Розвиток поглядів на розвиток атома хімія. Еволюція поглядів на будову ядра атома. Періодична система елементів

Розділ фізики, що вивчає внутрішній устрій атомів. Атоми, що спочатку вважалися неподільними, є складними системами. Вони мають потужне ядро, що складається з протонів і нейтронів, навколо якого в порожньому просторі рухаються електрони. Атоми дуже малі – їх розміри близько 10 –10 –10 –9 м, а розміри ядра ще приблизно 100 000 разів менше (10 –15 –10 –14 м). Тому атоми можна побачити тільки непрямим шляхом, на зображенні з дуже великим збільшенням (наприклад, за допомогою автоелектронного проектора). Але й у разі атоми не вдається розглянути в деталях. Наші знання про їхній внутрішній пристрій засновані на величезній кількості експериментальних даних, які побічно, але переконливо свідчать на користь сказаного вище.

Уявлення про будову атома радикально змінилися у 20 ст. під впливом нових теоретичних ідей та експериментальних даних. В описі внутрішньої будови атомного ядра досі залишаються невирішені питання, які є предметом інтенсивних досліджень. У наступних розділах викладається історія розвитку поглядів на будову атома як цілого; будові ядра присвячена окрема стаття ( АТОМНОГО ЯДРУ БУДОВА), оскільки ці уявлення розвивалися значною мірою незалежно. Енергія, необхідна дослідження зовнішніх оболонок атома, відносно невелика, порядку теплової чи хімічної енергії. Тому електрони були експериментально виявлені задовго до відкриття ядра.

Ядро ж за його малих розмірів дуже пов'язано, отже зруйнувати і досліджувати його можна лише з допомогою сил, мільйони разів інтенсивніших, ніж сили, діючі між атомами. Швидкий прогрес у розумінні внутрішньої структури ядра розпочався лише з появою прискорювачів частинок. Саме ця величезна відмінність розмірів та енергії зв'язку дозволяє розглядати структуру атома в цілому окремо від структури ядра.

Щоб скласти уявлення про розміри атома та незаповненість займаного ним простору, розглянемо атоми, що становлять краплю води діаметром 1 мм. Якщо подумки збільшити цю краплю до розмірів Землі, то атоми водню і кисню, що входять у молекулу води, матимуть у діаметрі 1–2 м. Основна частина маси кожного атома зосереджена в його ядрі, діаметр якого при цьому становив всього 0,01 мм. .

Історію виникнення найзагальніших уявлень про атом зазвичай ведуть з часів грецького філософа Демокріта (бл. 460 – бл. 370 до н. е.), який багато міркував про найменші частки, на які можна було б поділити будь-яку речовину. Групу грецьких філософів, які дотримувалися того погляду, що існують подібні крихітні неподільні частки, називали атомістами. Грецький філософ Епікур (бл. 342-270 до н.е.) прийняв атомну теорію, і в першому столітті до н. один із його послідовників, римський поет і філософ Лукрецій Кар, виклав вчення Епікура в поемі «Про природу речей», завдяки якій воно і збереглося для наступних поколінь. Аристотель (384-322 до н.е.), один з найбільших вчених давнини, атомістичну теорію не приймав, і його погляди на філософію та науку переважали згодом у середньовічному мисленні. Атомістичної теорії як би не існувало до кінця епохи Відродження, коли на зміну суто умоглядним філософським міркуванням прийшов експеримент.

В епоху Відродження почалися систематичні дослідження в галузях, які нині називають хімією і фізикою, що принесли з собою нові здогади про природу «неподільних частинок». Р. Бойль (1627-1691) та І. Ньютон (1643-1727) виходили у своїх міркуваннях з уявлення про існування неподільних частинок речовини. Однак ні Бойлю, ні Ньютону не знадобилося детальної атомістичної теорії для пояснення явищ, що їх цікавили, і результати проведених ними експериментів не сказали нічого нового про властивості «атомів».

СТРУКТУРА АТОМА

Закони Дальтона.Першим справді науковим обґрунтуванням атомістичної теорії, що переконливо продемонструвало раціональність і простоту гіпотези про те, що кожен хімічний елемент складається з найдрібніших частинок, стала робота англійського шкільного вчителя математики Дж.Дальтона (1766–1844), стаття якого, присвячена цій проблемі, з'явилася в 180 .

