соответствующая картинка – дифракционная картина. Именно это явление используется в практике для доказательства волновых свойств материальных объектов. Ещё раз обратим внимание, что условием дифракции является примерное равенство размера препятствия (говорят размера параметра дифракционной решётки) и длины волны.

Среди явлений, свидетельствующих о сложности строения атома, открытых в конце XIX - начале XX века, отметим в первую очередь:

1) исследование и объяснение электролиза;

2) открытие катодных лучей и установление факта, что они состоят из потока мельчайших отрицательно заряженных частиц – электронов (заряд электрона с = 1,6·10 –19Кл);

3) исследование явления радиоактивности;

4) открытие и исследование фотоэффекта – явления испускания электронов металлами под воздействием электромагнитного излучения.

Результаты изучения этих явлений стали предпосылкой и основой для разработки различных моделей строения атома. Наиболее обоснованной и плодотворной (мы к ней прибегаем до сих пор!) явилась предложенная в 1911 году Эрнестом Резерфордом так называемая планетарная модель строения атома. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, предполагавшую, что электроны вращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца. Эта модель уже гораздо лучше описывала атом, но она страдала недостатками. Так, поскольку электрон в этой модели двигается с ускорением, он должен, в соответствии с законами классической электродинамики излучать энергию; потери энергии в виде электромагнитного излучения должны были бы в конце концов привести тому, что электроны упали бы на ядро и атом прекратил бы свое существование. Так, время жизни атома, в соответствии с моделью Резерфорда, должно было бы составлять величину порядка 10 нс, в то время как было известно, что атомы могут быть стабильны втечение гораздо более длительного времени. Кроме того, в модели Резерфорда траектория электрона изменяется непрерывно, что должно было бы соответствовать непрерывному спектру излечения, в то время как экспериментально было установлено, что спектр излучения водорода и других атомов, находящихся в газообразном состоянии, состоит из отдельных полос, т.е. дискретен.

В последствии было установлено, что ядро атома содержит протоны – положительно заряженные частицы (заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона) и нейтроны – электронейтральные частицы. Сумма протонов и нейтронов получила название массовое число.  И протон, и нейтрон имеют относительную массу, практически не отличающуюся от атомной единицы массы. Ядра атомов, имеющие одинаковый заряд, но отличающиеся числом нейтронов, называются изотопами. Например, изотоп хлора с массовым числом 35 содержит в своём ядре 17 протонов и 18 нейтронов, а изотоп хлора с массовым числом 37 содержит в ядре 17 протонов и 20 нейтронов. Зная атомную массу того или иного элемента, и какими изотопами он представлен в природе, можно определять изотопный состав элемента. Например, природный бор представлен изотопами с массовыми числами 10 и 11 и имеет атомную массу 10,81. Определим мольную (атомную) массовую доли изотопа бора-10 в природном боре. Пусть мы располагаем 1 моль природного бора,

содержание бора–10 в нём составляет х моль,

содержание бора–11 соответственно – (1 – х) моль.

Согласно условию:

10 х + 11(1 – х) = 10,81;

х = 0,19.

Таким образом, в природном боре 19 мольных (атомных) % бора-10 и 81 мольный % бора-11. Массовая доля бора-10 составляет:

10В = 0,1910/ 10,81 = 0,176.

Ядра различных атомов, имеющих одинаковые массовые числа, называются изобарами, например, 4018Ar и 4019K; 23992U и 23994Pu.

В таблице 1 приведен изотопный состав некоторых элементов.

Таблица 1.

Изотопный состав некоторых элементов.

Модель Эрнеста Резерфорда была крупным революционным шагом в познании строения вещества и в частности атома. Но она противоречила классическим представлениям электродинамики, утверждавшим, что электрон, вращающийся вокруг ядра, неизбежно на него упадёт (аналогично тому, как искусственный спутник Земли рано или поздно падает на неё). Эта модель также не могла объяснить спектры испускания атомов и молекул. Для дальнейшего развития представлений о строении атома нужны были новые идеи. Их дал датский физик Нильс Хенрик Давид Бор. Он воспользовался революционной идеей квантовой теории излучения.

