Развитие на идеи за развитието на атомната химия. Еволюция на представите за структурата на атомното ядро. Периодична таблица на елементите

Клон от физиката, който изучава вътрешната структура на атомите. Атомите, първоначално смятани за неделими, са сложни системи. Те имат масивно ядро от протони и неутрони, около което се движат електрони в празно пространство. Атомите са много малки - размерът им е около 10 –10 –10 –9 m, а размерът на ядрото все още е около 100 000 пъти по-малък (10 –15 –10 –14 m). Следователно атомите могат да се „видят“ само индиректно, в изображение с много голямо увеличение (например с помощта на автоелектронен проектор). Но дори и в този случай атомите не могат да бъдат разгледани подробно. Нашите познания за тяхната вътрешна структура се основават на огромно количество експериментални данни, които косвено, но убедително свидетелстват в полза на горното.

Концепцията за структурата на атома се промени радикално през 20-ти век. под влияние на нови теоретични идеи и експериментални данни. При описанието на вътрешната структура на атомното ядро все още има нерешени въпроси, които са обект на интензивни изследвания. Следващите раздели описват историята на развитието на идеите за структурата на атома като цяло; отделна статия е посветена на структурата на ядрото ( СТРУКТУРА НА АТОМНОТО ЯДРО), тъй като тези концепции се развиват до голяма степен независимо. Енергията, необходима за изследване на външните обвивки на атома, е сравнително малка, от порядъка на топлинната или химическата енергия. Поради тази причина електроните са открити експериментално много преди откриването на ядрото.

С малкия си размер ядрото е много силно свързано, така че може да бъде унищожено и изследвано само с помощта на сили, които са милиони пъти по-интензивни от силите, действащи между атомите. Бързият напредък в разбирането на вътрешната структура на ядрото започва едва с появата на ускорителите на частици. Именно тази огромна разлика в размера и енергията на свързване дава възможност да се разгледа структурата на атома като цяло отделно от структурата на ядрото.

За да получите представа за размера на атома и празното пространство, което заема, помислете за атомите, които съставляват капка вода с диаметър 1 mm. Ако тази капка бъде умствено увеличена до размера на Земята, тогава водородните и кислородните атоми, включени във водната молекула, ще имат диаметър 1–2 м. Основната част от масата на всеки атом е концентрирана в неговото ядро, чийто диаметър е само 0,01 мм ...

Историята на възникването на най-общите идеи за атома обикновено се води от времето на гръцкия философ Демокрит (ок. 460 - около 370 г. пр. н. е.), който мисли много за най-малките частици, на които може да бъде разделено всяко вещество . Група гръцки философи, които поддържаха мнението, че съществуват такива малки неделими частици, се наричаха атомисти. Гръцкият философ Епикур (ок. 342–270 г. пр. н. е.) приема атомната теория, а през I в. пр. н. е. един от неговите последователи, римският поет и философ Лукреций Кар, излага учението на Епикур в поемата „За природата на нещата“, благодарение на което то е запазено за бъдещите поколения. Аристотел (384–322 пр. н. е.), един от най-големите учени на античността, не приема атомистичната теория и възгледите му за философията и науката впоследствие надделяват в средновековното мислене. Атомната теория като че ли не съществува до самия край на Ренесанса, когато чисто спекулативните философски разсъждения са заменени с експеримент.

По време на Ренесанса започват систематични изследвания в областите, които днес се наричат химия и физика, носейки със себе си нови прозрения за природата на „неделимите частици“. Р. Бойл (1627-1691) и И. Нютон (1643-1727) изхождат в своите разсъждения от идеята за съществуването на неделими частици материя. Нито Бойл, нито Нютон обаче нямаха нужда от подробна атомистична теория, за да обяснят интересуващите ги явления, а резултатите от техните експерименти не казаха нищо ново за свойствата на „атомите“.

СТРУКТУРАТА НА АТОМА

Законите на Далтън.Първото наистина научно обосноваване на атомната теория, което убедително демонстрира рационалността и простотата на хипотезата, че всеки химичен елемент се състои от най-малките частици, е дело на английския учител по математика в училище Дж. Далтън (1766-1844), чиято статия за този проблем се появява през 1803 г.

Далтън изучава свойствата на газовете, по-специално съотношението на обемите на газовете, които влизат в реакцията на образуване на химично съединение, например, когато водата се образува от водород и кислород. Той откри, че съотношенията на реагиращите количества водород и кислород винаги са съотношения на малки цели числа. И така, когато се образува вода (H 2 O), 2,016 g водороден газ влизат в реакция с 16 g кислород, а когато се образува водороден прекис (H 2 O 2), 32 g газообразен кислород се комбинират с 2,016 g на водород. Кислородните маси, реагиращи с една и съща водородна маса при образуването на тези две съединения, са свързани помежду си като малки числа:

Въз основа на тези резултати Далтън формулира своя „закон за множеството съотношения“. Според този закон, ако два елемента се комбинират в различни пропорции, образувайки различни съединения, тогава масите на един от елементите, комбинирани със същото количество на втория елемент, се отнасят като малки цели числа. Според втория закон на Далтън, „законът на постоянните отношения“, във всяко химическо съединение съотношението на масите на елементите, включени в него, винаги е едно и също. Голямо количество експериментални данни, отнасящи се не само до газове, но и до течности и твърди съединения, са събрани от Й. Берцелиус (1779-1848), който извършва точни измервания на реагиращите маси на елементите за много съединения. Неговите данни потвърждават формулираните от Далтън закони и убедително демонстрират, че всеки елемент има най-малката единица маса.

Атомните постулати на Далтън имат предимство пред абстрактните разсъждения на древногръцките атомисти, че неговите закони позволяват да се обяснят и свържат резултатите от реални експерименти, както и да се предскажат резултатите от нови експерименти. Той постулира, че 1) всички атоми на един и същи елемент са идентични във всички отношения, по-специално техните маси са еднакви; 2) атомите на различни елементи имат различни свойства, по-специално техните маси не са еднакви; 3) съединението, за разлика от елемента, включва определен брой атоми на всеки от съставните му елементи; 4) при химични реакции може да се случи преразпределение на атомите, но нито един атом не се разрушава или създава отново. (Всъщност, както се оказа в началото на 20-ти век, тези постулати не са съвсем стриктно изпълнени, тъй като атомите на един и същи елемент могат да имат различни маси, например водородът има три такива типа, наречени изотопи; в допълнение, атомите могат да претърпят радиоактивни трансформации и дори напълно да колапсират, но не и в химичните реакции, разглеждани от Далтън.) Въз основа на тези четири постулата, атомната теория на Далтън предоставя най-простото обяснение на законите за постоянни и множествени съотношения.

Въпреки че законите на Далтън са в основата на цялата химия, те не определят действителните размери и маси на атомите. Те не казват нищо за броя на атомите, съдържащи се в дадена маса на елемент или съединение. Молекулите на простите вещества са твърде малки, за да бъдат претеглени отделно, така че трябва да се използват косвени методи за определяне на масите на атомите и молекулите.

Числото на Авогадро.През 1811 г. А. Авогадро (1776–1856) излага хипотеза, която значително опростява анализа на това как съединенията се образуват от елементите и установява разликата между атоми и молекули. Идеята му е, че равни обеми газове, разположени при една и съща температура и налягане, съдържат еднакъв брой молекули. По принцип намек за това може да се намери в по-ранна работа на Ж. Гей-Люсак (1778-1850), който установява, че съотношението на обемите на газообразните елементи, влизащи в химична реакция, се изразява в цели числа, макар и различни от масовите съотношения, получени от Далтън. Например, 2 литра водороден газ (H2 молекули) се комбинират с 1 литър кислороден газ (O2 молекули), за да образуват 1 литър водна пара (H2O молекули).

