5. 1 Развитие представлений о сложной структуре атома
Скачать 423.86 Kb.
|
| 5 СТРОЕНИЕ АТОМА 5.1 Развитие представлений о сложной структуре атома Понятие атома как мельчайшей неделимой частицы вещества было предложено в V в. до н. э. греческими философами Демокритом и Эпикуром. В дальнейшем представление об атомном строении вещества было заменено теорией элементов Аристотеля. Аристотель и Платон (384322 гг. до н. э.) полагали, что природа состоит из четырех начал (элементов): огня, земли, воздуха и воды; любой из этих элементов можно превратить в другой, изменив его свойства. Лишь в XVI веке Джордано Бруно вновь вернулся к понятию атома. Первую атомистическую теорию выдвинул Джон Дальтон (1803 г.). Он предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов, одинаковых по размерам и массе. Эти частицы предполагались неделимыми и неизменными в ходе химической реакции. Экспериментальные факты, свидетельствующие о сложной структуре атома, были получены при исследовании электролиза, природы катодных и каналовых лучей, радиоактивности элементов и оптических спектров атомов. Ряд открытий в конце XIX века показал, что атом вовсе не является неделимой частицей, а состоит из субатомных частиц. Субатомные частицы Электрон был первой из обнаруженных субатомных частиц. В 1874 г. Дж. Дж. Стоней предположил, что электрический ток представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, названных им в 1891 г. электронами. Однако приоритет открытия электрона признается за Дж. Дж. Томсоном, который определил заряд и относительную массу электрона. Проводя исследования с катодными лучами, Томсон смог вычислить отношение заряда к массе (e/m) для отрицательно заряженных частиц, из которых состоят катодные лучи. Он установил, что независимо от того, какой газ используется для наполненья разрядной трубки для получения катодных лучей, значение e/m остается неизменным. На этом основании Томсон заключил, что атомы всех элементов содержат электроны. В 1909 г. Р.Э. Милликен определил заряд е электрона. В сочетании с найденным Томсоном значением отношения e/m это позволило вычислить массу m электрона. Значения этих величин составляют е = 1,6021019 Кл, me = 9,1101028 г Поскольку в своем нормальном состоянии атом частица нейтральная, естественно было допустить, что, кроме электронов, он содержит и положительные заряды. Второй по очередности открытия субатомных частиц был протон. В 1886 г. Гольдштейн наблюдал положительно заряженные лучи, испускаемые перфорированным катодом, названные им каналовыми лучами. В 1899 г. Эрнест Резерфорд открыл радиоактивное - и -излучение. В опытах его сотрудников Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена в 1910 г. было показано отклонение -частиц при прохождении через тонкую золотую фольгу, что было связано с наличием у атомов металла очень маленького положительно заряженного ядра (1013 см), окруженного относительно удаленными от него легкими отрицательно заряженными электронами. После этого Резерфорд предсказал существование протона и показал, что его масса более чем в 1800 раз должна превышать массу электрона. Существование нейтрона было предсказано Резерфордом в 1920 г., чтобы объяснить различие между атомной массой и атомным номером. Экспериментально нейтрон был обнаружен в 1932 г. Дж. Чедвигом при изучении результатов бомбардировки бериллия -частицами. Бериллий при этом испускал частицы с большой проникающей способностью, которые не отклонялись в электрическом и магнитном полях. Поскольку эти частицы были нейтральными, они получили название нейтронов. Модели атома В период открытия первых трех фундаментальных частиц (электрона, протона и нейтрона) был выдвинут целый ряд моделей строения атома (рис. 5.1).  Рис. 5.1. Первые модели строения атома: а модель «сливового пудинга» Томсона; б планетарная модель атома Резерфорда; в модель атома Бора. В 1904 г. Дж. Томсон предложил первую модель атома. Томсонова модель «сливового пудинга» уподобляла атом сферическому «пудингу» с положительным электрическим зарядом, в который вкраплены отрицательно заряженные шарики электроны. Последующие исследования опровергли точку зрения Томсона. В 1910 г. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой в центре атома находится плотное тяжелое положительно заряженное ядро, которое окружено облаком легких отрицательно заряженных электронов. Но классическая физика не могла объяснить представленную модель, так как вращение электронов вокруг ядра (как планет вокруг Солнца) приводит к противоречиям. По законам электродинамики, заряженная частица, двигаясь с ускорением, должна излучать энергию в виде электромагнитных волн. Электрон движется по круговой орбите, т.