Модели строения атомов химия: Модели атома.

Содержание

Модели атома.


 

Модели атома

Рис. 1.4. Первые модели строения атома, а-модель «сливового пудинга» (Томсон, 1904 г.), согласно которой атом представляет собой положительно заряженную сферу с внедренными в нее электронами; б-ядерная модель атома (Резерфорд, 1911 г.), согласно которой положительно заряженное ядро окружено облаком электронов; в планетарная модель атома (Бор, 1913 г.), согласно которой электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам.


Следовательно, чем больше энергия кванта, тем выше частота излучения.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн постулировал, что любое излучение состоит из дискретных частиц-квантов излучения, называемых фотонами. Он использовал это представление, чтобы объяснить, почему поверхность металлов, облучаемая светом, при определенных условиях испускает электроны (явление получило название фотоэлектрический эффект).

В результате возникло представление о двойственной природе (корпускулярно-вол-новом дуализме) света. Свет может проявлять свои волновые свойства, о чем свидетельствуют, например, его интерференция и дифракция, но может обладать и свойствами пучка частиц (корпускул), как это проявляется в фотоэлектрическом эффекте.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил это представление о корпускулярно-волно-вом дуализме на электроны. Впоследствии было экспериментально установлено, что пучок электронов может создавать интерференционную либо дифракционную картину подобно пучку света. Это открытие привело к созданию квантовой механики. Квантовая механика основывалась на атомной модели Бора, а также на принципе запрета Паули (Вольфганг Паули, 1925 г.). Этот принцип точно предопределял расположение электронов на дискретных энергетических уровнях вокруг ядра.

В 1926 г. Эрвин Шредингер предложил для описания движения субатомных частиц свое знаменитое волновое уравнение. Вскоре после этого в 1927 г. был сформулирован принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, положение и скорость субатомной частицы не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью. В каждый момент времени точно можно определить лишь одно из этих двух свойств.

В 1925 г. Вернер Гейзенберг использовал в своей теоретической работе по квантовой механике матричный математический метод. Кульминацией развития квантовой механики явилась работа Поля Дирака. Дирак развил матричную формулировку квантовой механики, и это позволило ему теоретически объяснить корпускулярно-вол-новой дуализм. Он показал, что в некоторых ситуациях интенсивность волны в какой-либо точке пространства эквивалентна плотности частиц в ней. В других ситуациях плотность частиц настолько низка, что можно вообще пренебречь их волновой природой. Такой подход позволил Дираку предсказать существование спина электрона, а также античастиц, таких, как позитрон. Работа Дирака ознаменовала новую эру в теории строения атома.

Оглавление:


Первые модели строения атома – Справочник химика 21

    Атом давно перестал быть неделимым. После открытия естественной радиоактивности, катодных лучей и электронов были предложены первые модели строения атомов. Согласно модели первооткрывателя электрона Томсона (1904) атом представляет собой сферу положительного электричества одинаковой плотности пО всему объему диаметром порядка 0,1 нм. Электроны как бы плавают в этой сфере, нейтрализуя положительный заряд. Колебательное движение электронов возбуждает в пространстве электромагнитные волны. Экспериментальную проверку этих наглядных представлений предпринял английский физик Эрнест Резерфорд в-своих знаменитых опытах по рассеянию а-частиц (ядра атома гелия). Схема установки Резерфорда (1907) приведена на рис. 8. Радиоактивный препарат Р излучает а-частицы ( снаряды ) в виде узкого пучка, на пути движения которого ставится тонкая золотая фольга Ф. Регистрация а-частиц, прошедших через фольгу, производится микроскопом М на люминесцирующем экране Э по вспышке световых точек сцинтилляция).
Если модель атома Томсона верна, а-частицы не могут пройти даже через очень тонкую фоль- 
[c.31]

    В 1910 г. датский ученый Н.Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным орбитам, на которых электрон обладает определенными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Каждая орбита имеет номер и (1, 2, 3, 4,. ..), который назвали главным квантовым числом. Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты был 5,29-10 м, радиус других орбит был равен  [c.19]

    Ядерная модель атома. Одна из первых моделей строения атома была предложена английским физиком Э. Резерфордом. В опытах по рассеянию а-частиц было показано, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме — положительно заряженном ядре.

Согласно модели Резерфорда, вокруг ядра на относительно большом расстоянии непрерывно движутся электроны, причем их количество таково, что в целом атом электрически нейтрален. Позднее наличие в атоме тяжелого ядра, окруженного электронами, было подтверждено другими учеными. [c.10]

    Магнитные свойства ферромагнитных материалов определяются магнитными свойствами многоэлектронного атома. Однако далеко не все материалы с многоэлектронными атомами обладают ферромагнитными свойствами. Строение атомов ферромагнитных материалов имеет ряд особенностей. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны, образующие электронные слои и оболочки. Число электронных слоев определяют главным квантовым числом, которое принимает целые значения 1, 2, 3,. .., п. Число оболочек в слое выражают орбитальным квантовым числом I и обозначают их буквами 8, р, планетарная модель атома железа, из которого видно, что в атоме содержится четыре электронных слоя.

В первом слое находится одна электронная оболочка 18 с двумя электронами во втором слое содержатся оболочки 28 с двумя электронами, 2р с шестью электронами в третьем слое – оболочка Зз с двумя электронами, оболочка Зр с шестью электронами и оболочка 3(1 с шестью 
[c.238]

    Одну из первых моделей строения атома предложил английский-физик Дж. Дж. Томсон (1904 г.). Он предположил, что атом представляет собой положительно заряженную сферическую частицу, внутри которой распределены электроны, компенсирующие положительный заряд этой частицы. Электроны распределены равномерно и колеблются относительно своих равновесных положений, при химических реакциях электроны могут переходить от одних атомов-к другим с образованием заряженных частиц — ионов. Эта первая модель строения атома получила впоследствии название пудинга Томсона (электроны, вставленные в положительно заряженную сферу, выглядели наподобие изюминок в пудинге ). 

[c.32]


    Н. Бор в 1913 г. впервые четко сформулировал вывод, что классическая электродинамика недостаточна для описания систем атомного размера [42]. Этот вывод привел его к разработке квантовой теории строения атома водорода в качестве первого шага и далее — к построению формальных моделей атомов всех элементов периодической системы. Применив к атомной теории постоянную Планка, Бор сформулировал два основных постулата 1) атом может существовать, не излучая, в определенных стационарных состояниях, характеризующихся определенными 
[c.247]

    Первым основополагающим достижением в области изучения внутреннего строения вещества было создание модели атома английским физиком Резерфордом (1911 г.). По Резерфорду атом состоит из ядра, окруженного электронной оболочкой. Выдающийся датский физик теоретик Вор использовал представления Резерфорда и созданную немецким физиком Плаиком (1900 г.) квантовую теорию для разработки в 1913 г. теории водородоподобного атома и первой квантовой модели атома модель атома Бора, см.

4.5). Приняв, что электроны — это частицы, он описал атом как ядро, вокруг которого на разных расстояниях движутся по круговым орбитам электроны. Б 1916 г. модель атома Бора была усовершёиствована немецким физиком Зоммерфель-дом, который объединил квантовую теорию Планка и теорию относительности Эйнштейна (1905 г.), создав квантовую теорию атомных орбит, которые по Зоммерфельду, могут быть не только круговыми, но и эллиптическими. [c.77]

    Атом элемента представляет собой одну из важнейших микрочастиц. Первые исследователи ее строения (Н.Бор, А. Зоммерфельд, 1912, 1913) положили в основу внутриатомной энергетики представления теории квант. Электромагнитное поле атомного ядра квантовано, т. е. имеет дискретное строение в самой природе структуры атома заложены определенные энергетические уровни. В соответствии с ними электрон, рассматриваемый как частица, согласно теории Бора, движется вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам, напоминая движение планет вокруг Солнца.

