Строение атома

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Открытие сложного строения атома - важнейший этап становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой.

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). 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 А. Лавуазье (1743-1794), М.В. Ломоносова и Д. Дальтона (1766-1844) была доказана реальность существования атомов.

Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал.

До конца XIX в., господствовало метафизическое убеждение, что атом - наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи.

Различные предположения о строении атома долгое время не подтверждались какими-либо экспериментальными данными.

Лишь в конце XIX в., были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие.

Цель работы заключается в том, чтобы проследить, как менялось представление о строении атома с течением времени, с появлением новых открытий в этой области.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- изучить первые представления об атоме;

- рассмотреть открытия ученых, которые показали сложность строения атома.

1. Строение атома

1.1 Первые представления об атоме, как о неделимой частице

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах:

- русского учёного М.В. Ломоносова;

- французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста;

- английского химика Д. Дальтона;

- итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Понятие атом (греч. «atomos» - неделимый) ввел Демокрит. У Демокрита атомы выступают в роли первоначала.

Они неделимы, различаются по величине, весу, форме и находятся в вечном движении.

После Демокрита учение об атомах было на много веков забыто. Возродил атомистическую теорию английский физик и химик Джон Дальтон. Он основывался на открытых в то время законах химии и экспериментальных данных о строении вещества.

Таким образом, установил, что атомы одного элемента имеют одинаковые свойства, а разных элементов - различаются по свойствам.

Дальтон ввел важную характеристику атома - атомную массу и для очень многих элементов были установлены ее относительные значения.

В своем атомно-молекулярном учении Дальтон дает характеристику атому: «Атом неделим, вечен и неразрушим».

Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами.

Это говорит о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее. В конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие. Это послужило толчком к образованию и развитию нового раздела химии “Строение атома”.

1.2 Выделение электронов в составе атома

Первым указанием на сложную структуру атома были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины).

Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта.

Эти частицы получили название электронов. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов, следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких “составных частей”.

2. Модели строения атома, как сложноустроенной системы

2.1 Первая модель строения атома Томсона

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. До 1897 года атомы считались неделимыми. В 1897 году Джозеф Джон Томсон провёл опыт с трубкой, в котором впервые наблюдался электрон. На катод подавалось некое напряжение и, как впоследствии оказалось, в таких условиях катод излучает пучки электронов.

Томсон выяснил, что эти пучки отклоняются при воздействии на них электромагнитным полем. Сам Томсон называл эти частицы корпускулами, но позднее им дали отдельное имя - электроны.

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. 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.

2.2 Планетарная теория строения атома Э. Резерфорда. Постулаты Н. Бора

Модель атома Томсона была опровергнута в 1909 году учеником Томсона - Эрнестом Резерфордом. Последний обнаружил, что атом не однороден по своей структуре. Для проверки этой модели в 1899-1911 гг., английский физик Эрнест Резерфорд провел опытные исследования и сформулировал планетарную (ядерную) теорию строения атома. Согласно этой модели, в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100000 раз меньше размеров самого атома. В ядре сосредоточена практически вся масса атома.

Оно имеет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, заряженные отрицательно. Их число определяется зарядом ядра. Однако такая модель имела свои недостатки:

1) Резерфорд не смог объяснить устойчивости атома. Двигаясь вокруг ядра, электрон расходует энергию и в какой-то момент, израсходовав ее всю, он должен остановиться - упасть на ядро, что равносильно гибели атома. Но на самом деле атомы - структуры довольно стабильные;

2) Резерфорд не смог объяснить линейный характер атомных спектров. Согласно его модели, электрон должен излучать энергию постоянно и поэтому атомный спектр должен быть сплошным, но экспериментальные данные доказывали обратное: спектр не сплошной.

Свою теорию строения атома, основанную на планетарной модели и квантовой теории, в 1913 году предложил датский физик Нильс Бор. Основные положения он сформулировал в виде постулатов:

1. Электрон может вращаться вокруг ядра по определенным, стационарным круговым орбиталям;

2. Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает энергию;

3. Излучение электромагнитной энергии (либо ее поглощение) происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

Но и эта модель не явилась совершенством, в ней также присутствовали противоречия. «Спасти» теорию Бора пытались многие ученые.

2.3 Протонно-нейтронная модель атома Иваненко и Гейзенберга

В 1932 году Иваненко предложил протонно-нейтронную модель ядра. Эту теорию развил Гейзенберг. Эта модель строения атома существует до сих пор, сочетает в себе все предыдущие модели и «исправляет» их недостатки. Суть теории в том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. В совокупности они называются нуклоны. Протоны - это элементарные частицы, которые являются ядрами атомов легчайшего химического элемента - водорода.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон имеет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Он примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Число протонов в ядре («+» заряд) характеризует его заряд. Количество электронов («-» заряд), движущихся вокруг ядра, соответствует количеству протонов в нем.

Электроны движутся по определенным атомным орбиталям, которые могут существовать в различных формах. При переходе с орбитали на орбиталь испускается или поглощается электромагнитная энергия. Электрический заряд нейтрона равен 0.

Эта частица устойчива только в составе стабильных атомных ядер, свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино.

2.4 Открытие атомного ядра и атомной орбитали

В 1930 году было обнаружено, что если высоко энергетические альфа-частицы попадают на некоторые лёгкие элементы, то последние излучают лучи с необычно большой проникающей способностью. Это излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные остальные лучи. В 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин, то образуются протоны высоких энергий, не сходящиеся с теоретическими расчётами.

Физик Джеймс Чедвик предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами. атом протонный нейтронный

Макс Борн предположил, что корпускулярно-волновой дуализм верен не только для фотонов, но и в принципе для всех частиц. Было введено понятие орбитали - место наиболее вероятного нахождения электрона данного атома. Ведь теоретически электрон может быть очень редко обнаружен на любом расстоянии от атома, но чаще всего он находится где-то рядом с оным, как раз «на орбитали».

Заключение

В настоящее время электронная структура атомов в принципе получила свое объяснение, хотя свойства многоэлектронных атомов удается рассчитать лишь приближенно. Активно изучается взаимодействие атомов, особенно в твердых телах.

Изучение атомного ядра вынуждает заниматься элементарными частицами. Причина этого ясна: в ядрах атомов частиц так мало, что свойства каждой из них в отдельности не усредняются, а, напротив, играют определяющую роль. Квантовая механика объясняет все известные свойства отдельных атомов.

Список использованной литературы

1. Вихман Э. Квантовая физика. М., 1977.

2. Ельяшевич М.А. Атом, атомная физика, атомные спектры. Физическая энциклопедия, Т. 1. М., 1988.

Размещено на Allbest.ru