Истинският брой на молекулите в даден обем газ е изключително голям и до 1865 г. не може да бъде определен с приемлива точност. Въпреки това, още по времето на Авогадро бяха направени груби оценки въз основа на кинетичната теория на газовете. Много удобна единица за измерване на количеството на веществото е молът, т.е. количеството вещество, в което има толкова молекули, колкото има атоми в 0,012 kg от най-разпространения изотоп на въглерод 12 C. Един мол идеален газ при нормални условия (n.u.), т.е. стандартна температура и налягане, заема обем от 22,4 литра. Числото на Авогадро е общият брой молекули в един мол вещество или в 22,4 литра газ при нормални условия. Други методи, като рентгенография, дават за числото на Авогадро нСтойностите 0 са по-точни от тези, получени въз основа на кинетичната теория. Приетата в момента стойност е 6,0221367X10 23 атома (молекули) в един мол. Следователно 1 литър въздух съдържа приблизително 3 × 10 22 молекули кислород, азот и други газове.

Важната роля на числото Авогадро за физиката на атома е свързана с факта, че позволява да се определи масата и приблизителните размери на атом или молекула. Тъй като масата на 22,4 литра газообразен Н 2 е 2,016 × 10 –3 kg, масата на един водороден атом е 1,67 × 10 –27 kg. Ако приемем, че атомите в твърдо тяло са разположени близо един до друг, тогава числото на Авогадро ще позволи приблизителна оценка на радиуса rда речем, алуминиеви атоми. За алуминия 1 mol е 0,027 kg, а плътността е 2,7 × 10 3 kg / m 3. Освен това имаме

Където r»1,6 × 10 –10 м. Така че първите оценки на числото на Авогадро дадоха представа за атомните размери.

Откриване на електрона.Експерименталните данни, свързани с образуването на химични съединения, потвърждават съществуването на "атомни" частици и позволяват да се прецени малкият размер и масата на отделните атоми. Въпреки това, истинската структура на атомите, включително съществуването на дори по-малки частици, които изграждат атомите, остава неясна до откриването на електрона от JJ Thomson през 1897 г. Дотогава атомът се смяташе за неделим и разликата в химичните свойства на различни елементи нямаше обяснение. Още преди откритието на Томсън бяха проведени редица интересни експерименти, при които други изследователи изследваха електрическия ток в стъклени тръби, пълни с газ при ниско налягане. Такива тръби, наречени тръби на Гайслер на името на немския стъклодухач Г. Гайслер (1815–1879), който за първи път започва да ги произвежда, излъчват ярко сияние, когато са свързани към високоволтовата намотка на индукционна намотка. От тези електрически разряди се интересува У. Крукс (1832-1919), който установява, че естеството на разряда в тръбата се променя в зависимост от налягането и разрядът напълно изчезва при висок вакуум. По-късни изследвания на Дж. Перин (1870-1942) показват, че "катодните лъчи", причиняващи сиянието, са отрицателно заредени частици, които се движат по права линия, но могат да бъдат отклонени от магнитно поле. Въпреки това зарядът и масата на частиците остават неизвестни и не е ясно дали всички отрицателни частици са еднакви.

Голямата заслуга на Томсън беше доказателството, че всички частици, които образуват катодните лъчи, са идентични една на друга и са част от веществото. С помощта на специален тип разрядна тръба, показана на фиг. 1, Томсън измерва скоростта и съотношението заряд към маса на частиците от катодни лъчи, наречени по-късно електрони. Електроните избягаха от катода под действието на високоволтов разряд в тръбата. През диафрагмите ди Еминаха само онези от тях, които летяха по оста на тръбата.

Ориз. 1. ОТНОШЕНИЕ НА ЗАРЯДА КЪМ МАСА. Тръбата, използвана от английския физик Дж. Томсън за определяне на съотношението заряд към маса за катодните лъчи. Тези експерименти доведоха до откриването на електрона.

В нормален режим тези електрони попадат в центъра на луминесцентния екран. (Тръбата на Томсън беше първата „електронна тръба“ с екран, предшественик на телевизионната тръба за картина.) Тръбата съдържаше и чифт електрически кондензаторни плочи, които, ако бъдат включени, можеха да отклоняват електроните. Електрическа сила F Eдействайки по обвинението дот страната на електрическото поле Е, се дава от израза

F E = eE .

В допълнение, магнитно поле може да бъде създадено в същата област на тръбата с помощта на двойка токови намотки, способни да отклоняват електроните в обратна посока. Мощност F Hдействащи от магнитното поле Х, пропорционална на силата на полето, скоростта на частиците vи нейния заряд д :

F H = Hev .

Томсън регулира електрическите и магнитните полета така, че общото отклонение на електроните да е нула, т.е. електронният лъч се върна в първоначалното си положение. Тъй като в този случай и двете сили F Eи F Hса равни, скоростта на електроните се дава от израза

v = E / H .

Томсън установи, че тази скорост зависи от напрежението на тръбата. Vи че кинетичната енергия на електроните mv 2/2 е право пропорционално на това напрежение, т.е. mv 2 /2 = eV... (Оттук и терминът "електрон-волт" за енергията, придобита от частица със заряд, равен на заряда на електрона, когато се ускори от потенциална разлика от 1 V.) Комбинирайки това уравнение с израза за скоростта на електрона, той намери съотношението на заряда към масата:

Тези експерименти позволиха да се определи отношението д /мза електрон и даде приблизителна стойност на заряда д... Точно величина де измерено от Р. Миликан, който в своите експерименти постига, че заредените капчици масло висят във въздуха между плочите на кондензатора. Понастоящем характеристиките на електрона са известни с голяма точност:

По този начин масата на електрона е много по-малка от масата на водороден атом:

Експериментите на Томсън показаха, че електроните в електрическите разряди могат да възникнат от всяко вещество. Тъй като всички електрони са еднакви, елементите трябва да се различават само по броя на електроните. Освен това малката стойност на масата на електроните показва, че масата на атома не е концентрирана в тях.

Масспектрограф на Томсън.Скоро беше възможно да се наблюдава останалата част от атома с положителен заряд, като се използва същата, макар и модифицирана разрядна тръба, което направи възможно откриването на електрона. Още първите експерименти с разрядни тръби показаха, че ако катодът с отвор е поставен в средата на тръбата, тогава положително заредените частици преминават през "канал" в катода, причинявайки луминесцентен екран, разположен в края на тръбата отсреща от анода до светенето. Тези положителни "канални лъчи" също бяха отклонени от магнитното поле, но в посока, обратна на електроните.