е. с ускорением, следовательно, атом теряет энергию и электрон должен упасть на ядро. Второй экспериментальный факт, который невозможно было объяснить исходя из модели атома Резерфорда, это наличие у атомов линейчатого спектра излучения. Если оптический спектр нагретого твердого или жидкого тела является непрерывным (например, радуга спектр солнечного излучения), то спектры газов состоят их отдельных узких линий с определенными, постоянными частотами для каждой линии. В 1900 г. Макс Планк, изучая спектры теплового излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что поглощение либо испускание энергии может осуществляться только строго определенными порциями квантами. Величина этих порций энергии Е связана с частотой излучения коэффициентом пропорциональности h, получившим название постоянной Планка: Е = h, h = 6,626110–34Джс. Квантовая теория Планка была подтверждена в 1905 г. Альбертом Эйнштейном, который постулировал, что любое излучение состоит из дискретных частиц квантов излучения, называемых фотонами. В 1913 г. Нильс Бор предложил модель атома водорода, использовав при ее разработке планетарную модель атома Резерфорда и квантовую теорию Планка. Теория Бора основывается на двух постулатах. Первый постулат утверждает, что электрон вращается вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Когда электрон находится на стационарной орбите, атом пребывает в устойчивом состоянии не поглощает и не излучает энергию. Если он находится на ближайшей к ядру орбите, атом обладает минимальной энергией, и такое состояние называется основным, или невозбужденным. При переходе электрона на следующую или более дальние орбиты его энергия увеличивается, а состояния атома называются возбужденными. Орбиты являются устойчивыми при условии, что момент количества движения электрона mr равен целому числу квантов действия h/2:  ,где n некоторое число, которое может принимать любые целые значения от 1 дл . Число n Бор назвал главным квантовым числом. Это выражение позволяет вычислить значения радиусов стационарных орбит, скорость движения и энергию электрона. Приравнивая центростремительную силу притяжения электрона к ядру центростремительной силе:  и решая совместно систему приведенных уравнений, можно получить уравнение для расчета скорости электрона на стационарной орбите  и выражение для радиуса электронной орбиты  Полная энергия электрона на стационарной орбите равна сумме его кинетической и потенциальной энергии:  .Подставив в данное уравнение выражение для скорости электрона, получим:  ,где  – постоянная Дирака, равная 1,054610–34 Джс.Согласно второму постулату Бора, при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит поглощение или выделение энергии. Каждому переходу соответствует своя частота, которая может быть вычислена по формуле  .Излучаемая электроном энергия при его переходе из состояния с квантовым числом n2 в более низкое состояние с n1 равна разности между энергиями этих состояний:  .Нильс Бор рассчитал частоты линий спектра и некоторые другие характеристики атома водорода, которые хорошо согласовывались с экспериментальными данными. Модель атома водорода Бора утвердила идеи Планка о квантовании энергии, доказала неприменимость законов классической механики к объяснению строения атома, доказала возможность стационарных состояний атома, объяснила дискретность спектра. Ею можно пользоваться, объясняя расположение элементов в периодической таблице и закономерности изменения энергий ионизации элементов. Однако вскоре оказалось, что теория Бора не универсальна и требует уточнения и развития. Во-первых, она не давала возможности точно рассчитать энергию многоэлектронных атомов. Во-вторых, появились экспериментальные факты, которые не могли быть объяснения в рамках этой теории. Так, по мере развития спектрографической техники было показано, что спектральные линии имеют тонкую структуру, состоят из нескольких близко расположенных линий, а при помещении излучающего атома в магнитное или электрическое поле спектральные линии расщепляются на более тонкие, близко расположенные спектральные линии. Дальнейшее развитие теории и экспериментальной техники способствовало совершенствованию представлений о строении атома. Современной теорией строения атома является квантовая механика (разд. 5.2). Новые элементарные частицы Термин «элементарная частица» обычно использовался применительно к неделимым фрагментам атома. Считалось, что существуют только три элементарные частицы электрон, протон и нейтрон. Вскоре