Дальтон вивчав властивості газів, зокрема відношення обсягів газів, що вступали в реакцію утворення хімічної сполуки, наприклад, при утворенні води з водню та кисню. Він встановив, що відносини кількостей водню і кисню, що прореагували, завжди являють собою відносини невеликих цілих чисел. Так, при утворенні води (H 2 O) в реакцію з 16 г кисню вступають 2016 г газоподібного водню, а при утворенні пероксиду водню (H 2 O 2) з 2016 г водню з'єднуються 32 г газоподібного кисню. Маси кисню, що реагують з однією і тією ж масою водню при утворенні цих двох сполук, співвідносяться між собою як невеликі числа:

На основі подібних результатів Дальтон сформулював свій закон кратних відносин. Відповідно до цього закону, якщо два елементи з'єднуються в різних пропорціях, утворюючи різні сполуки, то маси одного з елементів, що з'єднуються з тим самим кількістю другого елемента, співвідносяться як невеликі цілі числа. За другим законом Дальтона, «закону постійних відносин», у будь-якому хімічному поєднанні співвідношення мас елементів, що входять до нього, завжди одне й те саме. Велику кількість експериментальних даних, що відносяться не тільки до газів, але також до рідин і твердих сполук, зібрав Й.Берцеліус (1779-1848), який провів точні вимірювання елементів, що реагують, для багатьох сполук. Його дані підтвердили сформульовані Дальтоном закони та переконливо продемонстрували наявність у кожного елемента найменшої одиниці маси.

Атомні постулати Дальтона мали ту перевагу перед абстрактними міркуваннями давньогрецьких атомістів, що його закони дозволяли пояснити та ув'язати між собою результати реальних дослідів, а також передбачити результати нових експериментів. Він постулював, що 1) всі атоми одного і того ж елемента тотожні у всіх відносинах, зокрема, однакові їх маси; 2) атоми різних елементів мають неоднакові властивості, зокрема, неоднакові їх маси; 3) у з'єднання, на відміну від елемента, входить певне ціле число атомів кожного із складових його елементів; 4) у хімічних реакціях може відбуватися перерозподіл атомів, проте, жоден атом не руйнується і створюється знову. (Насправді, як з'ясувалося на початку 20 ст, ці постулати не цілком суворо виконуються, тому що атоми одного і того ж елемента можуть мати різні маси, наприклад водень має три такі різновиди, звані ізотопами; крім того, атоми можуть зазнавати радіоактивні перетворення і навіть повністю зруйнуватися, але не в хімічних реакціях, що розглядалися Дальтоном.) Заснована цих чотирьох постулатах атомна теорія Дальтона давала найпростіше пояснення законів постійних і кратних відносин.

Хоча закони Дальтона лежать в основі всієї хімії, ними не визначаються фактичні розміри та маси атомів. Вони нічого не говорять про кількість атомів, що містяться у певній масі елемента чи сполуки. Молекули простих речовин занадто малі, щоб їх можна було зважити окремо, тому визначення мас атомів і молекул доводиться вдаватися до непрямим методам.

Число Авогадро.У 1811 А.Авогадро (1776–1856) висунув гіпотезу, яка значно спрощувала аналіз того, як із елементів утворюються сполуки, та встановлювала різницю між атомами та молекулами. Його думка полягала в тому, що рівні обсяги газів, що знаходяться при однакових температурі та тиску, містять одне й те саме число молекул. У принципі натяк на це можна знайти в більш ранній роботі Ж.Гей-Люссака (1778-1850), який встановив, що відношення обсягів газоподібних елементів, що вступають у хімічну реакцію, виражається цілими числами, хоч і відмінними від відносин мас, отриманих Дальтоном. Наприклад, 2 л газоподібного водню (молекули H 2), з'єднуючись з 1 л газоподібного кисню (молекули O 2), утворюють 1 л парів води (молекули H 2 O).

Справжнє число молекул в даному обсязі газу надзвичайно велике, і до 1865 року його не вдавалося визначити з прийнятною точністю. Проте вже за часів Авогадро проводилися грубі оцінки на основі кінетичної теорії газів. Дуже зручною одиницею виміру кількості речовини є моль, тобто. кількість речовини, в якій стільки ж молекул, скільки атомів 0,012 кг найпоширенішого ізотопу вуглецю 12 С. Один моль ідеального газу за нормальних умов (н.у.), тобто. стандартних температурі та тиску, займає об'єм 22,4 л. Число Авогадро – це повне число молекул в одному молі речовини або 22,4 л газу при н.у. Інші методи, такі як рентгенографія, дають для числа Авогадро N 0 більш точні значення, ніж отримані на основі кінетичної теорії. Значення, прийняте нині, таке: 6,0221367Ч10 23 атомів (молекул) щодо одного моле. Отже, в 1 л повітря міститься приблизно 3Ч1022 молекул кисню, азоту та інших газів.

