Первые модели строения атомов

Атомы – мельчайшие химические частицы, являющиеся пределом химического разложения любого вещества. Химический элемент представляет собой вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.Другими словами, атом – это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.

Атом – электронейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.Ядра атомов состоят из двух типов частиц (нуклонов) – протонов (р) и нейтронов (n). Заряд протона равен по величине и противоположен по знаку заряду электрона; масса его равна приблизительно одной а.е.м. Нейтрон – незаряженная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Линейные размеры атома ~10^{-8 см}, ядра ~10^-12-10^{-13 см.}

Основная масса атома сосредоточена в ядре и характеризуется массовым числом А, равным сумме чисел протонов (заряда ядра) Z и нейтронов N:

А=Z+N.

Главной характеристикой атома является заряд ядра (Z). Он определяет число электронов, находящихся вокруг ядра, т.е. принадлежность атома к данному виду химических элементов, и соответствует атомному номеру (в периодической системе элементов – порядковому номеру) элемента.

В обозначении атома элемента отражаются массовое число и количество протонов: , например, .

Относительная атомная масса элемента является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом степени их распространения. Например, хлор в природе находится в основном в виде двух изотопов: (75,43%) и (24,57%). Относительная атомная масса хлора составляет:

.

Основой современной теории строения атома являются законы и положения квантовой (волновой) механики – раздела физики, изучающего движение микрообъектов. До формирования современной теории были предложены несколько моделей строения атома.

Еще в 1865 г Николай Николаевич Бекетов предположил, что атомы должны состоять из более мелких частиц, вращающихся относительно друг друга. Такое строение, по его мнению, могло бы объяснить выделение энергии при химических реакциях.

После открытия электрона в 1897 г. Джозефом Джоном Томсоном им же была предложена первая атомная модель "пудинга с изюмом" – в положительную сферу вкраплены электроны (1903 г.).В 1909 г. Р. Малликен определил заряд электрона, который равен 1,6*10^-19 Кл. Масса электрона составляет 9,11*10^-28 г.

В 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока предложил модель «сатурноподобного» атома, в котором электроны вращаются по кольцевой орбите вокруг положительного ядра.

Ученик Томсона Эрнест Резерфорд в результате знаменитых экспериментов по рассеянию золотой фольгой α-частиц «разделил» атом на маленькое положительное ядро и окружающие его электроны. В 1910 г. Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящую из тяжелого ядра, вокруг которого двигаются по орбитам электроны, подобно планетам Солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию и падая на ядро.

Интересный факт. Если предположить, что в начале XX века Э.Резерфорд и его молодые сотрудники Ганс Вильгельм Гейгер и Эрнест Марсден получили для своих экспериментов с рассеянием α-частиц компьтеризированную установку, тоона легко воспроизвела бы основной результат, что наиболее вероятный угол рассеяния α-частиц на золотой фольге толщиной 4*10^–5 см составляет 0,87º. Для тех же чрезвычайно редких (1 из 20000 измерений) случаев рассеяния на угол более 90º согласно центральной предельной теореме теории вероятностей достоверность эксперимента составляет 3*10^–2174 (это не опечатка!); поэтому компьютер со стандартной программой без малейшего сомнения отбросил бы такие «случайные ошибки». И осталась бы наука без планетарной модели атома, по крайней мере, на несколько десятков лет. Только великолепная интуиция Резерфорда позволила ему сделать вывод, что чрезвычайно редкие «случайные» результаты истинны, и на их основе изменить физическую модель атома.