Так возникла планетарная модель атома. Форма траекторий-орбит и их расстояние от ядра рассматривались как фактор, определяющий энергетическое состояние электрона. Энергетические уровни обозначались как главные кванто- [c.31]

    Преимущество метода МО над методом валентных связей состоит очевидно в том, что в основе первого лежит модель, которая в известной степени правильно передает внутреннее строение химических соединений. Клементи следующим образом характеризует преимущества метода МО он использует расчетную методику, которая может быть апробирована на примерах атомов. Электронная теория молекул принципиально и практически должна быть применима к предельному случаю — атому. Электроны не меняют своей природы при переходе от атомов к молекулам И для описания различных [c.90]

    Открытие субатомных частиц и первые модели атома. В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) открыл электрон, а в 1909 г. Р. Малликен определил его заряд, который равен 1,6-10 Кл. Масса электрона составляет 9,1 М0 г. В 1904 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом можно представить в виде положительно заряженной сферы с вкрапленными электронами. [c.17]

    Говоря о первоначальных атомных моделях, мы должны отметить весьма любопытное обстоятельство, на которое мало обращали внимание историки учения о строении вещества. Именно, еще в 1901 г. Ж. Перреп опубликовал работу Ядерно-планетарная структура атома [20]. Согласно Перрену, атом должен состоять из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательными электронами, которые двигаются по определенным орбитам , со скоростями, соответствующими частотам световых волн . Иными словами, Перрен предвосхитил основные структурные моменты будущей резерфордовской модели атома. Однако идея Перрена оказалась явно не своевременной, она не нашла, да и не могла вызвать никакого резонанса. Во-первых, потому, что был совершенно неясен вопрос о носителе положительного заряда в атоме (никаких прямых или косвенных экспериментальных данных на сей счет не существовало) во-вторых, модель Перрена противоречила представлениям классической электродинамики (это противоречие имело место и в резерфордовской модели, но оно было своевременно преодолено Н. Бором, применившим к строению атомов планковскую гипотезу о квантах). [c.237]

    Для достаточно полного обзора экспериментального материала по конформациям органических молекул, по-видимому, не хватит объема даже большой книги. Поэтому имеет смысл обсудить лишь обш,ие принципы и основные закономерности, характеризующие конформационные особенности молекул различных классов. Рассмотренная в предыдущей главе механическая модель обладает достаточной общностью, чтобы на ее основе можно было бы понять конформации молекул самого разного химического строения. Но как бы ни было построено изложение, пропуск большого числа экспериментальных данных неизбежен. Во-первых, не во всех молекулах геометрия определяется взаимодействиями, описываемыми атом-атом потенциалами в металлоорганических соединениях, например, большую роль играют слабые взаимодействия типа координационных связей. Во-вторых, если включить в рассмотрение все молекулы, к которым приложимы общие принципы конформационного анализа, то изложение могло бы вырасти до непомерных размеров. Поэтому за пределами нашего внимания остаются такие интересные органические системы, как стероиды, биологически активные молекулы типа ацетилхолина, никотина и некоторые другие. [c.146]


    Строение хлорангидридов фосфиновых кислот (ЬХХХУП) доказано химическими и физическими способами [109, 706, 1035]. На основании данных хроматографии и спектров ПМР показано, что реакция этинилвиниловых эфиров, и тиоэфиров с пятихлористым фосфором в описанных условиях протекает стереоспецифично и приводит к образованию аддуктов, у которых атомы водорода при первом и втором атомах углерода находятся в транс-расположении. Ввиду того, что исходные этинилвиниловые эфиры и тиоэфиры имеют г г/с-конфигурацию, допускается, что цис — тракс-изомеризация происходит в ходе реакции присоединения пятихлористого фосфора [109]. Возможно, что реакция осуществляется путем электрофильной атаки РС14 [1037] на тройную связь с последующим переходом аниона хлора к третьему атому углерода внутри образовавшегося катиона. Последний стабилизован показанными на схеме электронными сдвигами и поэтому утратил геометрическую конфигурацию исходного бутенина. Атом хлора вступает в наиболее выгодное стерическое положение, что приводит к т >акс-расположению водородных атомов при 1,2-двойной связи. Высказанные соображения подтверждаются при построении атомной модели Бриглеба — Стюарда исследованных соединений, причем наиболее благоприятным является трйнс-размещение атома хлора и фосфонильной группы [c.308]

    Одна из первых моделей строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1903 г. Атом представлялся как море положительного электричества с колеблющимися в нем электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов электронейтрального атома приравнивался его суммарному положительному за-рядз.  [c.38]

    Томсон в 1904 г. математически разработал аналогичную модель атома. Его статья имеет очень выразительное заглавие О строении атома исследование устойчивости и периодов колебания совокупности корпускул, расположенных с равными интервалами по окружности круга с применением результатов к теории атомного строения [2]. Согласно Томсону, положительный заряд атома распределен равномерно по всему его объему, тогда как корпускулы (так Томсон называет электроны) занимают внутри атома некоторое определенное положение. Томсон показывает расчетом, что такая модель атома может быть устойчива лишь при расположении корпускул либо в серии концентрических колец (если корпускулы вынуждены двигаться в одной плоскости), либо в ряде концентрических сфер (если допустить, что они могут двигаться во всех направлениях). Стабильность кольца (или сферы) достигается только при определенном числе корпускул в них в этом случае атом не способен удерживать дополнительно ни положительный, ни отрицательный заряд. Распределив все атомы в ряд (следуя порядку увеличения числа корпускул), мы получим сначала систему, которая ведет себя подобно атому одновалентного электроположительного элемента следующая система ведет себя подобно атому двухвалентного электроположительного элемента, в то время как на другом конце ряда у нас имеется система, которая ведет себя подобно нульвалентному атому ей непосредственно предшествует система, которая ведет себя подобно атому одновалентного электроотрицательного элемента, тогда как ей в свою очередь предшествует система, ведущая себя подобно атому двухвалентного электроотрицательного элемента [там же, стр. 262]. С глубокой проницательностью Томсон проводит далее аналогию между таким накоплением корпускул и свойствами элементов в двух первых периодах от гелия до неона и от неона до аргона. [c.29]

    До 1912 г. выдвигались модели строения атома, которые были лишь частично удовлетворительными. Томсоновская модель, согласно которой атом должен быть похож на арбуз, представляла собой первую попытку как-то описать положение электронов в атоме, но эта модель не позволяла объяснить многие свойства атомов. Резерфорд выдвинул модель атома, предполагающую вращение электронов вокруг ядра по орбитам (рис. 5.2). Если обозначить заряд электрона q , а заряд протона (ядра атома водорода) массу электрона т и радиус орбиты г, то выполняется условие [c.68]

    Как же расположены все эти частицы внутри атома Представляет ли атом беспорядочную смесь частиц или же строение его строго определенное Первая попытка ответить на этот вопрос была сделана Дж. Томсоном. Он предположил, что атом представляет собой миниатюрный шар, внутри которого равномерно распределено положительное электричество, а также расположены электроны. Эта модель, получившая название пудинга с изюмом , продержалась очень короткое время. [c.226]