Важлива роль числа Авогадро для фізики атома пов'язана з тим, що дозволяє визначити масу і приблизні розміри атома або молекули. Оскільки маса 22,4 л газоподібного H 2 становить 2,016×10 –3 кг, маса одного атома водню дорівнює 1,67×10 –27 кг. Якщо вважати, що в твердому тілі атоми розташовані впритул один до одного, то число Авогадро дозволить приблизно оцінити радіус. rскажімо атомів алюмінію. Для алюмінію 1 моль дорівнює 0,027 кг, а щільність – 2,7×10 3 кг/м 3 . При цьому маємо

Звідки r» 1,6Ч10 -10 м. Так перші оцінки числа Авогадро дали уявлення про атомні розміри.

Відкриття електрона.Експериментальні дані, пов'язані з утворенням хімічних сполук, підтверджували існування «атомних» частинок і дозволили судити про малі розміри та масу окремих атомів. Проте реальна структура атомів, зокрема і ще менших частинок, складових атоми, залишалася неясною до відкриття Дж.Дж.Томсоном електрона в 1897. До того часу атом вважався неподільним і різницю у хімічних властивостях різних елементів у відсутності свого пояснення. Ще до відкриття Томсона було виконано низку цікавих експериментів, у яких інші дослідники вивчали електричний струм у скляних трубках, наповнених газом за низьких тисків. Такі трубки, названі трубками Гейсслера на ім'я німецького склодува Г.Гейсслера (1815–1879), який першим почав виготовляти їх, випромінювали яскраве свічення, підключені до високовольтної обмотки індукційної котушки. Цими електричними розрядами зацікавився У.Крукс (1832–1919), який встановив, що характер розряду в трубці змінюється залежно від тиску, і повністю зникає при високому вакуумі. Пізніші дослідження Ж.Перрена (1870–1942) показали, що «катодні промені», що викликають свічення, являють собою негативно заряджені частинки, які рухаються прямолінійно, але можуть відхилятися магнітним полем. Однак заряд і маса частинок залишалися невідомими і було неясно, чи однакові всі негативні частинки.

Величезною заслугою Томсона стало доказ того, що всі частинки, що утворюють катодні промені, тотожні один одному і входять до складу речовини. За допомогою розрядної трубки особливого типу, зображеної на рис. 1, Томсон виміряв швидкість і відношення заряду до маси частинок катодних променів, пізніше названих електронами. Електрони вилітали з катода під впливом високовольтного розряду в трубці. Через діафрагми Dі Eпроходили тільки ті, що летіли вздовж осі трубки.

Мал. 1. ВІДНОСИНИ ЗАРЯДУ ДО МАСЕ. Трубка, використана англійським фізиком Дж.Томсоном визначення визначення заряду до масі для катодних променів. Ці досліди призвели до відкриття електрона.

У нормальному режимі ці електрони потрапляли до центру люмінесцентного екрану. (Трубка Томсона була першою «електронно-променевою трубкою» з екраном, попередницею телевізійного кінескопа.) У трубці знаходилася пара пластин електричного конденсатора, які, якщо на них подавалося напруга, могли відхиляти електрони. Електрична сила F E, що діє на заряд eз боку електричного поля Eдається виразом

F E = eE .

Крім того, в тій же ділянці трубки за допомогою пари котушок зі струмом могло створюватися магнітне поле, здатне відхиляти електрони в протилежному напрямку. Сила F H, що діє з боку магнітного поля H, пропорційна напруженості поля, швидкості частки vта її заряду e :

F H = Hev .

Томсон відрегулював електричне і магнітне поля те щоб повне відхилення електронів дорівнювало нулю, тобто. електронний пучок повернувся до початкового положення. Оскільки в цьому випадку обидві сили F Eі F Hрівні, швидкість електронів дається виразом

v = E/H .