В 1900 г. Макс Планк (Германия) высказал предположение, что вещества поглощают и излучают энергию дискретными порциями, названными им квантами.Спираль обычной электрической лампы накаливания (на 220 В) может светиться разным цветом в зависимости от напряжения (В) – от красноватого при 700 ºС до белого при 2500 ºС.Солнечный свет превращается после пропускания через призму в радугу – набор плавно переходящих друг в друга цветов.Похожую радугу можно получить с помощью призмы и от лампы накаливания.Цвета в радуге соответствуют определенным длинам световых волн. Человеческий глаз видит в диапазоне волн примерно от 400 нм до 800 нм. Коротковолновый предел соответствует фиолетовому цвету, длинноволновый – красному. Точные измерения показали, что и солнце, и спираль лампы накаливания излучают невидимый глазом свет – с длинами волн меньше 400 нм (ультрафиолетовый) и больше 800 нм (инфракрасный). Лампа накаливания излучает энергию в широком диапазоне длин волн, причем большая часть излучения приходится на тепловые (инфракрасные) волны. Доля видимого света в общем потоке излучения такой лампы составляет не более 3%. Согласно теории классической физики, если энергия излучения непрерывна, то любое тело с температурой выше абсолютного нуля должно излучать энергию и охлаждаться. Согласно той же классической физике, нагретая до 2500ºС спираль должна в основном излучать видимый и ультрафиолетовый свет. Это противоречие теории и эксперимента было устранено, когда М.Планк предположил, что свет может излучаться не непрерывно, а только порциями – квантами. Энергия каждой порции связана с длиной волны:

где h – постоянная Планка,

с – скорость света,

λ – длина волны излучения.

В результате для нагретых тел были получены теоретические графики зависимости энергии от длины волны при разных температурах, совпадающие с экспериментальными.

Согласно теории М.Планка, спектр излучения твердого тела будет казаться нам непрерывным из-за огромного числа близких по энергии квантов, в том числе и очень «слабых», возникающих при взаимодействии атомов и молекул. Спектр излучения возбужденного электричеством газа при небольшом давлении будет, наоборот, линейчатым, т.е. содержать не очень много различных по энергии квантов.

Теория Планка не могла объяснить спектры излучения газов и паров, которые, в отличие от спектров твердого тела, представляют собой не радугу, а набор отдельных узких ярких полос. Очевидно, что необходимо было найти законы, по которым формируются кванты излучения в веществе. Когда система этих законов была создана в первой четверти XX века, оказалось, что она позволяет объяснить и предсказать не только происхождение квантов, но и химические свойства элементов.

В 1910 г. датский ученый Нильс Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложилквантовую модель строения атома водорода. Основные положения своей теории Бор сформулировал в виде постулатов:

* Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а по некоторым определенным круговым орбитам. Эти орбиты получили название стационарных.

* Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии.

* Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и исходном состояниях.

При этом удалось объяснить и рассчитать теоретически линейчатые спектры испускания атомов водорода, а также серии линий в рентгеновских спектрах элементов.

Еще в 1885 г. швейцарский школьный учитель и одновременно доктор Базельского университета Иоган Бальмер предложил простую формулу для расчета частот линий испускания водорода в видимой области:

n = R(1/k² – 1/n²),

где n – частота, R – постоянная [3,29*10 15 Гц ],

k = 2; n = 1,2,3,...

Позже в инфракрасной области были обнаружены другие серии спектральных линий с k = 3,4,5.

Для R в формуле Бальмера Бор нашел следующее выражение:

R = [(2π² me⁴)/(ch³)],

где m и e – масса и заряд электрона, c – скорость света в вакууме, h – постоянная Планка.

При этом Бор предсказал существование серии линий испускания в ультрафиолетовой области (k = 1), которые затем были обнаружены в 1915 г. Теодором Лайманом.

В терминах «стационарных электронных оболочек (орбит)» удалось наглядно объяснить существование характеристического рентгеновского излучения для разных элементов, использованных в качестве анода в рентгеновской трубке.

Теория Бора позволяла очень точно вычислить положение линий в спектре испускания атомарного водорода. Однако она не могла предсказать соотношение интенсивностей линий даже в этой простейшей системе. Для систем, содержащих более одного электрона, например атома гелия, теория Бора уже не давала точных значений спектральных линий.Теория Бора страдала внутренней противоречивостью, однако она была важным этапом в развитии представлений о строении атома. Она показала, что нельзя автоматически распространять законы природы, справедливые для больших тел – объектов макромира, на ничтожно малые объекты микромира – атомы, электроны, фотоны.