после того, как в 1925 г. Поль Дирак предсказал существование античастиц, другие физики выдвинули предположение о существовании новых элементарных частиц. Наиболее известен из них Хидэки Юкава, который в 1935 г. предположил существование мезона. Эта элементарная частица необходима для удержания вместе протонов и нейтронов в атомном ядре. В 1938 г. он предсказал также существование так называемых «промежуточных векторных бозонов». С этих пор было предсказано существование нескольких сотен элементарных частиц. Античастицы обладают такой же массой, как и соответствующие обычные частицы (если у них есть масса), но электрическим зарядом противоположного знака. Например, позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет положительный заряд. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд. В настоящее время истинно фундаментальными, или элементарными, частицами считаются кварки и лептоны. Кварки были предсказаны Мюреем Гелл-Маном и независимо Джорджем Цвейгом в 1964 г. В настоящее время предполагается существование по меньшей мере 18 типов кварков. Они включают b-кварк и b-антикварк, «очарованный» кварк и кварк, обладающий «ароматом» (особым квантовым числом), который называется «красотой». «Красивый» ароматный мезон состоит из двух кварков, один из которых обладает свойством «красоты». Фундаментальными частицами кроме кварков считаются еще шесть лептонов и десяток других частиц, которые являются переносчиками различных взаимодействий. Лептоны относятся к тому же классу неделимых частиц, к которому принадлежит электрон. На рис. 5.2 в схематическом виде изображено современное состояние знаний, касающихся строения атома.   Рис. 5.2. Общие сведения о современном состоянии знаний, касающихся строения атома и элементарных частиц вещества. Считается, что протон состоит из набора трех кварков, а нейтрон их другого набора трех кварков. Эти кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием, которое носит название «цветового взаимодействия» (хотя такая характеристика не имеет ничего общего с обычным понятием о цвете). «Цветовое взаимодействие» обусловлено глюонами. Различные типы глюонов имеют различные «цвета». Когда кварки связываются друг с другом, образуя протон либо нейтрон, между кварками происходит обмен глюонами. Теория «цветового взаимодействия» называется квантовой хромодинамикой. 5.2 Основы квантовой механики Квантовая механика рассматривает двойственную природу электрона, дискретность или квантование энергии и вероятностный характер законов микромира. Квантовая механика базируется на двух основных гипотезах, которые были предложены в 1924 1927 гг. французским физиком Луи де Бройлем и немецким физиком Вернером Гейзенбергом. В 1924 г де Бройль предположил, что все микрочастицы обладают волновыми свойствами и каждой движущейся частице соответствует электромагнитная волна. Длина волны электрона связана с его импульсом m соотношением  .Это уравнение можно использовать для расчета длин волн любого движущегося с определенной скоростью тела. Применяя свою гипотезу для объяснения строения атома, де Бройль высказал мысль, что на устойчивых орбитах, рассчитанных по теории Бора, должно укладываться целое число электронных волн. И действительно, на 1-й электронной орбите атома водорода в соответствии с расчетом укладывается одно волна де Бройля, на 2-й две, на 3-й три и т.д., т.е. движение электрона по стационарной орбите может быть описано уравнением стоячей волны. Двойственная природа микрочастиц (атомов, электронов, протонов, нейтронов) означает, что микрочастицы нельзя рассматривать на как обычную частицу, ни как обычную волну. Обычная частица движется по определенной траектории с определенной скоростью, а к волне понятие траектории неприменимо. В 1972 г наличие волновых свойств у электрона экспериментально подтвердили опыты американских ученых Девиссона и Джермера, английского ученого Томсона и русского ученого Тартаковского. Вторым основным принципом квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно с одинаковой точностью определить импульс и положение микрочастицы. Математическим выражением принципа неопределенности является неравенство:  ,где  – неопределенность в определении положения частицы по координате х,  – неопределенность импульса по координате х.Чем меньше одна из этих величин или , тем, соответственно, больше другая. Таким образом, чем точнее определяется импульс электрона, тем менее точно определяется его положение в пространстве, и наоборот. Однако, несмотря на невозможность точного определения положения электрона, можно указать вероятность его нахождения в определенном положении в любой момент времени. Область пространства, в которой высока вероятность обнаружения электрона, называется орбиталью.