Томсън решава да измери масата и заряда на тези нови лъчи, като също така използва електрически и магнитни полета за отклоняване на частици. Неговото устройство за изследване на положителни лъчи, "масов спектрограф", е показано схематично на фиг. 2. Различава се от устройството, показано на фиг. 1, поради факта, че електрическото и магнитното поле отклоняват частиците под прав ъгъл една спрямо друга и следователно не е възможно да се получи "нулево" отклонение. Положително заредените атоми по пътя между анода и катода могат да загубят един или повече електрони и поради тази причина могат да се ускорят до различни енергии. Атоми от същия тип със същия заряд и маса, но с определен разсейване на крайните скорости, ще начертаят извита линия (сегмент от парабола) върху луминесцентен екран или фотографска плоча. При наличие на атоми с различни маси, по-тежките атоми (със същия заряд) ще се отклоняват от централната ос по-слабо от по-леките. На фиг. 3 показва снимка на параболи, получени с масспектрограф на Томсън. Най-тясната парабола съответства на най-тежкия единично йонизиран атом (атом на живак), от който е избит един електрон. Двете най-широки параболи съответстват на водород, едната на атомен H +, а другата на молекулен H 2 +, като и двете са еднократно йонизирани. В някои случаи се губят два, три или дори четири заряда, но атомният водород никога не е наблюдаван като йонизиран повече от веднъж. Това обстоятелство беше първата индикация, че има само един електрон във водородния атом, т.е. той е най-простият от атомите.

Ориз. 2. МАСА СПЕКТРОГРАФ, използван от Томсън за определяне на относителните стойности на масите на различни атоми от отклонението на положителните лъчи в магнитни и електрически полета.

Ориз. 3. МАСОВИ СПЕКТРИ, снимки с разпределението на йонизираните атоми на пет вещества, получени в мас спектрограф. Колкото по-голяма е масата на атомите, толкова по-малко е отклонението.

Други доказателства за сложната структура на атома.В същото време, когато Томсън и други експериментираха с катодни лъчи, откриването на рентгеновите лъчи и радиоактивността предостави допълнителни доказателства за сложната структура на атома. През 1895 г. W. Roentgen (1845-1923) случайно открива мистериозна радиация (“ х-лъчи"), които проникнаха в черната хартия, с която той уви тръбата на Крукс, докато изследваше зелената луминесцентна област на електрическия разряд. хЛъчите предизвикаха сиянието на дистанционен екран, покрит с кристален бариев платинен цианид. Рентген установява, че различни вещества с различна дебелина, въведени между екрана и тръбата, отслабват сиянието, но не го гасят напълно. Това показва изключително висока проникваща способност. х-лъчи. Рентген също така установи, че тези лъчи се разпространяват по права линия и не се отклоняват от електрически и магнитни полета. Появата на такава невидима проникваща радиация, когато електроните бомбардират различни материали, беше нещо напълно ново. Беше известно, че видимата светлина от тръбите на Гайслер се състои от отделни "спектрални линии" със специфични дължини на вълната и следователно е свързана с "вибрации" на атоми с дискретни честоти. Съществена особеност на новото излъчване, което го отличава от оптичните спектри, освен високата му проникваща сила, е, че оптичните спектри на елементи с последователно нарастващ брой електрони са напълно различни един от друг, докато спектрите хЛъчите варираха много леко от елемент на елемент.

Друго откритие, свързано със структурата на атома, е, че атомите на някои елементи могат спонтанно да излъчват радиация. Това явление е открито през 1896 г. от А. Бекерел (1852-1908). Бекерел открива радиоактивност, използвайки уранови соли, докато изучава луминесценцията на солите, когато са изложени на светлина и връзката й с луминесценцията на стъклото в рентгенова тръба. При един от експериментите се наблюдава почерняване на фотоплочка, увита в черна хартия и разположена близо до уранова сол в пълна тъмнина. Това случайно откритие стимулира интензивно търсене на други примери за естествена радиоактивност и експерименти за определяне на естеството на излъчваната радиация. През 1898 г. П. Кюри (1859-1906) и М. Кюри (1867-1934) откриват още два радиоактивни елемента – полоний и радий. Е. Ръдърфорд (1871-1937), изучавайки проникващата способност на урановата радиация, показа, че има два вида радиация: много "мека" радиация, която лесно се абсорбира от материята и която Ръдърфорд нарича алфа лъчи, и по-проникваща радиация , които той нарече бета-лъчи. Бета лъчите се оказаха идентични с обикновените електрони или "катодни лъчи", възникващи в разрядните тръби. Алфа лъчите, както се оказа, имат същия заряд и маса като хелиевите атоми, лишени от двата си електрона. Третият вид радиация, наречен гама лъчи, се оказа подобен на х-лъчи, но имаше още по-голяма проникваща способност.

Всички тези открития ясно показаха, че атомът не е „неделим“. Той не само се състои от по-малки части (електрони и по-тежки положителни частици), но тези и други субчастици, очевидно, се излъчват спонтанно по време на радиоактивния разпад на тежките елементи. В допълнение, атомите не само излъчват радиация във видимата област с дискретни честоти, но също така могат да бъдат толкова възбудени, че да започнат да излъчват по-твърдо електромагнитно излъчване, а именно х-лъчи.

Моделът на Томсън на атома.Дж. Томсън, който направи огромен принос в експерименталното изследване на структурата на атома, се стреми да намери модел, който да обясни всички негови известни свойства. Тъй като преобладаващата част от масата на атома е концентрирана в неговата положително заредена част, той приема, че атомът е сферично разпределение на положителен заряд с радиус около 10–10 m, а на повърхността му има електрони, задържани от еластични сили, които им позволяват да вибрират (фиг. 4). Общият отрицателен заряд на електроните точно компенсира положителния заряд, така че атомът е електрически неутрален. Електроните са върху сферата, но те могат да извършват прости хармонични трептения около положението на равновесие. Такива вибрации могат да възникнат само с определени честоти, които съответстват на тесни спектрални линии, наблюдавани в газоразрядните тръби. Електроните могат да бъдат доста лесно избити от позициите си, в резултат на което се образуват положително заредени „йони“, от които се съставят „канални лъчи“ при експерименти с масспектрограф. х-лъчите съответстват на много високи обертони на основните вибрации на електроните. Алфа-частиците, възникващи от радиоактивни трансформации, са част от положителната сфера, избита от нея в резултат на някакъв вид енергийно разкъсване на атом.

Ориз. 4. АТОМ, според модела на Томсън. Електроните се държат вътре в положително заредена сфера от еластични сили. Тези от тях, които са на повърхността, могат доста лесно да "избият", оставяйки йонизиран атом.

Този модел обаче предизвика редица възражения. Едно от тях се дължи на факта, че както откриха спектроскописти, които измерваха емисионните линии, честотите на тези линии не са прости кратни на най-ниската честота, както би трябвало да бъде в случай на периодични колебания на заряда. Вместо това те се сближават с нарастваща честота, сякаш се стремят към ограничение. Още през 1885 г. И. Балмер (1825–1898) успява да намери проста емпирична формула, свързваща честотите на линиите във видимата част на водородния спектър:

където н- честота, ° С- скоростта на светлината (3Х10 8 m / s), нЕ цяло число и R H- някакъв постоянен фактор. Съгласно тази формула, в тази серия от спектрални линии на водород не трябва да има линии с дължина на вълната лпо-малко от 364,56 nm (или по-високи честоти), съответно н= Ґ. Така се оказа и това се превърна в сериозно възражение срещу модела на Томсън за атома, въпреки че бяха направени опити да се обясни несъответствието с разликата в еластичните възстановяващи сили за различните електрони.

Въз основа на модела на Томсън за атома също беше изключително трудно да се обясни излъчването на рентгенови или гама лъчи от атоми.

Трудностите в модела на Томсън за атома също бяха причинени от отношението д/мзаряд до маса за атоми, които са загубили своите електрони („канални лъчи“). Най-простият атом е водороден атом с един електрон и относително масивна сфера, носеща един положителен заряд. Много по-рано, през 1815 г., У. Праут предполага, че всички по-тежки атоми се състоят от водородни атоми и би било разбираемо, ако масата на атома се увеличи пропорционално на броя на електроните. Измерванията обаче показват, че съотношението на заряда към масата не е еднакво за различните елементи. Например, масата на неоновия атом е около 20 пъти по-голяма от масата на водороден атом, докато зарядът е само 10 единици положителен заряд (неоновият атом има 10 електрона). Сякаш положителният заряд имаше променлива маса или наистина имаше 20 електрона, но 10 от тях бяха вътре в сферата.