Томсон встановив, що ця швидкість залежить від напруги на трубці Vі що кінетична енергія електронів mv 2/2 прямо пропорційна цій напрузі, тобто. mv 2 /2 = eV. (Звідси термін «електрон-вольт» для енергії, що набуває частки із зарядом, рівним заряду електрона при прискоренні різницею потенціалів 1 В.) Комбінуючи це рівняння з виразом для швидкості електрона, він знайшов відношення заряду до маси:

Ці досліди дозволили визначити ставлення e /mдля електрона та дали наближене значення заряду e. Точно величина eбула виміряна Р.Міллікеном, який у своїх дослідах домагався, щоб заряджені крапельки олії висіли у повітрі між пластинами конденсатора. В даний час характеристики електрона відомі з великою точністю:

Таким чином, маса електрона значно менша за масу атома водню:

Експерименти Томсона показали, що електрони в електричних розрядах можуть виникати з будь-якої речовини. Оскільки всі електрони однакові, елементи мають відрізнятися лише числом електронів. Крім того, мала величина маси електронів вказувала на те, що маса атома зосереджена не в них.

Мас-спектрограф Томсона.Незабаром і частину атома, що залишилася, з позитивним зарядом вдалося спостерігати за допомогою тієї ж, хоча і модифікованої, розрядної трубки, що дозволила відкрити електрон. Вже перші експерименти з розрядними трубками показали, що якщо катод з отвором поміщається посередині трубки, то через канал у катоді проходять позитивно заряджені частинки, викликаючи свічення люмінесцентного екрана, розташованого в протилежному від анода кінці трубки. Ці позитивні «каналові промені» теж відхилялися магнітним полем, але у протилежному напрямку електронам.

Томсон вирішив виміряти масу та заряд цих нових променів, також використовуючи для відхилення частинок електричне та магнітне поля. Його прилад вивчення позитивних променів, «мас-спектрограф», схематично зображено на рис. 2. Він відрізняється від приладу, наведеного на рис. 1, тим, що електричне та магнітне поля відхиляють частинки під прямим кутом один до одного, а тому «нульове» відхилення отримати не вдається. Позитивно заряджені атоми на шляху між анодом і катодом можуть втратити один або кілька електронів, і з цієї причини можуть прискорюватися до різних енергій. Атоми одного типу з однаковим зарядом і масою, але з деяким розкидом кінцевих швидкостей, викреслять на люмінесцентному екрані або фотопластинці криву лінію (відрізок параболи). За наявності атомів з різною масою важчі атоми (з тим самим зарядом) відхилятимуться від центральної осі слабше, ніж легші. На рис. 3 наведено фотографію парабол, отриманих на мас-спектрографі Томсона. Найвужча парабола відповідає найважчому одноразово іонізованого атома (тому ртуті), у якого вибито один електрон. Дві найширші параболи відповідають водню, одна – атомарному H+, а інша – молекулярному H2+, причому обидва одноразово іонізовані. У деяких випадках губляться два, три і навіть чотири заряди, проте атомарний водень ніколи не спостерігався іонізованим більш ніж одноразово. Ця обставина було першою вказівкою те що, що у атомі водню лише одне електрон, тобто. це найпростіший з атомів.

Мал. 2. МАС-СПЕКТРОГРАФ, що використовувався Томсоном для визначення відносних значень маси різних атомів щодо відхилення позитивних променів у магнітному та електричному полях.

Мал. 3. МАС-СПЕКТРИ, фотографії з розподілом іонізованих атомів п'яти речовин, одержані в мас-спектрографі. Чим більша маса атомів, тим менше відхилення.

Інші підтвердження складної структури атома.У той час, коли Томсон та інші дослідники експериментували з катодними променями, відкриття рентгенівського випромінювання і радіоактивності принесло додаткові докази складної структури атома. У 1895 В.Рентген (1845-1923) випадково виявив таємниче випромінювання (« Х-промені»), що проникало крізь чорний папір, яким він обертав трубку Крукса при дослідженні зеленої люмінесцентної області електричного розряду. Х-промені викликали світіння віддаленого екрану, покритого кристалічним платиноціанідом барію. Рентген з'ясував, що різні речовини різної товщини, введені між екраном та трубкою, послаблюють свічення, але не гасять його повністю. Це свідчило про надзвичайно високу проникаючу здатність Х-променів. Рентген встановив також, що це промені поширюються прямолінійно і відхиляються під впливом електричних і магнітних полів. Виникнення такого невидимого проникаючого випромінювання під час бомбардування електронами різних матеріалів було чимось новим. Було відомо, що видиме світло від трубок Гейсслера складається з окремих спектральних ліній з певними довжинами хвиль і, отже, пов'язаний з коливаннями атомів, що мають дискретні частоти. Істотна особливість нового випромінювання, що відрізняла його від оптичних спектрів, крім високої проникаючої здатності, полягала в тому, що оптичні спектри елементів з числом електронів, що послідовно зростала, повністю відрізнялися один від одного, тоді як спектри X-променів дуже трохи змінювалися від елемента до елемента.

