Эволюция представлений о строении атома

Эволюция представлений о строении атома.

«Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в античной философии, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице возникло, как известно, в Древней Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа—Демокрита. Согласно этому учению в мире существуют только атомы и пустота. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Хотя тела могут возникать и исчезать, но атомы, из которых они состоят, остаются неизменными. Они могут лишь по-разному комбинироваться и образовывать различные тела. Античная гипотеза об атомах не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, все же тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции».1

«В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми. Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. Серьезно встал вопросо строении атома. Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе Менделеева, наталкивает на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее свойство: все они находятся в близком родстве друг с другом».2

«В конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие. Первыми указаниями на сложную структуру атома были опыты немецких ученых Кирхгофа и Бунзена по изучению спектров испускания и поглощения различных веществ, опыты по изучению ионизации, открытие и исследование так называемых “катодных лучей” и явления радиоактивности.

Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий лишь этому элементу, набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало, что свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем. Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследованиях электролиза и газового разряда. Это явление можно было объяснить, лишь предположив, что атом в процессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые».3

«Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение свойств этих лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодных частиц и величину их заряда, выяснить, что они не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов и превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет сущность их природы. Эти частицы, получившие название электронов, были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном. Изучение строения атома практически началось в 1897–1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Томсон предложил первую модель атома, представив атом как сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что превращает его в электрически нейтральное образование. В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т. е. двигаться ускоренно. Казалось бы, это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивных веществ. 
Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы».4

В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящего из тяжёлого ядра, вокруг которого двигаются по орбитали электроны, подобно планетам солнечной системы. «Для выявления структуры атома он стал производить его зондирование с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. В опытах Резерфорда пучок α-частиц падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и проч.). После  прохождения фольги α-частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождались сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать. В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных пучком α-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, то вопреки ожиданиям α-частицы испытывали очень малое рассеяние на атомах фольги и распределялись на экране внутри круга чуть большей площади. Совершенно неожиданным также оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно 1 из 20 000) отклонилось на углы больше 90°, т.е. практически возвращались назад. Резерфорд понял, что положительно заряженная α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если в атомах мишени положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на углы больше 90°, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядра имеют диаметр порядка 10-12 – 10-13 см. Размер же самого атома —10-8 см, т. е. в он 10–100 тыс. раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось точно определить и заряд ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра окажется в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И Менделеева. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Учитывая, что в целом атом должен быть электронейтрален, следует заключить, что число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодиче- ской системе. Очевидно также, что находиться в покое электро- ны внутри атома не могут, так как они вследствие притяжения положительным ядром упали бы на него. Следовательно, они должны двигаться вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием электрических кулоновских сил со стороны ядра».5

«Датский учёный Н. Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил первую квантовую модель строения атома водорода. Он поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, планетарную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил два постулата. 

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию mvrm = nћ (n = 1, 2, 3...), где m — масса электрона, υ — скорость по n-й орбите радиуса rn, ћ = h / (2π).

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе  электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) квант излучения с энергией hν = Еn – Em, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (Еn и Еm — соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения). При Еm < Еn происходит излучение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот ν = (Еn – Еm) / h квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома. Квантовая механика позволила объяснить вопрос об излучении спектральных линий атомом, находящимся в возбужденном состоянии, а также процессы поглощения излучения, которое падает на атом в полном согласии с опытом».6стр156-157.

«В 1924г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон, как и другие микрочастицы, характеризуется корпускулярно – волновым дуализмом. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны λ электрона или любой другой частицы с массой m и скоростью v:

λ=h/(mv).

Волны частиц материи де Бройль назвал материальными волнами. Они свойственны всем частицам или телам, но, как следует из уравнения, для макротел длина волны настолько мала, что в настоящее время не может быть обнаружена.

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерференционного эффектов потока электронов. В настоящее время дифракция потоков электронов, нейтронов, протонов широко используется для изучения структуры веществ.

В 1927г. В. Гейзенберг (Германия) постулировал принцип неопределённости, согласно которому положение и импульс движения субатомной частицы (микрочастицы) принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. В каждый момент времени можно определить только лишь одно из этих свойств. Э. Шредингер (Австрия) в 1926г. вывел математическое описание поведения электрона в атоме. Сущность его заключается в том, что движение электронов в атоме описывается волновым уравнением, а определение местоположения электрона производится по вероятностным принципам.

Работы Планка, Эйнштейна, Бора, де Бройля, Гейзенберга, Шредингера заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц. Она основывается на представлении о квантовой энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.стр. 12-13.

Согласно современным представлениям, атом – это наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его  химических свойств. Атом электрически нейтрален и состоит  из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся определённым образом вокруг ядра. Ядро атома, не изменяющееся в ходе химических реакций, составляет его фундаментальную основу  и определяет индивидуальность элемента. Поэтому значение заряда ядра выбрали за основной признак, по которому атомы относят к разным видам – химическим элементам.

Ядра атомов включают два вида элементарных частиц: протоны и нейтроны. Каждый протон несёт положительный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон же не несёт никакого электрического заряда. Отсюда следует вывод: заряд ядра определяется числом протонов. Количество протонов в ядре атома совпадает с порядковым номером элемента (Z) в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Масса электрона почти в 1840 раз меньше массы протона и нейтрона. В ядре сосредоточено 99,9% массы атома, поэтому масса атома практически равна массе ядра – сумме масс протонов и нейтронов.

Поскольку массы протона и нейтрона практически равны 1а.е.м., то масса атома в а.е.м., как и относительная атомная масса, численно совпадает со значением массового числа А.

Силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, называют ядерными. Это чрезвычайно большие силы, действующие на очень коротких расстояниях (порядка 10-13 см) и превосходящие силы отталкивания.

Поскольку атом в целом является электронейтральным, а заряд электрона численно равен заряду протона и противоположен ему по знаку, то общее число электронов в атоме равно числу протонов и, следовательно, равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов».7стр.10

 

 

1 Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010.  Стр.131

2 Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов: http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/karpenk/04.php

3 Концепции современного естествознания: Учебник / В. Ф. Тулинов, К. В. Тулинов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2010. Стр.136-137

4 Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов: http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/karpenk/04.php

 

5 Концепции современного естествознания: Учебник / В. Ф. Тулинов, К. В. Тулинов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательскоторговая корпорация «Даш- ков и К°», 2010. Стр.139-140

6Концепции современного естествознания: Учебник / М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательскоторговая корпорация «Дашков и К°» Стр.156-157

7 Севастьянова Г.К., Карнаухова Т. М. Общая химия: Курс лекций. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. Стр.10-11.