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html

1) Парчета материя.
Демокрит вярва, че свойствата на това или онова вещество се определят от формата, масата и т.н., от характеристиките на атомите, които го образуват: атомите на огъня са остри, следователно огънят може да гори, в твърдите тела те са груби, затова те здраво прилепват един към друг, във вода са гладки, следователно е способен да тече. Дори човешката душа, според Демокрит, се състои от атоми.
2) "Пудинг с кора" (модел на Томсън).
JJ Thomson предложи да се разглежда атомът като положително заредено тяло с електрони вътре в него. Този модел не обяснява серийния характер на излъчването на атома.
3) Атом, като Сатурн. 1904 година. Хентара Нагаока. Малко положително ядро, около което се въртят електрони в орбитали.
4) Планетарен модел на атома. 1911 година. Ърнест Ръдърфорд, след като направи поредица от експерименти, стигна до заключението, че атомът е по-скоро вид планетарна система, тоест, че електроните се движат около положително заредено тежко ядро, разположено в центъра на атома. За да обясни стабилността на атомите, Нилс Бор трябваше да въведе постулати, които се свеждат до факта, че електрон в атом, намиращ се в някои специални енергийни състояния, не излъчва. Постулатите на Бор показаха, че класическата механика не е приложима за описанието на атома.

Опитът на Ръдърфорд

Ърнест Ръдърфорд за разсейването на а-частици, преминаващи през тънки слоеве материя. В тези експерименти, тесен лъч α -частиците, излъчвани от радиоактивния материал, се насочват върху тънко златно фолио. Зад фолиото е поставен екран, способен да свети под въздействието на бързи частици. Установено е, че повечето α -частиците се отклоняват от праволинейното разпространение след преминаване през фолиото, т.е. разсейват се и някои α -частиците обикновено се изхвърлят обратно. Разпръскване α -частици Ръдърфорд обясни това положителен зарядне е равномерно разпределен в сфера с радиус 10 -10 m, както се предполагаше по-рано, а е концентриран в централната част на атома - атомното ядро. При преминаване близо до ядрото α - частица с положителен заряд се отблъсква от него, а когато се удари в ядрото, се хвърля в обратна посока. Така се държат частиците със същия заряд, следователно има централна положително заредена част от атома, в която е концентрирана значителна маса от атома. Изчисленията показват, че за обяснение на експериментите е необходимо да се вземе радиусът на атомното ядро, равен на приблизително 10 -15 μ .

Моделът на Ръдърфорд на атома

Същността на модела на атомната структура според Ръдърфорд е следната: в центъра на атома има положително заредено ядро, в което цялата маса е концентрирана, електроните се въртят около ядрото по кръгови орбити на големи разстояния (като планети около слънцето). Ядреният заряд съвпада с номера на химичния елемент в периодичната таблица.

Планетарният модел на структурата на атома според Ръдърфорд не може да обясни редица известни факти:

електрон със заряд трябва да падне върху ядрото поради кулоновите сили на привличане, а атомът е стабилна система; когато се движи по кръгова орбита, приближавайки се до ядрото, електронът в атома трябва да излъчва електромагнитни вълни с всички възможни честоти, т.е. излъчваната светлина трябва да има непрекъснат спектър, но на практика се оказва различно:

електроните на атомите излъчват светлина с линеен спектър. Датският физик Нилс Бор е първият, който се опитва да разреши противоречията на планетарния ядрен модел на структурата на атома.

Постулатите на Бор

Бор основава теорията си на два постулата. Първият постулат: една атомна система може да бъде само в специални стационарни или квантови състояния, всяко от които има своя собствена енергия; в неподвижно състояние атомът не излъчва.

Това означава, че един електрон (например във водороден атом) може да бъде в няколко добре дефинирани орбити. Всяка орбита на електрон съответства на добре дефинирана енергия.

Вторият постулат: по време на прехода от едно стационарно състояние в друго се излъчва или поглъща квант електромагнитно излъчване. Енергията на фотона е равна на разликата между енергиите на атом в две състояния: hv = E m -Ε n; з= 6,62 10 -34 J s, където ч -Константа на Планк.

Когато един електрон се движи от близка орбита към по-далечна, атомната система поглъща квант енергия. При преминаване от по-далечна орбита на електрон към близка орбита по отношение на ядрото, атомната система излъчва квант енергия.

Теорията на Бор дава възможност да се обясни съществуването на линейни спектри.

До края на 19-ти век повечето учени си представят атома като неразложима и неделима частица на елемент – „крайния възел” на материята. Също така се смяташе, че атомите са неизменни: атом от даден елемент при никакви обстоятелства не може да се трансформира в атом на друг елемент.

Краят на 19-ти и началото на 20-ти век се характеризират с нови открития във физиката и химията, които променят възгледа за атома като неизменна частица, свидетелстващи за сложния състав на атомите и възможността за тяхното взаимно преобразуване.

Това включва преди всичко откриването на електрона от английския физик Томсън през 1897 г., откриването и изследването на радиоактивността в края на 90-те години на 19 век. А. Бекерел, Мария и Пиер Кюри, Е. Ръдърфорд.

Около началото на ХХ век. изследвания на редица явления (излъчване на нажежени тела, фотоефект, атомни спектри) доведоха до извода, че енергията се разпределя и предава, поглъща и излъчва не непрекъснато, а дискретно, на отделни порции – кванти. Енергията на система от микрочастици също може да приема само определени стойности, които са кратни на квантите.

Предположението за квантовата енергия е изразено за първи път от М. Планк (1900). Енергията на квант E е пропорционална на честотата на излъчване ν:

където h е константата на Планк (6,626 10 -34 Js), ν =, s е скоростта на светлината,  е дължината на вълната.

През 1905 г. А. Айнщайн предсказва, че всяко излъчване е поток от енергийни кванти, наречени фотони. От теорията на Айнщайн следва, че светлината има двойна природа.

През 1911 г. Ръдърфорд предлага ядрен планетарен модел на атома, състоящ се от тежко ядро, около което електроните се движат по орбитала, подобно на планетите от Слънчевата система. Въпреки това, както показва теорията на електромагнитното поле, електроните в този случай трябва да се движат по спирала, непрекъснато излъчвайки енергия, и да падат върху ядрото.

Датският учен Н. Бор, използвайки модела на Ръдърфорд и теорията на Планк, предложи първия квантов модел (1913) на структурата на водородния атом, според който електроните се движат около ядрото не по каквито и да е, а само по разрешени орбити, в които електронът има определени енергии. Когато един електрон се движи от една орбита в друга, атомът поглъща или излъчва енергия под формата на кванти. Теорията на Бор направи възможно изчисляването на енергията на електроните, стойностите на енергийните кванти, излъчвани по време на прехода на електрон от едно ниво на друго. Тя не само обясни физическата природа на атомните спектри в резултат на прехода на електрони от една стационарна орбита към друга, но и направи възможно за първи път да се изчислят спектрите. Изчислението на Бор за спектъра на най-простия атом, водородния атом, дава блестящи резултати: изчисленото положение на спектралните линии във видимата част на спектъра съвпада с тяхното действително местоположение в спектъра. Но теорията на Бор не може да обясни поведението на електрона в магнитно поле и всички атомни спектрални линии се оказват неподходящи за многоелектронни атоми. Възникна необходимостта от нов атомен модел, базиран на открития в микросвета.