В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил свою теорию строения атома (рис. 1.). Он предположил, что электрон в атоме может двигаться только по стационарным, строго определенным орбитам, не поглощая и не излучая при этом энергию; поглощение или излучение энергии в виде отдельных квантов, энергия которых определяется из уравнения Планка (1) происходит только при переходе электрона с орбиты на орбиту (рис. 1).

     (1)

              В уравнении (1) E – энергия, h – постоянная Планка,  - частота электромагнитного излучения. Бор предположил, что момент количества движения электрона mvr на стационарной орбите может принимать только дискретные значения, кратные кванту действия (2).

     (2)

              В уравнении (2) m –масса электрона, v – его скорость, r – радиус орбиты, n – гавное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3, …

              В соответствии с моделью Бора энергия электрона на стационарной орбите описывается уравнением (3):

     (3)

              Пользуясь уравнением (3), Бор рассчитал спектр атома водорода, и его расчеты прекрасно совпали с экспериментальными данными. Однако и модель Бора не смогла объяснить все разнообразие экспериментальных данных. Так, она не может объяснить поведение атома в магнитном поле, кроме того, она не способна объяснить того, что больше всего интересует химиков: (как же образуются молекулы из атомов?)  Современная теория строения атома базируется на квантовой механике. Без преувеличения можно сказать, что квантовая механика является базисом, основой современной химии. Из-за особой роли квантовой механики для химии, сформировался даже отдельный раздел химии – квантовая химия.  Благодаря усилиям ученых – химиков, физиков, математиков – квантовая химия является мощнейшим инструментом исследования. Без применения методов квантовой химии в настоящее время немыслимо ни одно фундаментальное исследование в химии.

Пытаясь описать спектры испускания веществ, немецкий исследователь Макс Планк пришёл к неожиданному выводу. Электромагнитное излучение, испускаемое телами, более правильно представлять не волнами, а пулями, дробинками или снарядами. Эти отдельные порции излучения были названы квантами. Поскольку было известно, что энергия излучения прямо пропорциональна частоте, то Макс Планк вполне естественно предположил для энергии кванта (Е) соотношение:

E = h·ν

где h – постоянная, названная впоследствии постоянной Планка. Эта совершенно мизерная величина (h=6,63·10-34Дж·сек) является одной из фундаментальных постоянных нашего мира. Идея квантования (дискретность значений физических величин) оказалась чрезвычайно плодотворной. Более того, можно уверенно говорить о том, что именно квантование является одной из основных отличительных  особенностей мира электронов, атомов, молекул (микромира). Если в мире, где мы живём (макромире), физические величины могут принимать любые значения, то есть меняться непрерывно, то в микромире эти же величины могут принимать только определённые, дискретные значения. Так устроен микромир.

Заключение.

Современная теория строения атома базируется на квантовой механике. Без преувеличения можно сказать, что квантовая механика является базисом, основой современной химии. Из-за особой роли квантовой механики для химии, сформировался даже отдельный раздел химии – квантовая химия.  Благодаря усилиям ученых – химиков, физиков, математиков – квантовая химия является мощнейшим инструментом исследования. Без применения методов квантовой химии в настоящее время немыслимо ни одно фундаментальное исследование в химии.

Итак, Макс Планк высказал мысль о том, что излучение испускается квантами. Альберт Эйнштейн при объяснении результатов исследования явления фотоэффекта пришёл к выводу, что излучение и распространяется квантами. Именно эту идею квантования подхватил Нильс Бор.

Список литературы

1.      Бочкарев А.И, Бочкарева Т.С, Саксонов С.В. Концепции современного естествознания, учебник М.: 2008г. 386стр.

2.      Горбачев В.В. Концепции современного естествознания, М.:2003г.359стр.

3.      Коренев Ю.М. Общая и неорганическая химия, в 3-х частях. М.:, «Издательство Московского университета», 2002 г. 320 стр.