Ще одним відкриттям, що стосується будови атома, було те, що атоми деяких елементів можуть спонтанно випускати випромінювання. Це було виявлено в 1896 А.Беккерелем (1852–1908). Беккерель відкрив радіоактивність, використовуючи солі урану в процесі вивчення люмінесценції солей під дією світла та її зв'язку з люмінесценцією скла у рентгенівській трубці. В одному з дослідів спостерігалося почорніння фотопластинки, загорнутої в чорний папір і біля уранової солі в повній темряві. Це випадкове відкриття стимулювало інтенсивні пошуки інших прикладів природної радіоактивності і постановку дослідів щодо визначення природи випромінювання, що випускається. У 1898 П.Кюрі (1859–1906) та М.Кюрі (1867–1934) виявили ще два радіоактивні елементи – полоній та радій. Е.Резерфорд (1871-1937), дослідивши проникаючу здатність випромінювання урану, показав, що є два типи випромінювань: дуже «м'яке» випромінювання, яке легко поглинається речовиною і яке Резерфорд назвав альфа-променями, і більш проникаюче випромінювання, яке він назвав бета -Променями. Бета-промені виявились тотожними звичайним електронам, або «катодним променям», що виникають у розрядних трубках. Альфа-промені, як з'ясувалося, мають такі самі заряд і масу, як і атоми гелію, позбавлені двох своїх електронів. Третій тип випромінювання, названий гамма-променями, виявився подібним до X-променями, але мав ще більшу проникаючу здатність.

Всі ці відкриття ясно показали, що атом не є неподільним. Він не тільки складається з дрібніших частин (електронів і більш важких позитивних частинок), але ці та інші субчастинки, мабуть, спонтанно випромінюються при радіоактивному розпаді важких елементів. Крім того, атоми не тільки випромінюють у видимій області з дискретними частотами, але і можуть так збуджуватися, що починають випускати більш «жорстке» електромагнітне випромінювання, а саме X-Промені.

Модель атома Томсон.Дж.Томсон, який зробив величезний внесок в експериментальне вивчення будови атома, прагнув знайти модель, яка б пояснити всі його відомі властивості. Оскільки переважна частка маси атома зосереджена в його позитивно зарядженій частині, він прийняв, що атом є сферичним розподілом позитивного заряду радіусом приблизно 10 -10 м, а на його поверхні знаходяться електрони, що утримуються пружними силами, що дозволяють їм коливатися (рис. 4). Сумарний негативний заряд електронів точно компенсує позитивний заряд, так що атом електрично нейтральний. Електрони знаходяться на сфері, але можуть здійснювати прості гармонійні коливання щодо рівноваги. Такі коливання можуть бути лише з певними частотами, яким відповідають вузькі спектральні лінії, що спостерігаються в газорозрядних трубках. Електрони можна досить легко вибити з їхніх позицій, у результаті виникають позитивно заряджені «іони», у тому числі складаються «каналові промені» у дослідах з мас-спектрографом. X-промені відповідають дуже високим обертонам основних коливань електронів. Альфа-частки, що виникають при радіоактивних перетвореннях, - це частина позитивної сфери, вибита з неї внаслідок якогось енергійного розривання атома.

Мал. 4. АТОМзгідно моделі Томсона. Електрони утримуються всередині позитивно зарядженої сфери пружними силами. Ті з них, які знаходяться на поверхні, можуть досить легко вибиватися, залишаючи іонізований атом.