2.3. Квантовомеханичен модел на водородния атом. Първоначални концепции на квантовата механика

През 1924г. Луи дьо Бройл (Франция) изложи предположението, че електронът, подобно на други микрочастици, се характеризира с двойственост на вълната и частиците. Де Бройл предложи уравнение, свързващо дължината на вълната (λ) на електрон или всяка друга частица с маса (m) и скорост (v):

Вълни от частици материя дьо Бройл нарича материални вълни. Те са общи за всички частици или тела, но, както следва от уравнението, за макротелата дължината на вълната е толкова малка, че не може да бъде открита в момента. И така, за тяло с маса 1000 kg, движещо се със скорост 108 km / h (30 m / s), λ = 2,21 10 -38 m.

Хипотезата на Де Бройл е експериментално потвърдена от откриването на дифракционните и интерференционни ефекти на електронния поток. В момента дифракцията на потоци от електрони, неутрони, протони се използва широко за изследване на структурата на веществата.

През 1927 г. В. Хайзенберг (Германия) постулира принципа на неопределеността, според който позицията и импулса на субатомна частица (микрочастица) не могат да бъдат определени по принцип по всяко време с абсолютна точност. Само едно от тези свойства може да бъде определено в даден момент. Е. Шрьодингер (Австрия) през 1926 г. извежда математическо описание на поведението на електрон в атом. Същността му се крие във факта, че движението на електроните в атома се описва с вълново уравнение, а местоположението на електрона се определя според вероятностните принципи. Уравнението на Шрьодингер, което е в основата на съвременната квантово-механична теория на атомната структура, има формата (в най-простия случай):

където h е константата на Планк, m е масата на частицата, U е потенциалната енергия; Е - обща енергия x, y, z - координати; ψ е вълновата функция.

За да се характеризира състоянието на електрона, вълновата функция ψ е от особено значение. Неговият квадрат, ψ 2, има определено физическо значение. Величината ψ 2 dv изразява вероятността за намиране на електрон в обема на пространството dv около атомно ядро. В момента уравнението има точно решение само за водород и водородоподобни частици He +, Li 2 +, т.е. за едноелектронни частици. Решаването на това уравнение е трудно и извън обхвата на този курс.

Работите на Планк, Айнщайн, Бор, дьо Бройл, Хайзенберг, Шрьодингер поставят основата на квантовата механика, която изучава движението и взаимодействието на микрочастиците. Той се основава на концепцията за квантовата енергия, вълновата природа на движението на микрочастиците и вероятностния (статистически) метод за описание на микрообекти.

Изпратете добрата си работа в базата от знания е лесно. Използвайте формуляра по-долу

Студенти, специализанти, млади учени, които използват базата от знания в своето обучение и работа, ще Ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛНА ДЪРЖАВНА БЮДЖЕТНА УЧЕБНА ИНСТИТУЦИЯ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

"ДЪРЖАВЕН ПЕТРОЛЕН ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ УФА"

Катедра по физика

ЕСЕ

Темарезюме: "Еволюция на идеите за структурата на атомното ядро"

ЗАВЪРШЕН ОТ: СВ. GR. BTE 13-01 A.A. АБДРАХМАНОВ

ПРОВЕРЕНО ОТ: УЧИТЕЛ А. А. Е. КУРАМШИН

UFA 2014

Въведение

Главна част

Постулатите на Бор

Структурата на атомното ядро

Експериментите на Ръдърфорд

Заключение

Въведение

Атомите, първоначално смятани за неделими, са сложни системи. Те имат масивно ядро от протони и неутрони, около което се движат електрони в празно пространство. Атомите са много малки - размерът им е около 10-10-10-9 m, а размерът на ядрото все още е около 100 000 пъти по-малък (10-15-10-14 m). Следователно атомите могат да се „видят“ само индиректно, в изображение с много голямо увеличение (например с помощта на автоелектронен проектор). Но дори и в този случай атомите не могат да бъдат разгледани подробно. Нашите познания за тяхната вътрешна структура се основават на огромно количество експериментални данни, които косвено, но убедително свидетелстват в полза на горното.

Концепцията за структурата на атома се промени радикално през 20-ти век. под влияние на нови теоретични идеи и експериментални данни. При описанието на вътрешната структура на атомното ядро все още има нерешени въпроси, които са обект на интензивни изследвания. Следващите раздели описват историята на развитието на идеите за структурата на атома като цяло; отделна статия (СТРУКТУРА НА АТОМНОТО ЯДРО) е посветена на структурата на ядрото, тъй като тези концепции са се развили до голяма степен независимо. Енергията, необходима за изследване на външните обвивки на атома, е сравнително малка, от порядъка на топлинната или химическата енергия. Поради тази причина електроните са открити експериментално много преди откриването на ядрото.

За да получите представа за размера на атома и празното пространство, което заема, помислете за атомите, които съставляват капка вода с диаметър 1 mm. Ако умствено увеличите тази капка до размера на Земята, тогава водородните и кислородните атоми, включени във водната молекула, ще имат диаметър 1-2 m. Основната част от масата на всеки атом е концентрирана в неговото ядро, чийто диаметър е само 0,01 мм ...

Главна част

Еволюция на представите за структурата на атомите

Откриването на сложната структура на атома е най-важният етап от формирането на съвременната физика. В процеса на създаване на количествена теория за структурата на атома, която позволи да се обяснят атомните системи, се формират нови идеи за свойствата на микрочастиците, които се описват от квантовата механика.

Концепцията за атомите като неделими малки частици от вещества, както беше отбелязано по-горе, възниква в древни времена (Демокрит, Епикур, Лукреций). През Средновековието теорията за атомите, тъй като е материалистична, не получава признание. До началото на 18 век. атомистичната теория набира все по-голяма популярност. По това време работите на френския химик А. Лавоазие (1743-1794), големия руски учен М.В. Ломоносов и английският химик и физик Д. Далтън (1766-1844) доказаха реалността на съществуването на атомите. По това време обаче въпросът за вътрешната структура на атомите дори не е възникнал, тъй като атомите се считат за неделими.

Изключителният руски химик Д.И. Менделеев, който разработва през 1869 г. периодичната таблица на елементите, в която въпросът за единната природа на атомите е повдигнат за първи път на научна основа. През втората половина на XIX век. експериментално е доказано, че електронът е една от основните части на всяко вещество. Тези заключения, както и множество експериментални данни доведоха до факта, че в началото на XX в. въпросът за структурата на атома възникна сериозно.

Наличието на редовна връзка между всички химични елементи, ясно изразена в периодичната система на Менделеев, предполага, че структурата на всички атоми се основава на общо свойство: всички те са тясно свързани един с друг.

Въпреки това до края на XIX век. химията беше доминирана от метафизичното убеждение, че атомът е най-малката частица от простата материя, последната граница на делимостта на материята. По време на всички химични трансформации само молекулите се разрушават и създават отново, докато атомите остават непроменени и не могат да бъдат разделени на по-малки части.

Различни предположения за структурата на атома не се потвърждават от никакви експериментални данни от дълго време. Едва в края на 19 век. бяха направени открития, които показаха сложността на структурата на атома и възможността за трансформиране при определени условия на едни атоми в други. Въз основа на тези открития теорията за структурата на атома започва да се развива бързо.