    Модель атома водорода, предложенная Н. Бором (1913 г.), является первой попыткой количественного изображения строения и внутреннего механизма атома, поясняющая все экспериментальные данные, главным образом частоты линий испускаемых спектров. Атом водорода изображен в виде солнечной системы в миниатюре, в которой солнде представлено протоном с элементарным зарядом -fe, а планета — электроном с элементарным зарядом —е, вращающимся вокруг протона по круговой орбите радиуса г. Согласно закону Кулона, между этими двумя частицами развивается сила притяжения В своем дви- [c.57]

    В общем, энергия деформации валентного угла столь незначительна, что отклонения порядка 0° могут быть вызваны уже тепловой энергией. Это означает, что даже столь высокосимметричные молекулы, как метан, постоянно обнаруживают относительно большие отклонения от симметричного положения равновесия. Однако это не может служить поводом для отказа от тетраэдрической модели атома углерода . Свойственное атому углерода стремление к регулярно-тетраэдрическому расположению при использовании его четырех связей, 5р -гибридизацию, следует рассматривать как основной принцип пространственного строения всех соединений углерода. Важнейшим и исторически первым доказательством этого служит явление оптической активности, изложению которой посвящен следуюищй раздел. [c.83]

    Модель атома водорода, предложенная Н. Бором (1913 г.), является первой попыткой количественного изображения строения и внутреннего механизма атома, поясняющая все экспериментальные данные, главным образом частоты линий испускаемых спектров. Атом водорода изображен в виде солнечной системы в миниатюре, в которой солнце представлено протоном с элементарным зарядом – -е, а планета — электроном с элементарным зарядом —е, вращающимся вокруг протона по круговой орбите радиуса г. Согласно закону Кулона, между этими двумя частицами развивается сила притяжения е 1г . В своем движении по орбите электрон остается в равновесии благодаря центробежной силе, которая долнша равняться силе притяжения между частицами, следовательно, [c.57]


Какие модели строения атома вы знаете?

Известно множество моделей строения атома. Кратко рассмотрим некоторые (наиболее известные) из них. В 1902 году У. Кельвином была предложена первая модель строения атома. Его рассматривали в форме шара, равномерно заряженного положительным электричеством. Внутри атома, согласно данной модели, неподвижно располагались электроны. В 1902 – 1903 годах Дж. Дж. Томсон усовершенствовал модель У. Кельвина. Он рассчитал, что самое благоприятное расположение электронов в положительно заряженном облаке будет в том случае, если электроны будут претерпевать движение по оболочкам. Данная модель существовала 9 лет в качестве единственно верной. Она позволила дать обоснование таким явлениям как: дисперсия, поляризация атомов, электропроводность металлов, но модель Кельвина-Томсона не могла ответить на вопрос: почему же атомы имеют такую большую устойчивость и могут существовать в свободном сколь угодно долгое время.
Резерфордом была опровергнута первая теория строения атома. В 1907 году он создал планетарную модель, согласно которой строение атома схоже со строением солнечной системы. В центре каждого атома химического элемента располагается положительно заряженное ядро, имеющее радиус приблизительно равный 10-10 м, вокруг которого подобно планетам по орбитам вращаются электроны. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Данная модель не смогла объяснить все свойства атомов.
Следующим шагом с развитии учения о теориях строения атома является квантовая модель, предложенная Н. Бором. Она основывается на следующих постулатах:
1. Отрицательно заряженная частица – электрон вращается вокруг ядра лишь по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.
2. Атомная система способна находиться только в определённых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует некоторая энергия Е (атом не излучает энергию в стационарных состояниях).
3. Испускание или поглощение энергии имеет место только в случае перехода атома из одного стационарного состояния (основного или возбужденного) в другое. Энергия данного кванта электромагнитного излучения при переходе из стационарного состояния с энергией Еm в состояние с энергией Еn определяется разностью энергий данного атома в двух квантовых состояниях:
∆Е = Еm – Еn = hν, где v – частота излучения, h = 6,62 ∙ 10-34 Дж ∙с – постоянная Планка.
Рассмотрим современную теорию строения атома. Ее основой является дополненная и усовершенствованная планетарная модель. В состав ядра атома химического элемента входят протоны (положительно заряженные частицы) и нейроны (не имеющие заряда частицы, но обладающие массой). Вокруг атомного ядра по неопределённым траекториям движутся отрицательно заряженные частицы – электроны.

Какую модель строения атома предложил резерфорд. Некоторые исторические и современные модели атома

Исторические модели1 атома отражают уровни знаний, соответствующие опреде­лённому периоду развития науки.

Первый этап развития моделей атома характеризовался отсутствием экспериментальных данных о его строении.

Объясняя явления микромира, учёные искали аналогии в макромире, опираясь на законы класси­ческой механики.

Дж. Дальтон – создатель химической атомистики (1803 г.), предполагал, что атомы одного и того же химического элемента представляют собой одинаковые шарообразные мельчайшие, а следовательно, неделимые частицы.

Французский физик Жан Батист Перрен (1901 г.) предложил модель, фактически предвосхитившую “плане­тарную” модель. Согласно этой модели в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которо­го движутся по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны. Модель Перрена не привлекла внимания учёных, так как давала только ка­чественную, но не количественную характеристику атома (на рис. 7 это показано несоответствием заряда ядра атома числу элек­тронов).

В 1902 г. английский физик Уильям Томсон (Кельвин) разработал представле­ние об атоме как о положительно заряженной сферической частице, внутри которой совершают колебания (излучая и поглощая энергию) отрицательно заряженные электроны. Кельвин обратил внима­ние на то, что число электронов равно положительному заряду сферы, поэтому в целом атом не имеет электрического заряда (рис. 7).

Годом позже немецкий физик Филипп Ленард предложил модель, согласно которой атом – полая сфера, внутри которой находят­ся электрические диполи (динамиды). Объём, занимаемый этими диполями, значительно меньше объёма сферы, и основная часть атома оказывается незаполненной.

По представлениям японского физика Гонтаро (Хантаро) Нагаоки (1904 г.), в центре атома находится положительно заряженное ядро, а электроны движутся в пространстве вокруг ядра в плоских кольцах, напоминающих кольца планеты Сатурн (эта модель называлась “сатурнианским” атомом). Большинство учёных не об­ратили внимания на идеи Нагаоки, хотя они в какой-то мере перекли­каются с современным представлением об атомной орбитали.

Ни одна из рассмотренных моделей (рис. 7) не объясняла, каким образом свойства химических элементов связаны со строением их атомов.

Рис. 7. Некоторые исторические модели атома

В 1907 г. Дж. Дж. Томсон предложил статическую модель строения атома, представлявшую атом как заряженную положительным электричеством шарообразную частицу, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны (модель пудинга “, рис. 7).

Математичес­кие расчёты показали, что электроны в атоме должны находиться на концентри­чески расположенных кольцах. Томсон сделал весьма важный вывод: причина периодического изменения свойств химических элементов связана с осо­бенностями электронного строения их атомов. Благодаря этому, модель атома Томсона была высоко оценена современниками. Однако она не объясняла некоторых явлений, например, рассеяния α-частиц при прохождении их через металлическую пластину.