Однак ця модель викликала низку заперечень. Одне було пов'язано з тим, що, як виявили спектроскопісти, що вимірювали лінії випромінювання, частоти цих ліній не є простими кратними нижчою частоти, як має бути у разі періодичних коливань заряду. Натомість вони зближуються зі збільшенням частоти, якби прагнули до межі. Вже 1885 І.Бальмеру (1825–1898) вдалося знайти просту емпіричну формулу, яка зв'язує частоти ліній видимої частини спектру водню:

де n- Частота, c- Швидкість світла (3Ч10 8 м / с), n- ціле число і R H- Постійний множник. Відповідно до цієї формули, в даній серії спектральних ліній водню повинні бути відсутні лінії з довжиною хвилі lменше 364,56 нм (або з вищими частотами), що відповідає n= Ґ. Так воно і виявилося, і це стало серйозним запереченням проти моделі атома Томсона, хоч і робилися спроби пояснити розбіжність різницею пружних сил, що повертають для різних електронів.

Виходячи з моделі атома Томсона, було також вкрай важко пояснити випромінювання рентгенівськими атомами або гамма-випромінювання.

Труднощі в моделі атома Томсона викликали і ставлення e/mзаряду до маси для атомів, які втратили електрони («каналових променів»). Найпростіший атом - атом водню з одним електроном і порівняно потужною сферою, що несе один позитивний заряд. Значно раніше, в 1815, У.Праут висловив припущення, що все більш важкі атоми складаються з атомів водню, і було б зрозуміло, якби маса атома зростала пропорційно до числа електронів. Однак виміри показали, що відношення заряду до маси різних елементів неоднаково. Наприклад, маса атома неону приблизно в 20 разів більша за масу атома водню, тоді як заряд становить лише 10 одиниць позитивного заряду (у атома неону 10 електронів). Справа була так, якби позитивний заряд мав змінну масу або електронів було дійсно 20, але 10 з них знаходилися всередині сфери.

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

1) Шматочки матерії.
Демокріт вважав, що властивості тієї чи іншої речовини визначаються формою, масою, ін. характеристиками атомів, що його утворюють: у вогню атоми гострі, тому вогонь здатний обпалювати, у твердих тіл вони шорсткі, тому міцно зчіплюються один з одним, у води - гладкі, тому вона здатна текти. Навіть душа людини, згідно з Демокрітом, складається з атомів.
2) "Пудинг з родзинками" (модель Томсона).
Дж. Дж. Томсон запропонував розглядати атом як деяке позитивно заряджене тіло із ув'язненими всередині нього електронами. Ця модель не пояснює серіального характеру випромінювання атома.
3) Атом типу Сатурна. 1904 рік. Хентара Наґаока. Маленьке позитивне ядро, навколо якого, за орбіталями, обертаються електрони.
4) Планетарна модель атома. 1911 рік. Ернест Резерфорд, зробивши низку експериментів, дійшов висновку, що атом є скоріше деяку подобу планетної системи, тобто електрони рухаються навколо позитивно зарядженого важкого ядра, розташованого в центрі атома. Для пояснення стабільності атомів Нільсу Бору довелося запровадити постулати, які зводилися до того, що електрон в атомі, перебуваючи у деяких спеціальних енергетичних станах, не випромінює. Постулати Бора показали, що з опису атома класична механіка непридатна.

Досвід Резерфорда

Ернеста Резерфорда з розсіювання а-частинок при проходженні через тонкі шари речовини. У цих дослідах вузький пучок α -Частинок, що випускаються радіоактивною речовиною, прямував на тонку золоту фольгу. За фольгою містився екран, здатний світитись під ударами швидких частинок. Було виявлено, що більшість α -часток відхиляється від прямолінійного поширення після проходження фольги, тобто розсіюється, а деякі α -частки взагалі відкидаються назад. Розсіювання α -Частинок Резерфорд пояснив тим, що позитивний зарядне розподілено рівномірно у кулі радіусом 10 -10 м, як передбачали раніше, а зосереджений у центральній частині атома - атомному ядрі. При проходженні біля ядра α -Частина, що має позитивний заряд, відштовхується від нього, а при попаданні в ядро - відкидається в протилежному напрямку. Так поводяться частинки, мають однаковий заряд, отже, існує центральна позитивно заряджена частина атома, у якій зосереджена значна маса атома. Розрахунки показали, що для пояснення дослідів потрібно прийняти радіус атомного ядра приблизно 10 -15 μ .

Модель атома за Резерфордом

Суть моделі будови атома по Резерфорду ось у чому: у центрі атома перебуває позитивно заряджене ядро, у якому зосереджена вся маса, навколо ядра по круговим орбітам великих відстані обертаються електрони (як планети навколо Сонця). Заряд ядра збігається з номером хімічного елемента таблиці Менделєєва.