Първото косвено потвърждение за сложната структура на атомите е получено при изследването на катодните лъчи, възникващи от електрически разряд в силно разредени газове. Изследването на свойствата на тези лъчи доведе до заключението, че те са поток от малки частици, носещи отрицателен електрически заряд и летящи със скорост, близка до скоростта на светлината. С помощта на специални техники беше възможно да се определи масата на катодните частици и големината на техния заряд, за да се установи, че те не зависят от естеството на газа, оставащ в тръбата, или от веществото, от което са електродите направени или при други експериментални условия. Освен това катодните частици са познати само в заредено състояние и не могат да бъдат лишени от зарядите си и да бъдат превърнати в електрически неутрални частици: електрическият заряд е същността на тяхната природа. Тези частици, наречени електрони, са открити през 1897 г. от английския физик Дж. Томсън.

Изследването на структурата на атома на практика започва през 1897-1898 г., след като окончателно е установена природата на катодните лъчи като поток от електрони и се определя големината на заряда и масата на електрона. Томсън предложи първия модел на атома, представяйки атома като бучка материя с положителен електрически заряд, в която са разпръснати толкова много електрони, което го превръща в електрически неутрално образувание. В този модел се предполагаше, че под въздействието на външни влияния електроните могат да осцилират, тоест да се движат с ускорена скорост. Изглежда, че това даде възможност да се отговори на въпроси относно излъчването на светлина от атоми на материята и гама лъчи от атоми на радиоактивни вещества.

Моделът на Томсън на атома не приема положително заредени частици вътре в атома. Но как тогава да обясним излъчването на положително заредени алфа-частици от радиоактивни вещества? Моделът на Томсън на атома не отговори и на някои други въпроси.

През 1911 г. английският физик Е. Ръдърфорд, докато изучава движението на алфа-частиците в газове и други вещества, открива положително заредената част на атома. По-нататъшни по-задълбочени проучвания показват, че когато лъч от успоредни лъчи преминава през слоеве от газ или тънка метална плоча, вече не излизат успоредни лъчи, а донякъде се разминават: възниква разсейване на алфа-частиците, т.е. тяхното отклонение от оригинала пътека. Ъглите на отклонение са малки, но винаги има малък брой частици (около една на няколко хиляди), които се отклоняват много силно. Някои частици се хвърлят назад, сякаш по пътя се срещне непроницаемо препятствие. Те не са електрони - масата им е много по-малка от масата на алфа частиците. Отклонение може да възникне при сблъсък с положителни частици, чиято маса е от същия порядък като масата на алфа частиците. Въз основа на тези съображения Ръдърфорд предложи следната схема за структурата на атома.

В центъра на атома има положително заредено ядро, около което електроните се въртят в различни орбити. Центробежната сила, произтичаща от тяхното въртене, се балансира от привличането между ядрото и електроните, в резултат на което те остават на определени разстояния от ядрото. Тъй като масата на електрона е незначителна, почти цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро. Ядрото и електроните, чийто брой е сравнително малък, представляват само незначителна част от цялото пространство, заето от атомната система.

Схемата на атомната структура, предложена от Ръдърфорд, или, както обикновено казват, планетарният модел на атома, лесно обяснява явленията на отклонение на алфа-частиците. Наистина, размерите на ядрото и електроните са изключително малки в сравнение с размерите на целия атом, които се определят от орбитите на най-отдалечените от ядрото електрони, така че повечето алфа частици преминават през атомите без забележимо отклонение. Само в случаите, когато алфа-частицата се приближава много близо до ядрото, електрическото отблъскване причинява рязкото й отклонение от първоначалния път. Така изучаването на разсейването на алфа-частиците положи основата на ядрената теория на атома.

Постулатите на Бор

Планетарният модел на атома даде възможност да се обяснят резултатите от експериментите за разсейване на алфа частици от материята, но възникнаха фундаментални трудности при обосноваването на стабилността на атомите.

Първият опит за изграждане на качествено нова - квантова - теория на атома е направен през 1913 г. от Нилс Бор. Той си постави за цел да свърже в едно цяло емпиричните закони на линейните спектри, ядрения модел на Ръдърфорд на атома и квантовата природа на излъчването и поглъщането на светлината. Бор основава теорията си на ядрения модел на Ръдърфорд. Той предположи, че електроните се движат около ядрото по кръгови орбити. Движението по периферията, дори при постоянна скорост, има ускорение. Това ускорено движение на заряда е еквивалентно на променлив ток, който създава променливо електромагнитно поле в пространството. Необходима е енергия, за да се създаде това поле. Енергията на полето може да се създаде благодарение на енергията на кулоновото взаимодействие на електрона с ядрото. В резултат на това електронът трябва да се движи по спирала и да падне върху ядрото. Опитът обаче показва, че атомите са много стабилни образувания. Оттук следва, че резултатите от класическата електродинамика, базирани на уравненията на Максуел, са неприложими за вътрешно-атомни процеси. Необходимо е да се намерят нови модели. Бор основава теорията си за атома на следните постулати.

Първо постулат Бора (постулат стационарен състояния): v атом съществува стационарен (не променящ се с време) държави, v който той не излъчва енергия. Стационарен държави атом отговарят стационарен орбити, На който се движат електрони. Движение електрони На стационарен орбити не придружено от радиация електромагнитни вълни.

Този постулат е в противоречие с класическата теория. В стационарно състояние на атома, електрон, движещ се по кръгова орбита, трябва да има дискретни квантови стойности на ъгловия импулс.

Второ постулат Бора (правило честоти): в преход електрон С един стационарен орбити на друг излъчвани (абсорбиран) един фотон С енергия

равни разлики енергии съответните стационарен държави (Ен и Ем - съответно енергия стационарен държави атом преди и след радиация / абсорбция).

Преходът на електрон от стационарна орбита с номер m към неподвижна орбита с номер нсъответства на преминаването на атом от състояние с енергия Емв състояние с енергия En (фиг. 1).

Ориз. 1 Към обяснение на постулатите на Бор

Когато En> Em се излъчва фотон (преход на атом от състояние с по-висока енергия в състояние с по-ниска енергия, тоест преход на електрон от орбита, по-далеч от ядрото, към по-близка), когато En< Еm - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

квантови преходи и определя линейния спектър на атома.

Теорията на Бор брилянтно обясни експериментално наблюдавания линеен спектър на водорода.

Успехите на теорията за водородния атом са постигнати с цената на изоставяне на основните положения на класическата механика, която несъмнено е валидна повече от 200 години. Следователно прякото експериментално доказателство за валидността на постулатите на Бор беше от голямо значение, особено първото - за съществуването на стационарни състояния. Вторият постулат може да се разглежда като следствие от закона за запазване на енергията и хипотезата за съществуването на фотони.

Германските физици Д. Франк и Г. Херц, изучавайки сблъсъка на електрони с газови атоми по метода на забавящия потенциал (1913), експериментално потвърдиха съществуването на стационарни състояния и дискретността на атомните енергии.

Въпреки несъмнен успех на концепцията на Бор по отношение на водородния атом, за който се оказа възможно да се изгради количествена теория на спектъра, не беше възможно да се създаде подобна теория за следващия водороден атом хелий на базата на Идеите на Бор. Теорията на Бор направи възможно да се направят само качествени (макар и много важни) заключения относно хелиевия атом и по-сложните атоми. Концепцията за определени орбити, по които се движи електрон в атом на Бор, се оказа доста произволна. Всъщност движението на електроните в атома няма много общо с движението на планетите в орбити.