На основании своих представлений об атоме Томсон вывел формулу для рас­чёта среднего отклонения α-частиц, и этот расчёт показал, что вероятность рассеяния таких частиц под большими углами близка к нулю. Однако экспе­риментально было доказано, что приблизительно одна из восьми тысяч падающих на золотую фольгу α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Это противоречило модели Томсона, которая предполагала отклонения только на малые углы.

Эрнест Резерфорд, обобщая экспериментальные данные, в 1911 г. предложил “планетарную” (её иногда называют “ядерной”) модель строения атома, согласно которой 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком ядре, а отрицательно заряженныеэлектроны, число которых равно заряду ядра, вращаются вокруг него, подобно планетам Солнечной системы1 (рис. 7).

Резерфорд вместе со своими учениками поставил опыты, позволившие исследовать строение атома (рис. 8). На поверхность тонкой металлической (золотой) фольги 2 от источника радиоактивного излучения 1 направлялся поток положительно заряженных частиц (α-частицы). На их пути был установлен флуоресцирующий экран 3, позволяющий наблюдать за направлением дальнейшего движения α-частиц.

Рис. 8. Опыт Резерфорда

Было установлено, что большинство α-частиц проходило сквозь фольгу, практически не меняя своего направления. Лишь отдельные частицы (в среднем одна из десяти тысяч) отклонялись и летели почти в обратном направлении. Был сделан вывод, что бóльшая часть массы атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, поэтому α-частицы так сильно отклоняются (рис. 9).

Рис. 9. Рассеивание α-частиц атомным ядром

Движущиеся в атоме электроны в соответствии с законами электромагнетизма должны излучать энергию и, теряя её, притягиваться к противоположно заряженному ядру и, следовательно, “падать” на него. Это должно приводить к ис­чезновению атома, но так как этого не происходило, был сделан вывод о неадекватности этой модели.

В начале XX века немецкими физиком Максом Планком и физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном была создана квантовая теория света. Согласно этой теории лучистая энергия, например свет, испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). При­чём величина кванта энергии неодинакова для разных излуче­ний и пропорциональна частоте колебаний электромагнитной волны: Е = hν, гдеhпо­стоянная Планка, равная 6,6266·10 –34 Дж·с, ν – частота излучения. Эту энергию несут частицы света – фотоны .

Пытаясь искусственно соединить зако­ны классической механики и квантовой теории, датский физик Нильс Бор в 1913 г. дополнил модель атома Резерфорда двумя постулатами о скачкообразном (дискретном) изменении энергии электронов в атоме. Бор считал, что электрон в атоме водорода может находиться лишь на впол­не определённых стационарных орбитах , радиусы которых отно­сятся друг к другу как квадраты натуральных чисел (1 2: 2 2: 3 2: … : п 2 ). Электро­ны движутся вокруг атомного ядра по стационарным орбитам. Атом пребывает в устойчивом состоянии, не поглощая и не излучая энергию, – это первый постулат Бора. Согласно второму постулату излучение энергии происходит только при переходе электрона на более близкую к атомному ядру орбиту. При переходе электрона на более отдалённую орби­ту энергия атомом поглощается. Эта модель была усовершенствована в 1916 г. немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, указавшим на движение электронов по эллиптическим орбитам .

Планетарная модель, благодаря своей наглядности и постулатам Бора, долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме, устойчивость и свойства атома, в отличие от движения планет и устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­сать законами классической механики. В основе этой механики лежат законы Ньютона, и предметом её изучения является движение макроскопических тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Для описания строения атома необходимо применять представления квантовой (волновой) механики о двойственной корпускулярно-волновой природе микрочастиц, которые сформулировали в 1920-е годы физики-теоретики: француз Луи де Бройль, немцы Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, англичанин Поль Дирак и др.

В 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу о наличии у электрона волновых свойств (первый принцип квантовой механики) и предложил формулу для вычисления его длины волны. Стабильность атома объясняется тем, что электроны в нём движутся не по орбитам, а в неких областях пространства вокруг ядра, называе­мых атомными орбиталями. Электрон занимает практически весь объём атома и не может “упасть на ядро”, находящееся в его центре.

В 1926 году Шрёдингер, продолжая развитие идей Л. де Бройля о волно­вых свойствах электрона, эмпирически подобрал математическое уравнение, похожее на уравне­ние колебания струны, с помощью которого можно вычислять энергии связи элек­трона в атоме на разных энергетических уровнях. Это уравнение стало основным уравне­нием квантовой механики.

Открытие волновых свойств электрона показало, что распространение знаний о макромире на объекты микромира неправомерно. В 1927 г. Гейзенберг установил, что невозможно определить точное положение в пространстве электрона, имеющего определённую ско­рость, поэтому представления о движении электрона в атоме носят ве­роятностный характер (второй принцип квантовой механики).

Квантово-механическая модель атома (1926 г.) описывает состояние атома посредством математических функций и не имеет геометричес­кого выражения (рис. 10). В такой модели не рассматриваются динамический характер устройства атома и вопрос о размере электрона как частицы. Считается, что электроны занимают определённые энергетические уровни и излучают или поглощают энергию при переходах на другие уровни. На рис. 10 энергетические уровни изобра­жены схематически в виде концентрических колец, расположенных на разных расстояниях от атомного ядра. Стрелками показаны переходы электронов между энергетическими уровнями и излучение фотонов, сопровождающих эти переходы. Схема показана качественно и не отражает реальных расстояний между энергетическими уровнями, которые могут отличаться между собой в десятки раз.

В 1931 году американским учёным Гилбертом Уайтом впервые были предложены гра­фическое представление атомных орбиталей и “орбитальная” модель атома (рис. 10). Модели атомных орбиталей используются для отражения понятия “электронная плотность” и демонстрации распределения отрицательного заряда вокруг ядра в атоме или системы атомных ядер в молекуле.


Рис. 10. Исторические и современные модели атома

В 1963 году американский художник, скульптор и инженер Кеннет Снельсон предложил “кольцегранную модель” электронных оболочек атома (рис. 10), которая объясняет количественное распределение электронов в атоме по устойчивым электронным оболочкам. Каждый электрон моделируется кольцевым ма­гнитом (или замкнутым контуром с электрическим током, имеющим магнитный момент). Кольцевые магниты притягиваются друг к другу и образуют симметрич­ные фигуры из колец – кольцегранники . Наличие у магнитов двух полюсов накладывает ограничение на возможные варианты сборки кольцегранников. Модели устойчивых электронных оболочек – это наиболее симметричные фигуры из колец, составленные с учётом наличия у них магнитных свойств.

Наличие у электрона спина (см. раздел 5) является одной их основ­ных причин образования в атоме устойчивых электронных оболочек. Электроны образуют пары с противоположными спинами. Кольцегранная модель электронной пары, или заполненной атомной орбитали, – это два кольца, расположенных в параллельных плоскостях с противоположных сторон от атомного ядра. При расположении около ядра атома более одной пары электронов кольца-электро­ны вынужденно взаимно ориентируются, образуя электронную оболочку. При этом близко распо­ложенные кольца имеют разные направления магнитных силовых линий, что обозначается разным цветом колец, изображающих электроны.

Модель­ный эксперимент показывает, что самой устойчивой из всех возможных кольцегранных моделей является модель из 8 колец. Геометрически модель образована таким образом, как будто атом в виде сферы поделили на 8 частей (трижды разделив пополам) и в каждую часть поместили по одному кольцу-электрону. В кольцегранных моделях используют кольца двух цветов: красного и синего, которые отражают положительное и отрицательное значение спина электрона.