Планетарна модель будови атома по Резерфорду не змогла пояснити низку відомих фактів:

електрон, що має заряд, повинен за рахунок кулонівських сил тяжіння впасти на ядро, а атом – це стійка система; при русі по круговій орбіті, наближаючись до ядра, електрон в атомі повинен випромінювати електромагнітні хвилі всіляких частот, тобто випромінюване світло повинно мати безперервний спектр, на практиці виходить інше:

електрони атомів випромінюють світло, що має лінійний спектр. Вирішити протиріччя планетарної ядерної моделі будови атома першим спробував датський фізик Нільс Бор.

Постулати Бора

В основу своєї теорії Бор поклав два постулати. Перший постулат: атомна система може бути лише у особливих стаціонарних чи квантових станах, кожному з яких відповідає своя енергія; у стаціонарному стані атом не випромінює.

Це означає, що електрон (наприклад, в атомі водню) може бути на кількох цілком певних орбітах. Кожній орбіті електрона відповідає цілком певна енергія.

Другий постулат: при переході з одного стаціонарного стану до іншого випромінюється або поглинається квант електромагнітного випромінювання. Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома у двох станах: hv = Е m –Ε n; h= 6,62 10 -34 Дж с, де h -постійна Планка.

При переході електрона з ближньої орбіти більш віддалену, атомна система поглинає квант енергії. При переході з більш віддаленої орбіти електрона на ближню орбіту до ядра атомна система випромінює квант енергії.

Теорія Бора дозволила пояснити існування лінійних спектрів.

До кінця 19 століття більшість вчених представляла атом як нерозкладну та неподільну частинку елемента - "кінцевий вузол" матерії. Вважалося також, що атоми незмінні: атом даного елемента за жодних умов неспроможна перетворюватися на атом якого – чи іншого елемента.

Кінець 19 і початок 20 століть характеризується новими відкриттями у фізиці та хімії, що змінили погляд на атом, як на незмінну частинку, що свідчили про складний склад атомів та про можливість їх взаємоперетворень.

Сюди належить, передусім, відкриття електрона англійським фізиком Томсоном в 1897 р., відкриття та вивчення радіоактивності наприкінці 90-х років 19 ст. А. Беккерелем, Марією та П'єром Кюрі, Е. Резерфордом.

Приблизно на початку ХХ ст. Дослідження низки явищ (випромінювань розпечених тіл, фотоефект, атомні спектри) привели до висновку, що енергія поширюється і передається, поглинається і випускається не безперервно, а дискретно, окремими порціями – квантами. Енергія системи мікрочастинок також може набувати лише певних значень, які є кратними числами квантів.

Припущення про квантову енергію вперше було висловлено М. Планком (1900). Енергія кванта Е пропорційна частоті випромінювання ν:

де h– постійна Планка (6,626 10 -34 Джс), ν=, с – швидкість світла,– довжина хвилі.

У 1905 р. А. Ейнштейн передбачив, що будь-яке випромінювання є потік квантів енергії, званих фотонами. З теорії Ейнштейна випливає, що світло має подвійну природу.

У 1911 р. Резерфорд запропонував ядерну планетарну модель атома, що складається з важкого ядра, навколо якого рухаються по орбіталі електрони, подібно до планет сонячної системи. Однак, як показує теорія електромагнітного поля, електрони в цьому випадку повинні рухатися спіраллю, безперервно випромінюючи енергію, і падати на ядро.

Данський учений М. Бор, використовуючи модель Резерфорда і теорію Планка, запропонував першу квантову модель (1913 р.) будови атома водню, за якою електрони рухаються навколо ядра за будь-яким, а лише з дозволеним орбітам, у яких електрон має певними енергіями. При переході електрона з однієї орбіти в іншу атом поглинає чи випускає енергію як квантів. Теорія Бора дозволила розрахувати енергію електронів, значення квантів енергії, що випускаються під час переходу електрона з рівня на інший. Вона не лише пояснила фізичну природу атомних спектрів як результат переходу електронів із одних стаціонарних орбіт на інші, а й уперше дозволила розраховувати спектри. Розрахунок спектра найпростішого атома - атома водню, виконаний Бором, дав блискучі результати: обчислене положення спектральних ліній у видимій частині спектра збіглося з їх дійсним розташуванням у спектрі. Але теорія Бора не змогла пояснити поведінку електрона в магнітному полі і всі атомні спектральні лінії виявилася непридатною для багатоелектронних атомів. Виникла потреба у новій моделі атома, заснованої на відкриттях у мікросвіті.