В момента, използвайки квантовата механика, можете да отговорите на много въпроси относно структурата и свойствата на атомите на всякакви елементи.

атомно ядро бор менделеев

Структурата на атомното ядро

Ниво на нуклон

Приблизително 20 години след като Ръдърфорд "вижда" ядрото му във вътрешността на атом, е открит неутрон - частица по всичките си свойства е същата като ядрото на водороден атом - протон, но само без електрически заряд. Неутронът се оказа изключително удобен за изследване на вътрешността на ядрата. Тъй като е електрически неутрално, електрическото поле на ядрото не го отблъсква – съответно дори бавните неутрони могат свободно да се приближават до ядрото на разстояния, на които започват да се проявяват ядрени сили. След откриването на неутрона, физиката на микросвета се придвижва напред със скокове и граници.

Скоро след откриването на неутрона двама физици-теоретици - германският Вернер Хайзенберг и съветският Дмитрий Иваненко - изказаха хипотезата, че атомното ядро се състои от неутрони и протони. На него се основава съвременното разбиране за структурата на ядрото.

Протоните и неутроните са обединени от думата нуклон. Протоните са елементарни частици, които са ядрата на атомите на най-лекия химичен елемент - водорода. Броят на протоните в ядрото е равен на поредния номер на елемента в периодичната таблица и се обозначава с Z (броя на неутроните - N). Протонът има положителен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на елементарния електрически заряд. Той е около 1836 пъти по-тежък от електрон. Протонът се състои от два i-кварка със заряд Q = + 2/3 и един d-кварк с Q = - 1/3, обвързани от глюонното поле. Той има крайни размери от порядъка на 10-15 m, въпреки че не може да бъде представен като твърда топка, по-скоро прилича на облак с размита граница, състоящ се от изникващи и унищожаващи се виртуални частици.

Електрическият заряд на неутрона е 0, масата му е около 940 MeV. Неутронът се състои от един u-кварк и два d-кварка. Тази частица е стабилна само в състава на стабилни атомни ядра, свободен неутрон се разпада на електрон, протон и електрон антинеутрино. Времето на полуразпад на неутрона (времето, необходимо за разпадането на половината от първоначалния брой неутрони) е около 12 минути. В материята в свободна форма неутроните съществуват още по-малко време поради силното им поглъщане от ядрата. Подобно на протона, неутронът участва във всички видове взаимодействия, включително и в електромагнитното: с обща неутралност, поради сложната си вътрешна структура, в него съществуват електрически токове.

В ядрото нуклоните са свързани със сили от специален вид - ядрени. Една от характерните им особености е действието на малък обсег: на разстояния от порядъка на 10-15 m и по-малко те превишават всякакви други сили, в резултат на което нуклоните не се разпръскват под действието на електростатично отблъскване на еднакво заредени протони . На големи разстояния ядрените сили много бързо намаляват до нула.

Механизмът на действие на ядрените сили се основава на същия принцип като електромагнитния - на обмена на взаимодействащи обекти с виртуални частици.

В квантовата теория виртуалните частици са частици, които имат същите квантови числа (спин, електрически и барионни заряди и т.н.) като съответните реални частици, но за които обичайната връзка между енергия, импулс и маса не е валидна.

Експериментите на Ръдърфорд

В магнитно поле потокът от радиоактивно лъчение се разпада на 3 компонента: алфа лъчи, бета лъчи и гама лъчи.

Явлението радиоактивност свидетелства за сложната структура на атома

Опитът на Ръдърфорд за алфа разсейване

1911 г - Е. Ръдърфорд поставя експеримент за разсейване на алфа частици. Сноп от алфа частици беше прекаран през тънко златно фолио.

Златото е избрано като много пластичен материал, от който е възможно да се получи фолио с дебелина практически един атомен слой.

Някои алфа частици преминаха през фолиото, създавайки размазване на екрана, докато следи от други алфа частици бяха уловени на страничните екрани.

Опитът показва, че положителният заряд на атома е концентриран в много малък обем - ядрото, а между ядрата на атомите има големи пролуки.

Ръдърфорд показа, че моделът на Томсън е в противоречие с неговите експерименти.

Заключение

В заключение стигаме до извода, че концепцията на Ръдърфорд - Бор вече е повече частици от абсолютната истина, въпреки че по-нататъшното развитие на физиката разкри много грешки в тази концепция. Още повече от абсолютно верните знания се съдържат в квантовата механична теория на атома.

Откриването на сложната структура на атома се превърна в най-голямото събитие във физиката, тъй като идеите на класическата физика за атомите като твърди и неделими структурни единици на материята бяха опровергани

Списък на използваните източници

1. Физика за всички / Л. Купър – „Светът“ 1974г

2. Физици / Храмов Ю. А. - "Наука" 1983г

3. Физика -9.11 / Peryshkin A.V. - "Дроша" 2004

4.P.S. Кудрявцев. "Курс по история на физиката" Москва 1982 г.

5. М.П. Бронщайн. "Атоми и електрони" М. 1980г.

6. Интернет ресурси.

7.http: //www.rcio.rsu.ru/.

Публикувано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Анализ на развитието на идеите на атомизма в историята на науката. Ролята на елементарните частици и физическия вакуум в структурата на атома. Същността на съвременната теория на атомизма. Анализ на квантовия модел на атома. Въвеждане на понятието "молекула" от Пиер Гасенди. Откриване на ефекта на Комптън.

тест, добавен на 15.01.2013

Изучаване на концепцията за динамичната структура на атома в пространството. Изучаване на структурата на атома и атомното ядро. Описания на динамиката на движението на телата в реалното пространство на потенциалните сфери. Анализ на спиралното движение на квантовите частици в свободното пространство.

резюме добавено на 29.05.2013 г

Планетарният модел на Ръдърфорд на атома. Състав и характеристики на атомното ядро. Маса на ядрото и енергия на свързване. Енергията на свързване на нуклони в ядрото. Взаимодействие между заредени частици. Големият адронен колайдер. Разпоредбите на теорията на физиката на елементарните частици.

курсовата работа е добавена на 25.04.2015 г

Историята на откритията в областта на структурата на атомното ядро. Модели на атома преди Бор. Откриване на атомното ядро. Атом на бора. Разделяне на ядрото. Протонно-неутронен модел на ядрото. Изкуствена радиоактивност. Структурата и най-важните свойства на атомните ядра.

реферат, добавен на 05/08/2003

Модели на структурата на атома. Форми на атомни орбитали. Енергийни нива на атома. Атомна орбитала като област около ядрото на атом, в която е най-вероятно да бъде открит електрон. Концепцията за протон, неутрон и електрон. Същността на планетарния модел на структурата на атома.

презентация добавена на 09/12/2013

Складове на части от атома: ядро, протони, неутрони и електроника. Планетарен модел на атома или модел на Ръдърфорд. Керована и неизрязана ланцюг ядрена реакция. Разбиране на ядрената вибуху като процес на развитие на голямо количество топлинна и обменна енергия.

презентация добавена на 21.05.2012 г

Откриването на сложната структура на атома е най-важният етап от формирането на съвременната физика. В процеса на създаване на количествена теория на атомната структура, обясняваща атомните системи, се формират идеи за свойствата на микрочастиците, описани от квантовата механика.

резюме, добавен на 01/05/2009

Историята на възникването и развитието на атомистичната теория. Концепциите на Платон и Аристотел за непрекъснатостта на материята. Корпускулярна кинетична теория на топлината, откриването на радиоактивността. Ранен планетарен модел на атома Нагаока. Определяне на заряда на електрона.