“Волногранная модель” (рис. 10) похожа на “кольцегранную” с тем отличием, что каж­дый электрон атома представлен “волновым” кольцом, которое содержит целое число волн (как это было предложено Л. де Бройлем).

Взаимо­действие электронов электронной оболочки на этой модели атома показано совпадением точек контакта синих и красных “волновых” колец с узлами стоячих волн.

Модели атома имеют право на существование и границы применения. Всякая модель атома – это прибли­жение, отражающее в упрощённой форме определённую часть знаний об атоме. Но ни одна из моделей не от­ражает полностью свойств атома или его составляющих частиц.

Многие модели сегодня представляют только исторический интерес. При построении моде­лей объектов микромира учёные опирались на то, что можно непо­средственно наблюдать. Так появились модели Перрена и Резерфор­да (аналогия со строением Солнечной системы), Нагаоки (некое подобие планеты Сатурн), Томсона (“пудинг с изюмом”). Некоторые идеи были отброшены (динамичная модель Ленарда), к другим через некоторое время вновь обращались, но уже на новом, более высоком теоретическом уровне: модели Перрена и Кельвина получили развитие в моделях Резерфорда и Томсона. Представления о строении атома постоянно совер­шенствуются. Насколько точ­на современная – “квантово-механическая” модель – покажет время. Именно поэтому в верхней части спирали, символизирующей путь познания, нарисован вопро­сительный знак (рис. 7).

Стали важным шагом в развитии физики. Огромное значение имела модель Резерфорда. Атом как система и частицы, его составляющие, был изучен более точно и подробно. Это привело к успешному становлению такой науки, как ядерная физика.

Античные представления о строении вещества

Предположение о том, что окружающие тела состоят из мельчайших частиц, были высказаны еще в античные времена. Мыслители того времени представляли атом в виде мельчайшей и неделимой частицы любого вещества. Они утверждали, что нет во Вселенной ничего меньшего по размеру, чем атом. Таких взглядов придерживались великие древнегреческие ученые и философы – Демокрит, Лукреций, Эпикур. Гипотезы этих мыслителей сегодня объединены под названием «античный атомизм».

Средневековые представления

Времена античности прошли, и в средние века также были ученые, которые высказывали различные предположения о строении веществ. Однако преобладание религиозных философских взглядов и власть церкви в тот период истории на корню пресекали любые попытки и стремления человеческого разума к материалистическим научным выводам и открытиям. Как известно, средневековая инквизиция весьма недружелюбно вела себя с представителями научного мира того времени. Остается сказать, что у тогдашних светлых умов было пришедшее из античности представление о неделимости атома.

Исследования 18-19 веков

18 столетие было отмечено серьезными открытиями в области элементарного строения вещества. Во многом благодаря стараниям таких ученых, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов и Независимо друг от друга они сумели доказать, что атомы действительно существуют. Но вопрос об их внутреннем строении оставался открытым. Конец 18 века был отмечен таким знаменательным событием в научном мире, как открытие Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов. Это стало по-настоящему мощным прорывом того времени и приоткрыло завесу над пониманием того, что все атомы имеют единую природу, что они родственны друг другу. В дальнейшем, в 19 веке, еще одним важным шагом на пути к разгадке строения атома стало доказательство того, что в составе любого из них присутствует электрон. Работа ученых этого периода подготовила благодатную почву для открытий 20-го века.

Эксперименты Томсона

Английский физик Джон Томсон в 1897 году доказал, что в состав атомов входят электроны с отрицательным зарядом. На этом этапе ложные представления о том, что атом – предел делимости любого вещества, были окончательно разрушены. Как же Томсон сумел доказать существование электронов? Ученый в своих опытах помещал в сильно разреженные газы электроды и пропускал электрический ток. В результате возникали катодные лучи. Томсон тщательно изучил их особенности и обнаружил, что они являются потоком заряженных частиц, которые движутся с огромной скоростью. Ученый сумел высчитать массу этих частиц и их заряд. Он также выяснил, что их нельзя преобразовать в нейтральные частицы, поскольку электрический заряд – это основа их природы. Так были Томсон является и создателем первой в мире модели строения атома. Согласно ей, атом – это сгусток положительно заряженной материи, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны. Такое строение объясняет общую нейтральность атомов, так как противоположные заряды уравновешивают друг друга. Опыты Джона Томсона стали неоценимо важными для дальнейшего изучения строения атома. Однако многие вопросы оставались без ответа.

Исследования Резерфорда

Томсон открыл существование электронов, но он не сумел найти в атоме положительно заряженных частиц. исправил это недоразумение в 1911 году. Во время экспериментов, изучая активность альфа-частиц в газах, он обнаружил, что в атоме присутствуют частицы, положительно заряженные. Резерфорд увидел, что при прохождении лучей сквозь газ или через тонкую металлическую пластину происходит резкое отклонение незначительного количества частиц от траектории движения. Их буквально отбрасывало назад. Ученый догадался, что такое поведение объясняется столкновением с положительно заряженными частицами. Такие эксперименты позволили физику создать модель строения атома Резерфорда.

Планетарная модель

Теперь представления ученого несколько отличались от предположений, высказанных Джоном Томсоном. Разными стали и их модели атомов. позволил ему создать совершенно новую теорию в этой области. Открытия ученого имели решающее значение для дальнейшего развития физики. Модель Резерфорда описывает атом как ядро, расположенное в центре, и движущиеся вокруг него электроны. Ядро обладает положительным зарядом, а электроны – отрицательным. Модель атома по Резерфорду предполагала вращение электронов вокруг ядра по определенным траекториям – орбитам. Открытие ученого помогло объяснить причину отклонения альфа-частиц и стало толчком к развитию ядерной теории атома. В модели атома Резерфорда прослеживается аналогия с движением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Это очень точное и яркое сравнение. Поэтому модель Резерфорда, атом в которой движется вокруг ядра по орбите, была названа планетарной.

Работы Нильса Бора

Двумя годами позже датский физик Нильс Бор попытался объединить представления о строении атома с квантовыми свойствами светового потока. Ядерная модель атома Резерфорда была положена ученым в основу его новой теории. По предположению Бора, атомы вращаются вокруг ядра по круговым орбитам. Такая траектория движения приводит к ускорению электронов. Кроме того, кулоновское взаимодействие этих частиц с центром атома сопровождается созданием и расходованием энергии для поддержания пространственного электромагнитного поля, возникающего из-за движения электронов. При таких условиях отрицательно заряженные частицы должны когда-нибудь упасть на ядро. Но этого не происходит, что указывает на большую устойчивость атомов как систем. Нильс бор понял, что законы классической термодинамики, описанные уравнениями Максвелла, не работают во внутриатомных условиях. Поэтому ученый поставил перед собой задачу вывести новые закономерности, которые были бы справедливы в мире элементарных частиц.

Постулаты Бора

Во многом благодаря тому, что существовала модель Резерфорда, атом и его составляющие были неплохо изучены, Нильс Бор смог подойти к созданию своих постулатов. Первый из них гласит о том, что атом имеет при которых он не изменяет свою энергию, а электроны при этом движутся по орбитам, не меняя своей траектории. Согласно второму постулату, при переходе электрона с одной орбиты на другую происходит выделение или поглощение энергии. Она равна разности энергий предшествующего и последующего состояний атома. При этом, если электрон перепрыгивает на более близкую к ядру орбиту, то происходит излучение и наоборот. Несмотря на то что движение электронов мало напоминает орбитальную траекторию, расположенную строго по окружности, открытие Бора позволило получить великолепное объяснение существованию линейчатого спектра Приблизительно в это же время ученые-физики Герц и Франк, жившие в Германии, подтвердили учение Нильса Бора о существовании стационарных, стабильных состояний атома и возможность изменения значений атомной энергии.