Основным уравнением квантовой механики является волновое уравнение, предложенное австрийским ученым Эрвином Шредингером в 1926 г и использованное им в качестве модели для описания поведения электрона в атоме. Познакомимся с математическим описанием волнового движения. Рассмотрим плоскую волну, изображенную на рис. 5.3, а, которая с течением времени передвигается вдоль оси х в направлении, указанной стрелкой. Это волновое движение может быть количественно описано с помощью дифференциального уравнения  ,где А – амплитуда, т.е. высота волны, измеряемая по оси y при данном расстоянии х; – скорость, с которой передвигается волна; t – время. Решая это уравнение для стоячей волны (рис. 5.3, б), можно определить амплитуду А во времени t и в положении х:  ,где а – постоянная.  Рис. 5.3. График плоской волны: а – движущаяся волна; б – стоячая волна. Дифференциальное уравнение, описывающее трехмерную волну, имеет вид  .Здесь – трехмерный аналог величины А из предыдущих уравнений. Эта функция от координат x, y, z носит название волновой функции (пси-функции). Шредингер выбрал это уравнение как основу для описания строения атома. Подставляя в волновое уравнение значение из формулы де Бройля, получим  .Учитывая, что полная энергия электрона в атоме Е является суммой кинетической  и потенциальной U энергий можно исключить 2 из последнего соотношения и получить уравнение Шредингера в его обычной форме: .Уравнение Шредингера позволяет рассчитать энергетические состояния электрона в атоме и, следовательно, описать строение электронных оболочек сложных атомов, объяснить тонкую структуру спектральных линий. Точное решение его можно получить только для наиболее простых атомов и простейших молекул, однако эта задача достаточно сложная и ее рассмотрение выходит за рамки данного курса. Остановимся на смысле -функции в уравнении Шредингера. Волновая функция не зависит от времени, так как уравнение Шредингера является уравнением для стационарных состояний электрона. Поскольку энергия электрона в атоме квантуется, то может быть несколько функций (1, 2,…, n), являющихся решениями уравнения Шредингера, каждой из которых соответствует свое значение энергии. Дозволенная функция , являющаяся решением уравнения Шредингера, должна удовлетворять всем требованиям, вытекающим из определения функции: непрерывности, конечности, однозначности и обращения в нуль в точках, где электрон находиться не может. Квадрат волновой функции  имеет определенный физический смысл. Он характеризует вероятность нахождения электрона в данном месте пространства. Произведение квадрата волновой функции на элементарный объем  определяет вероятность нахождения электрона в элементе объема dv.Уравнение Шредингера, как любое дифференциальное уравнение второго порядка, имеет бесконечное множество решений. Выбрать решения, имеющие физический смысл, можно только при соблюдении определенных ограничений. Каждому решению соответствует атомная орбиталь, которая характеризуется определенной энергией, моментом количества движения и положением в пространстве. Эти характеристики связаны с набором квантовых чисел, при использовании которых возможно получить корректные решения уравнения Шредингера. |
Похожие:
 | Периодический закон и периодическая система д. И. Менделеева в свете современных представлений о строении атома | | Развитие театрализованных представлений в контексте развития культуры и цивилизации |
 | Эйнштейном. Фотоны. Спектры атомов. Теория атома водорода по Бору. Постулаты Бора. Объяснение спектра атома водорода. Внутренние... | | Представленная работа над текстом включает в себя 3 этапа: формирование практических представлений о тексте, развитие умений и навыков... |
| Развитие представлений о профессиональной традиции от Ренессанса к Просвещению 192 | | Генезис залога будущих вещей в римском праве и развитие представлений о нем в средневековых европейских правопорядках 9 |
| Дополнительный материал к занятиям по формированию элементарных математических представлений | | Химия – наука, изучающая вещества, их строение, свойства и превращения. Превращения одних веществ в другие вещества называются химическими... |
| Научатся на основе строения атома прослеживать взаимосвязь атома железа и его свойств и свойств его соединения. Узнают важнейшие... | | Перспективное планирование по образовательным областям: познавательное развитие, речевое развитие, социально-коммуникативное развитие,... |