Строение атома с: Строение атома — урок. Химия, 11 класс.

Принцип неопределенности. Принцип гласит, что существуют определенные «дополнительные» количества частиц, такие как положение и импульс. Эти величины соотносятся так, что произведение погрешностей измерения должно быть больше постоянной Планка.

Вернуться к указателю классных заметок.

Вернуться к содержанию.

Структура атома — красивая химия

От атомной теории к квантовой механике

Атомная теория существует уже давно. Однако с момента своего создания древнегреческими философами в V веке до нашей эры и до возрождения такими учеными, как Бойль и Ньютон в эпоху Возрождения, атомная теория казалась более актуальной для философии и физики, но не очень полезной для объяснения химических свойств материи.

В начале 19 века теория химических элементов Лавуазье и закон постоянной пропорции химических соединений Пруста легли в основу атомной теории Дальтона. В 1803 году Дальтон ясно описал свою теорию в своей записной книжке: 1) Химические элементы состоят из очень маленьких неделимых атомов. 2) Все атомы элемента одинаковы, атомы разных элементов различны, и разница заключается в весе атома. 3) Соотношения различных атомов в соединениях представляют собой простые числовые соотношения, такие как 1 : 2 или 2 : 3. Теория Дальтона дала четкое микроскопическое объяснение закону постоянной пропорции Пруста, и она была быстро принята химиками. Позже, с развитием аналитической химии, были определены все атомные массы и химические формулы соединений.

Открытие электрона в конце 19 века аннулировало неделимость атома Дальтона. В начале 20 века было предложено множество моделей внутреннего строения атома. В 1913 году Бор представил революционный квантовый атом, основанный на модели ядра Резерфорда и квантовой теории Планка. С помощью модели Бора спектр излучения атомарного водорода можно прекрасно объяснить с помощью очень простых математических уравнений. Модель Бора была триумфом квантовой теории в начале 20 века. Позднее создание квантовой механики полностью изменило наше представление об атомном мире. Сегодня ученые продолжают исследования строения атома. Физики-ядерщики работают над такими проблемами, как расположение протонов и нейтронов внутри ядра и каков предельный размер ядра. Теперь мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких основных частиц (кварков). Проводя высокоэнергетические эксперименты в великолепных ускорителях частиц, физики элементарных частиц теперь ищут основные частицы материи и излучения (такие как видимый свет), чтобы ответить на главный вопрос: откуда берется материя?

Верхняя диаграмма: волна де Бройля.

Теория атома Дальтона. Греческие философы впервые представили примитивную атомистическую теорию в V веке до нашей эры. После эпохи Возрождения ученые, такие как Бойль и Гук, снова взялись за атомистическую теорию или п-что и использовали ее для объяснения природных явлений. Дальтон впервые подробно изложил свою атомную теорию в 1803 году. Два основных различия между его теорией и предыдущими: 1) разные элементы состоят из разных атомов, 2) разные атомы имеют разный вес. В начале 1919 веке теория Дальтона получила широкое признание среди химиков, что способствовало развитию химии на теоретическом уровне. В своей книге «Новая система химической философии », опубликованной в 1808 году, Дальтон разработал круговой символ для каждого элемента, известного в его время, и использовал комбинацию этих символов для обозначения соединений (выше). Поскольку было трудно определить точные атомные массы, атомные отношения Дальтона для многих соединений были неверными. Здесь мы показываем только несколько его составных представлений с правильным соотношением атомов. [Ссылка на рисунок: Далтон, Дж. Новая система химической философии (1808 г.)].

Ранние модели строения атома. Атомы Дальтона представляют собой неделимые твердые сферы. Однако с тех пор, как Томсон открыл электрон в 1897 году, новые экспериментальные данные заставили ученых понять, что атомы могут иметь сложную внутреннюю структуру. В начале 20 века появилось много атомных моделей. Четыре из них представлены на рисунке выше, причем красный и синий цвета обозначают положительные и отрицательные заряды соответственно. Модель динамида, предложенная Ленардом в 1903 атом представляет собой пустую оболочку с динамидами в центре. Динамид состоит из одного положительного заряда и одного отрицательного заряда, соединенных вместе. Модель Сатурна, предложенная Хантаро Нагуока в 1904 году, атом похож на Сатурн, с электронами, вращающимися вокруг положительно заряженной сферы в центре. В модели сливового пудинга, предложенной Дж. Дж. Томсоном в 1904 г., атом состоит из положительно заряженной оболочки и электронов, встроенных в оболочку. В модели ядра, предложенной Резерфордом в 1911 году, атом состоит из положительно заряженного ядра в центре и электронов, движущихся вокруг него. Ядро очень маленькое, но содержит почти всю массу атома. [Ссылка на рисунок: Ихде, А. Дж. Развитие современной химии (1964)]

Квантовый атом Бора. В 1913 году Бор предложил новую квантовую модель атома, которая была одной из самых революционных теоретических моделей в истории науки. Квантовый атом Бора похож на микроскопическую солнечную систему с серией электронных орбиталей, вращающихся вокруг положительно заряженного ядра в центре. Каждая орбиталь характеризуется определенной энергией, причем орбитали с более низкой энергией ближе к ядру, а орбитали с более высокой энергией дальше от ядра. Электрон должен принадлежать определенной орбитали с такой же энергией, что и орбиталь. Электрон может переходить с одной орбитали на другую только в том случае, если он поглощает (с низкоэнергетической орбитали на высокоэнергетическую) или излучает (с высокоэнергетической орбитали на низкоэнергетическую) фотон и энергия фотона равна разность энергий двух орбиталей. Модель Бора дала прекрасное объяснение атомному спектру водорода (выше мы показали соответствующий электронный переход серий Лаймана, Бальмера и Пашена в спектре водорода) и заложила основу для теории химической связи Льюиса. В 1922 декабря Бор был удостоен Нобелевской премии по физике за вклад в квантовую модель атома. [Ссылка на рисунок: Бор, Н. Фил. Маг. 26, 1 (1913)]

Атомные орбитали квантовой механики. Хотя квантовая модель Бора успешно объяснила некоторые свойства атомов водорода и других одноэлектронных ионов, таких как ион He, она была очень ограничена для многоэлектронных атомов. С 1920 по 1930 г. де Бройль, В. Гейзенберг, И. Шредингер и другие физики создали квантовую механику, ставшую фундаментальной теорией для понимания атомного и молекулярного мира. В квантовой механике атомная орбиталь интерпретируется как возможность нахождения электрона вокруг ядра, которую можно рассчитать с помощью элегантного уравнения Шредингера. Чтобы сделать эти абстрактные математические понятия более интуитивными, химики обычно используют графику для представления атомных орбиталей. Для указанных выше орбиталей 3D-поверхности выбираются на основе изоповерхностей, внутри которых вероятность появления электрона равна 90%. (Ссылка на рисунок: трехмерные модели атомной орбиты доктора С.