Сотрудничество двух ученых

Кстати, Резерфорд длительное время не мог определить Ученые Марсден и Гейгер попытались осуществить перепроверку утверждений Эрнеста Резерфорда и в результате подробных и тщательных экспериментов и расчетов пришли к выводу о том, что именно ядро является важнейшей характеристикой атома, и в нем сосредоточен весь его заряд. В дальнейшем было доказано, что значение заряда ядра численно равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Интересно, что Нильс Бор вскоре познакомился с Резерфордом и полностью согласился с его взглядами. В последующем ученые длительно работали вместе в одной лаборатории. Модель Резерфорда, атом как система, состоящая из элементарных заряженных частиц, – все это Нильс Бор посчитал справедливым и навсегда отложил в сторону свою электронную модель. Совместная научная деятельность ученых была очень успешной и принесла свои плоды. Каждый из них углубился в изучение свойств элементарных частиц и сделал значимые для науки открытия. Позже Резерфорд обнаружил и доказал возможность разложения ядра, но это уже тема другой статьи.

Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра Опубликовано 10.03.2016 18:27 Просмотров: 4106

Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.

Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами . И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.

Открытие электрона. Модель атома Томсона

Джозеф Джон Томсон

В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами . Позже они стали называться электронами . Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.

Модель атома Томсона

Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали “моделью сливового пудинга”.

Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.

Опыт Резерфорда

Эрнест Резерфорд

Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.

Опыт Резерфорда

Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.

Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.

Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.

Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома .

Планетарная модель атома Резерфорда

Модель атома Резерфорда

Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.

Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.

Почему атом существует

Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?

Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами .

Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.

Планетарная модель атома

Планетарная модель атома: ядро (красное) и электроны (зелёные)

Планетарная модель атома , или модель Резерфорда , – историческая модель строения атома , которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеянием альфа-частиц . По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны , – подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики . Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга » Джозефа Джона Томсона , которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома.

Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году как вывод из эксперимента по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, проведённого под его руководством. При этом рассеянии неожиданно большое количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры и в нём сосредоточен значительный электрический заряд. Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10 -10 м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером. Этот вывод был сделан позже. А сам Резерфорд предположил, что заряд пропорционален атомной массе.

Недостатком планетарной модели была её несовместимость с законами классической физики. Если электроны движутся вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, то их движение ускоренное, и, следовательно, по законам классической электродинамики они должны были бы излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. Следующим шагом в развитии планетарной модели стала модель Бора , постулирующая другие, отличные от классических, законы движения электронов. Полностью противоречия электродинамики смогла решить квантовая механика .

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Планетарий Эйсе Эйсинги
  • Планетарная фантастика

Смотреть что такое “Планетарная модель атома” в других словарях:

    планетарная модель атома – planetinis atomo modelis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. planetary atom model vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. планетарная модель атома, f pranc. modèle planétaire de l’atome, m … Fizikos terminų žodynas

    Боровская модель атома – Боровская модель водородоподобного атома (Z заряд ядра), где отрицательно заряженный электрон заключен в атомной оболочке, окружающей малое, положительно заряженное атомное ядро … Википедия

    Модель (в науке) – Модель (франц. modèle, итал. modello, от лат. modulus мера, мерило, образец, норма), 1) образец, служащий эталоном (стандартом) для серийного ли массового воспроизведения (М. автомобиля, М. одежды и т. п.), а также тип, марка какого либо… …

    Модель – I Модель (Model) Вальтер (24.1.1891, Гентин, Восточная Пруссия, 21.4.1945, близ Дуйсбурга), немецко фашистский генерал фельдмаршал (1944). В армии с 1909, участвовал в 1 й мировой войне 1914 18. С ноября 1940 командовал 3 й танковой… … Большая советская энциклопедия

    СТРОЕНИЕ АТОМА – (см.) построен из элементарных частиц трёх видов (см.), (см.) и (см.), образующих устойчивую систему. Протон и нейтрон входят в состав атомного (см.), электроны образуют электронную оболочку. В ядре действуют силы (см.), благодаря которым… … Большая политехническая энциклопедия

    Атом – У этого термина существуют и другие значения, см. Атом (значения). Атом гелия Атом (от др. греч … Википедия

    Резерфорд Эрнест – (1871 1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Родился в Новой Зеландии, после окончания… … Энциклопедический словарь

    Άτομο

    Корпускул – Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия

    Корпускулы – Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия

Книги

Лекция: Планетарная модель атома

Строение атома

Наиболее точный способ определения структуры любого вещества – это спектральный анализ. Излучение у каждого атома элемента исключительно индивидуальное. Однако, прежде, чем понять, каким образом происходит спектральный анализ, разберемся, какую структуру имеет атом любого элемента.

Первое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый длительное время занимался изучением атомов. Более того, именно ему принадлежит открытие электрона – за что он и получил Нобелевскую премию. Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с действительностью, однако послужила достаточно сильным стимулом в изучении строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась “пудингом с изюмом”.

Томсон считал, что атом является сплошным шаром, имеющим отрицательный электрический заряд. Для его компенсации в шар вкраплены электроны, как изюминки. В сумме заряд электронов совпадает с зарядом всего ядра, что делает атом нейтральным.

ВО время изучения строения атома выяснили, что все атомы в твердых телах совершают колебательные движения. А, как известно, любая двигающаяся частица излучает волны. Именно поэтому каждый атом имеет свой собственный спектр. Однако данные утверждения никак не вкладывались в модель Томсона.

Опыт Резерфорда

Чтобы подтвердить или опровергнуть модель Томсона, Резерфордом был предложен опыт, в результате которого происходила бомбардировка атома некоторого элемента альфа-частицами. В результате данного эксперимента было важно увидеть, как будет вести себя частица.

Альфа частицы были открыты в результате радиоактивного распада радия. Их потоки представляли собой альфа-лучи, каждая частица которых имела положительный заряд. В результате многочисленных изучений было определено, что альфа-частица походит на атом гелия, в котором отсутствуют электроны. Используя нынешние знания, мы знаем, что альфа частица – это ядро гелия, в то время Резерфорд считал, что это были ионы гелия.

Каждая альфа-частица имела огромную энергию, в результате чего она могла лететь на рассматриваемые атомы с высокой скоростью. Поэтому основным результатом эксперимента являлось определение угла отклонения частицы.

Для проведения опыта Резерфорд использовал тонкую фольгу из золота. На нее он направлял высокоскоростные альфа-частицы. Он предполагал, что в результате данного эксперимента все частицы будут пролетать сквозь фольгу, причем с небольшими отклонениями. Однако, чтобы выяснить это наверняка, он поручил своим ученикам проверить, нет ли больших отклонений у данных частиц.


Результат эксперимента удивил абсолютно всех, ведь очень многие частицы не просто отклонились на достаточно большой угол – некоторые углы отклонения достигали более 90 градусов.

Данные результаты удивили абсолютно всех, Резерфорд говорил, что такое чувство, будто на пути снарядов был поставлен листок бумаги, который не дал альфа-частице проникнуть во внутрь, в результате чего, она повернулась обратно.