презентация добавена на 28.08.2013 г

Еволюция на идеите за структурата на атомите на примера на модели на Ърнест Ръдърфорд и Нилс Бор. Стационарни орбити и енергийни нива. Обяснение на произхода на линейните емисионни и абсорбционни спектри. Предимства и недостатъци на теорията на Н. Бор.

резюме добавено на 19.11.2014 г

Етапи на изследване на структурата на атома от учени Томсън, Ръдърфорд, Бор. Схеми на техните експерименти и интерпретация на резултатите. Планетарният модел на атома на Ръдърфорд. Квантовите постулати на Бор. Схеми за преход от стационарно състояние към възбудено състояние и обратно.

Концепцията за "атом" е била известна в древността и е била използвана за описване на идеите за структурата на заобикалящия свят от древногръцките философи, така че Левкип (500-200 г. пр. н. е.) твърди, че светът се състои от най-малките частици и празнота, а Демокрит наричани тези частици са атоми и вярвали, че те съществуват вечно и са в състояние да се движат. Според идеите на древните философи атомите са били толкова малки, че не могат да бъдат измерени, а формата и външната разлика придават свойства на определени тела. Например, атомите на желязото трябва да имат "зъби", за да се зацепят един с друг и да образуват твърдо вещество, докато водните атоми, напротив, трябва да са гладки и да се търкалят, за да осигурят течливост на водата. Първото предположение за способността на атомите да взаимодействат независимо един с друг е направено от Епикур.

М.В. Ломоносов, той разграничава два етапа в структурата на материята: елементи (атоми, според нашето разбиране) и корпускули (молекули). Ломоносов твърди, че простите вещества се състоят от атоми от един вид, а сложните - от различни атоми.

Атомно-молекулярната теория получава световно признание благодарение на Дж. Далтън, който, за разлика от древногръцките философи, при формулирането на своите твърдения разчита само на експериментални данни. Дж. Далтън въведе една от най-важните характеристики на атома - атомната маса, чиито относителни стойности бяха установени за редица елементи. Но въпреки неговите открития, атомът се смяташе за неделим.

След получаване на експериментални доказателства (края на XIX - началото на XX век), сложността на структурата на атома: откриването на фотоелектричния ефект (излъчване на електрически носители на заряд от повърхността на металите, когато те са осветени), катод (потокът на отрицателно заредени частици - електрони, в тръба, съдържаща катод и анод) и рентгенови лъчи (излъчване на силно електромагнитно лъчение от вещества, подобни на видимата светлина, но с по-висока честота, когато катодните лъчи действат върху тези вещества), радиоактивност (спонтанното преобразуване на един елемент в друг, при което има излъчване на електрони, положително заредени и други частици, както и рентгеново лъчение) е установено, че атомът се състои от отрицателно и положително заредени частици, които взаимодействат с взаимно. Тези открития дават тласък за създаването на първите модели на структурата на атома.

Един от първите модели на атома е разработен от W. Thomson (1902) Според W. Thomson атомът е куп положително заредена материя, електроните са равномерно разпределени вътре, а водородният атом е положително заредена топка с електрон вътре (фиг. 1а). Този модел е усъвършенстван от J. Thomson (1904) (фиг. 1b). През същата година японският физик Х. Нагаока предлага „сатурнов модел“ на структурата на атома, като приема, че атомът е подобен на планетата Сатурн – в центъра е ядро, заобиколено от пръстени, по които се движат електроните (фиг. . 1в).

Друг модел е предложен от немския физик Филип фон Ленард, според който атомът се състои от изключително малки неутрални частици (в резултат по-голямата част от атома е празнота), всяка от които е електрически дублет (фиг. 1г).

Ориз. 1. Модели на структурата на атома: а - У. Томсън; б - Дж. Томсън; в - Х. Нагаока; г-н Ф. Ленард

След експерименти с частици, през 1911г. Ръдърфорд предложи т.нар планетарен моделструктурата на атома, подобна на структурата на Слънчевата система (малко положително заредено ядро в центъра на атома, което съдържа почти цялата маса на атома, около която се движат електроните в орбити). Планетарният модел е доразвит в трудовете на Н. Бор, А. Зомерфелд и др.

Съвременният модел на структурата на атома се основава на познанията на квантовата механика, чиято основна теза е, че микрочастиците са с вълнова природа, а вълните са свойствата на частиците. Квантовата механика разглежда вероятността за намиране на електрон около ядрото. Пространството около ядрото, в което е най-вероятно да се намери електронът, се нарича орбитала.

Изотопи

Изотопите са атоми с еднакъв ядрен заряд, но различни маси. Такива атоми имат практически същата структура на електронната обвивка и принадлежат към един и същи елемент. Изследването на природните съединения на различни елементи показва наличието на стабилни изотопи в повечето елементи на периодичната система. За всички елементи на периодичната таблица броят на естествено срещащите се изотопи достига 280.

Най-яркият пример за изотопия може да се нарече изотопите на водорода - водород, деутерий и тритий. В природата се срещат водород и деутерий. Тритият се получава изкуствено.

Нестабилните изотопи, т.е. притежаващи способността да се спонтанно разпадат, се наричат радиоактивни изотопи. Те могат да бъдат намерени и в естествени съединения на определени елементи.

Съставът на ядрото на атома. Ядрени реакции

Ядрото на атома съдържа много елементарни частици, най-важните от които са протонът (p) и неутронът (n). Масата на протона е 1,0073 amu, заряд +1, докато неутронът е електрически неутрален (заряд 0) и има маса от 1,0087 amu.

Съгласно протонно-неутронната теория за структурата на ядрото (DD Ivanenko, EN Gapon, 1932), ядрата на всички атоми, с изключение на водорода, се състоят от Z протони и (AZ) неутрони (Z е поредният номер на елемента , A е масовото число). Броят на електроните е равен на броя на протоните.

където N е броят на неутроните.

Свойствата на ядрото се определят от неговия състав (числа p и n). Така например в кислородния атом има 16 8 O 8 протона и 16-8 = 8 неутрона, което накратко се записва като 8p, 8n.

Вътре в ядрата p и n могат да се трансформират (при определени условия) един в друг:

където e + е позитрон (елементарна частица с маса, равна на масата на електрон m и заряд +1), и и са неутрино и антинеутрино, елементарни частици с маса и заряд, равни на нула, различаващи се само по въртене.

Ядрени реакции - трансформация на атомни ядра, в резултат на взаимодействието им с елементарни частици или помежду си. При записване на уравненията на ядрените реакции е необходимо да се вземат предвид законите за запазване на масата и заряда. Например: 27 13 Al + 4 2 He = 30 14 Si + 1 1 H.

Характеристика на ядрените реакции е освобождаването на огромно количество енергия под формата на кинетична енергия на получените частици или радиация.

задачи:

1. Определете броя на протоните, неутроните и електроните в S, Se, Al, Ru атомите.

2. Завършване на ядрените реакции: 14 7 N + 4 2 He =; 12 6 C + 1 0 n =.

Отговори:

1.S: Z = 16, A = 32, следователно 16p, 16e, 32-16 = 16n

Se: Z = 34, A = 79, следователно 34p, 34e, 79-34 = 45n

Al: Z = 13, A = 27, следователно 13p, 13e, 27-13 = 14n

Ru: Z = 44, A = 101, следователно 44p, 44e, 101-44 = 57n

2,14 7 N + 4 2 He = 17 8 O + 1 1 H

12 6 C + 1 0 n = 9 4 Be + 4 2 He