Если бы атом действительно был сплошным, то он должен был иметь некоторое электрическое поле, которое затормаживало частицу. Однако, сила поля была недостаточной, чтобы остановить её полностью, а уж тем более отбросить обратно. А это значит, что модель Томсона была опровергнута. Поэтому Резерфорд начал работать над новой моделью.


Модель Резерфорда

Чтобы получить такой результат эксперимента, необходимо сосредоточить положительный заряд в меньшем размере, в результате чего получится большее электрическое поле. По формуле потенциала поля можно определить необходимый размер положительной частицы, которая смогла бы оттолкнуть альфа-частицу в противоположном направлении. Радиус её должен быть порядка максимум 10 -15 м . Именно поэтому Резерфорд предложил планетарную модель атома.


Данная модель названа так неспроста. Дело в том, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, подобное Солнцу в Солнечной системе. Вокруг ядра, как планеты вращаются электроны. Солнечная система устроена таким образом, что планеты притягиваются к Солнцу с помощью гравитационных сил, однако, они не падают на поверхность Солнца в результате имеющейся скорости, которая держит их на своей орбите. То же самое происходит и с электронами – кулоновские силы притягивают электроны к ядру, но за счет вращения они не падают на поверхность ядра.

Одно предположение Томсона оказалось абсолютно верно – суммарный заряд электронов соответствует заряду ядра. Однако в результате сильного взаимодействия электроны могут быть выбиты со своей орбиты, в результате чего заряд не компенсируется и атом превращается в положительно заряженный ион.

Очень важной информации относительно строения атома является то, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Например, у атома водорода имеется всего один электрон, чья масса более, чем в полторы тысячи раз меньше, чем масса ядра.


Рекомендуем также

Основные сведения о строении атомов

Повторение темы “Введение”.

Строение атома

Атом – мельчайшая химически неделимая частица вещества.

В начале XX века была принята планетарная модель строения атома, предложенная Резерфордом, согласно которой вокруг очень малого по размерам положительно заряженного ядра движутся электроны, как планеты вокруг Солнца.

Рассмотрим строение атома.

http://www.youtube.com/watch?v=OCInhp3wHdI&feature=related

Из курса физики вам известно, что вокруг положительного ядра находятся отрицательно заряженные частицы электроны – е. В электронейтральном атоме число электронов должно быть равно заряду ядра и, следовательно, порядковому номеру элемента. Масса электрона очень мала и принимается равной нулю, таким образом, масса атома сосредоточена в ядре, в котором расположены протоны – p+ и нейтроны – n0.
Итак, строение атома можно представить следующей схемой:

Задание. Определите состав атомов бора, углерода, фосфора, фтора и брома.

ОБРАЗЕЦ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ на примере бора:

Устные рассуждения:

№ (порядковый номер) = 5, следовательно:  5 p+

Ar(B) = 11, следовательно:  11 – 5 = 6 n0
№ (порядковый номер) = 5, следовательно: 5 ē

Ответ (записать): В [(5 p+; 6 n0)5 ē]Основные выводы о строении атома вам поможет сделать видеоролик “Строение атома и атомного ядра”.
http://www.youtube.com/watch?v=U6Oq4EBghIM

Демокрит

Около 400 г. до н.э. греческий философ по имени Демокрит выдвинул теорию о том, что все в мире состоит из крошечных неразрушимых частиц, названных «атомос», что означает «неразрезанный». Он считал, что свойства материалов зависят от типа атома, из которого они сделаны. Например, кислые или острые на вкус вещи были сделаны из частиц с заостренными краями, сладкие – из более округлых и гладких атомов, а металлы – из твердых атомов.Если не считать этого неправильного толкования формы, Демокрит был в значительной степени на правильном пути в отношении атомного состава, определяющего свойства вещества.

Однако эта теория была в значительной степени дискредитирована Аристотелем, первоначальным общественным деятелем, который считал, что все на планете состоит из четырех элементов: земли, огня, воды и воздуха.

Джон Далтон

Следующая остановка в постоянно меняющейся теории атома была сделана почти 2000 лет спустя британским химиком и энтузиастом метеорологии по имени Джон Далтон.Он проводил эксперименты, в которых смешивал два газа и наблюдал за их поведением. Большинство газов, которые он тестировал, существовали независимо, не беспокоясь о присутствии других. Однако он обнаружил нечто иное, когда оксиду азота позволили взаимодействовать с атмосферным кислородом. 36 мер чистого азотистого газа прореагировали на 100 мер воздуха, дав 80 мер нового газа, который не был ни азотистым, ни кислородсодержащим.

Это вызвало его любопытство, поэтому он провел тот же эксперимент с разными объемами газа.Он заметил, что газы реагируют друг с другом только в фиксированном соотношении, что привело к закону множественных пропорций и теории атомизма.

Дальтон предположил, что все в этом мире состоит из атомов – крошечных неразрушимых твердых сфер, уникальных для каждого элемента. Атомы разных элементов объединяются в разные соединения и перегруппировываются в ходе химических реакций. Даже по прошествии 200 лет часть этой концепции остается верной.

J.J Thompson

До конца 19 века атомы представлялись как неделимые частицы; Первым, кто нарушил это представление, был английский физик Дж.Дж. Томпсон и его верная электронно-лучевая трубка. Внутри вакуумной стеклянной трубки видимый пучок частиц или катодных лучей генерировался путем приложения высокого напряжения к металлическим электродам. Поток частиц, образовавшихся из металла, отклонялся от отрицательного заряда и стремился к положительному.

Повторив этот эксперимент несколько раз с другими металлами, он придумал первую модель атома. Его знаменитая модель сливового пудинга описывала атом как частицу, состоящую из положительно заряженной массы (пудинг) с крошечными отрицательными зарядами, встроенными в нее (например, сливы).

Модель катодно-лучевой трубки и сливового пудинга (Фото предоставлено Wikimedia commons)

Эрнест Резерфорд

После некоторого первоначального сопротивления эта модель стала довольно популярной в научном мире, но уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд не был убежден. В начале 1900-х годов радиоактивность была в моде, и Резерфорд открыл альфа, бета и гамма-лучи во время своей работы по радиоактивному распаду. Он хотел разработать метод получения альфа-частиц и использовать его для исследования структуры атома.

Он сделал то, что делал каждый физик в то время – он поставил эксперимент. Эксперимент с золотой фольгой, также известный как эксперимент Гейгера-Марсдена, состоял из тонкого листа золотой фольги с круглым экраном, покрытым сульфидом цинка за ним, который вспыхивал каждый раз, когда на него попадала альфа-частица. Резерфорд ожидал, что частицы вылетают из фольги и ударяются о экран позади нее. Хотя большинство частиц действительно вели себя так, как ожидалось, некоторые из них отклонялись на угол более 90 градусов.

Эксперимент Гейгера-Марсдена с золотой фольгой (Фото: Kurzon / Wikimedia commons)

Опираясь на свои наблюдения, он придумал новую атомную модель, которая опровергала предыдущую. Он предложил атомную структуру, в которой большая часть массы атома была сосредоточена в положительно заряженном центре (который он позже назвал ядром, латинское слово «орех»), вокруг которого электроны вращались, как планеты вокруг Солнца.

Нильс Бор

Спустя год после публикации атомной теории Резерфорда Нильс Бор обнаружил несоответствие в этой модели.Если бы электроны вращались вокруг положительно заряженного центра, в какой-то момент эти электроны потеряли бы свою энергию и коллапсировали бы в ядро, сделав атомы нестабильными. Однако это оказалось не так, поскольку большинство атомов оказались довольно стабильными (кроме радиоактивных).

Именно здесь на сцену выходит квантовая физика. Бор использовал концепцию квантованной энергии, чтобы предположить, что электроны движутся вокруг ядра по фиксированным орбитам или оболочкам. Оболочки, расположенные ближе к ядру, имеют меньшую энергию, а самые дальние – самые высокие.Если электрон прыгает на более низкую энергетическую орбиту, он выделяет дополнительную энергию в виде излучения, тем самым поддерживая стабильность атома.

Несмотря на то, что модель Бора не верна для сложных многоэлектронных систем, эта модель по-прежнему остается наиболее популярным представлением атомной структуры в большинстве учебников.

(Фото: Kurzon / Wikimedia commons)

Модель Шредингера

Как бы мы ни старались, невозможно избежать сложностей квантовой механики.С установлением квантового поведения таких объектов, как электроны, стало совершенно ясно, что атомная модель Бора не удовлетворяет принципу неопределенности Гейзенберга. Согласно принципу неопределенности, невозможно узнать точное положение и траекторию электронов в атоме, а это означает, что они не могут существовать на фиксированных орбитах, как предполагал Бор.

Объединив концепцию дуальности волна-частица и принцип неопределенности, Эрвин Шредингер предложил квантово-механическую модель атома.В этой модели электроны не вращаются вокруг ядра по круговым орбитам, а скорее как электронные облака на атомной орбитали – области внутри атома, где вероятность найти электрон наиболее высока. Он также сформулировал волновые уравнения Шредингера, которые помогут нам точно рассчитать энергию уровней электронов в атоме. Эта новая и улучшенная модель атома не говорит нам, где находится электрон, но где он может быть .

Развитие моделей атома на протяжении многих лет (Фото предоставлено IlluScientia / Wikimedia commons)

Человечество всегда задавало большие вопросы: что составляет мир вокруг нас? И почему разные материалы ведут себя по-разному?

Каждый шаг в эволюции атомной теории приближал нас к пониманию секретов субатомных частиц, которые управляют нашим ярким и живым миром.И все же… всегда есть чему поучиться!

5 различных моделей атома – теории, схемы и структура атома

Атом – самая маленькая частица каждого элемента. Слово атом произошло от греческого слова Atomos, что означает неделимый. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, а электроны вращаются вокруг ядра. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, а количество нейтронов и протонов также обычно одинаково.Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре с помощью сильной силы, называемой сильной ядерной силой.

Строение атомов – недавнее открытие. Различные модели атомов были постулированы и отвергнуты до того, как была открыта правильная. В этой статье мы изучим самые известные атомные модели, которые были постулированы и отвергнуты до тех пор, пока не была принята окончательная.

Проверьте развитие периодической таблицы здесь.

Модель атома Дальтона
  • Дальтон выдвинул очень известную теорию, которая гласила:
  • Материя состоит из очень маленьких частиц, известных как атомы.
  • Атомы неделимы (неразделимы) и не могут быть уничтожены химическими реакциями.
  • Все атомы элемента имеют одинаковые химические свойства и массу.

Однако эта теория имела некоторые ограничения и недостатки.

Недостатки теории Дальтона:
  • Дальтон сказал, что атомы одного и того же элемента похожи во всех отношениях, а атомы разных элементов различны во всех отношениях.
  • Другие ученые обнаружили, что атомы состоят из электронных протонов и нейтронов.

Модель атома Дж. Дж. Томсона
  • Томсон предложил теорию, в соответствии с которой он определил атомы подобными рождественскому пудингу.
  • Он заявил, что атомы состоят из положительно заряженной сферы, в которую встроены электроны.
  • Он также сказал, что отрицательный и положительный заряды равны по величине, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Недостатки модели атома Дж. Дж. Томсона
  1. Не удалось объяснить, как положительный заряд удерживается на электроне внутри атома.
  2. Он также не смог объяснить причины устойчивости атома.

Здесь вы узнаете все о решениях, их компонентах, типах и свойствах.

Модель атома Резерфорда
  • Резерфорд использовал эксперимент по рассеянию α-частиц на листе золота.
  • Он заметил, что большая часть α– частиц прошла через золотую фольгу, не отклоняясь.
  • Некоторые α – частицы отклонялись на малые углы, а некоторые – почти на 180 °.
  • На основе этого эксперимента Резерфорд заявил, что в атоме есть положительно заряженный сферический центр, называемый ядром, и почти вся масса атома (имеющего радиус 10-10 м) упакована в ядро ​​(имеющее радиус 10–15 м).
  • Теория утверждает, что размер ядра очень мал по сравнению с размером атома.
  • Он заявил, что электроны вращаются вокруг ядра по четко определенной траектории, называемой «орбитой».

  • В ходе этого эксперимента мы пришли к выводу, что модель J.Дж. Томсон предположил, что это не может быть правильным, потому что, согласно его модели, атом не является полым. Положительный заряд атома равномерно распределен по объему. Если это так, то большинство альфа-частиц должно быть рассеяно из-за силы отталкивания между положительно заряженным ядром и альфа-частицами.
  • Но мы получаем прямо противоположный результат. Большинство альфа-частиц проходят через золотую фольгу без отклонения, что позволяет нам понять, что весь положительный заряд плотно сосредоточен в центре атома, и это согласие поддерживало гипотезу ядра, предложенную ядерной моделью Резерфорда.
  • В нем говорится, что весь положительный заряд сильно сжат и сконцентрирован в центре атома, и все электроны будут вращаться вокруг них, как планеты вращаются вокруг Солнца.
  • Позже из-за некоторых проблем, таких как стабильность ядра, была принята модель Бора.

Подробнее об адсорбции читайте здесь.

Теория Нила Бора
  • Бор использовал концепцию квантования и выдвинул следующие положения своей теории.
  • Электроны вращаются по своим орбитам, не теряя энергии.
  • Электрон перемещается из более низкого состояния в более высокое, набирая энергию, и переходит из состояний с более высокой энергией в состояния с более низкой энергией, теряя энергию.
  • Самый низкий уровень энергии электрона называется основным состоянием.
  • Уровни энергии представлены целым числом, известным как квантовое число. Эти квантовые числа начинаются с n = 1, 2, 3,… .. и им присвоены как K, L, M, N,…. Снаряды.

Недостатки Теория Нила Бора:
  • Модель Бора не могла определить влияние магнитного поля и электрического поля на спектры атомов.
  • Модель атома Бора сделала правильные предсказания для атомов меньшего размера, таких как водород, но плохие спектральные предсказания были получены при рассмотрении более крупных атомов.

Ознакомьтесь с более важными темами химии здесь.

Итак, это все о различных моделях атома. Попрактикуйтесь в том же в нашем бесплатном приложении Testbook. Скачать сейчас!

Часто задаваемые вопросы по различным атомным моделям

Q.1 Что такое 4 атомные модели?

Отв.1 Модель атома Дальтона, Модель атома Дж. Дж. Томсона, Модель атома Резерфорда и Теория атома Нила Бора.

Q.2 Какая модель атома самая точная?

Ans.2 Атомная модель Нила Бора является наиболее точной атомной моделью.

Q.3 Какой была первая атомная модель?

Ans.3 Модель атома Дальтона была первой атомной моделью.

Оставить комментарий