2.3. Квантове – механічна модель атома водню. Вихідні уявлення квантової механіки

У 1924р. Луї де Бройль (Франція) висунув припущення, що електрон, як та інші мікрочастинки, характеризується корпускулярно – хвильовим дуалізмом. Де Бройль запропонував рівняння, що зв'язує довжину хвилі (λ) електрона або будь-якої іншої частинки з масою (m) та швидкістю (v):

Хвилі частинок матерії де Бройль назвав матеріальними хвилями. Вони властиві всім частинкам або тілам, але, як випливає з рівняння, для макротіл довжина хвилі настільки мала, що в даний час не може бути виявлена. Так, для тіла з масою 1000 кг, що рухається зі швидкістю 108 км/год (30 м/с), = 2,21 10 -38 м.

Гіпотеза де Бройля була експериментально підтверджена виявленням дифракційного та інтерференційного ефектів потоку електронів. Нині дифракція потоків електронів, нейтронів, протонів широко використовується вивчення структури речовин.

У 1927 р. В. Гейзенберг (Німеччина) постулював принцип невизначеності, згідно з яким положення та імпульс руху субатомної частинки (мікрочастинки) принципово неможливо визначити у будь-який момент часу з абсолютною точністю. У кожний момент часу можна визначити лише одну з цих властивостей. Е. Шредінгер (Австрія) у 1926 р. вивів математичний опис поведінки електрона в атомі. Сутність його полягає в тому, що рух електронів в атомі описується хвильовим рівнянням, а визначення розташування електрона проводиться за ймовірнісними принципами. Рівняння Шредінгера, що є основою сучасної квантово-механічної теорії будови атома, має вигляд (у найпростішому випадку):

де h - постійна Планка; m - маса частинки; U - потенційна енергія; Е – повна енергія; x, y, z – координати; ψ – хвильова функція.

Для характеристики стану електрона важливе значення має хвильова функція ψ. Певний фізичний сенс має її квадрат - 2 . Величина ψ 2 dv виражає ймовірність знаходження електрона обсягом простору dv, що оточує атомне ядро. В даний час рівняння має точне рішення тільки для водню та водневих частинок Не + , Li 2 + , тобто. для одноелектронних частинок. Рішення цього рівняння – завдання складна і її виходить поза рамки даного курсу.

Роботи Планка, Ейнштейна, Бора, де Бройля, Гейзенберга, Шредінгера заклали основу квантової механіки, що вивчає рух та взаємодію мікрочастинок. Вона ґрунтується на уявленні про квантову енергію, хвильовий характер руху мікрочастинок і ймовірнісний (статистичний) метод опису мікрооб'єктів.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНА ДЕРЖАВНА БЮДЖЕТНА ОСВІТАЛЬНА УСТАНОВА ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

«УФІМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАФТОВИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Кафедра фізики

РЕФЕРАТ

ТемаЕволюція уявлень про будову ядра атома

ВИКОНАВ: СТ. ГР. БТЕ 13-01 А.А.АБДРАХМАНОВ

ПЕРЕВІРИВ: Викладач А.А.Є.КУРАМШИНА

УФА 2014

Вступ

Основна частина

Постулати Бора

Будова атомного ядра

Досліди Резерфорда

Висновок

Вступ

Атоми, що спочатку вважалися неподільними, є складними системами. Вони мають потужне ядро, що складається з протонів і нейтронів, навколо якого в порожньому просторі рухаються електрони. Атоми дуже малі - їх розміри порядку 10-10-10-9 м, а розміри ядра ще приблизно в 100 000 разів менше (10-15-10-14 м). Тому атоми можна побачити тільки непрямим шляхом, на зображенні з дуже великим збільшенням (наприклад, за допомогою автоелектронного проектора). Але й у разі атоми не вдається розглянути в деталях. Наші знання про їхній внутрішній пристрій засновані на величезній кількості експериментальних даних, які побічно, але переконливо свідчать на користь сказаного вище.

Уявлення про будову атома радикально змінилися у 20 ст. під впливом нових теоретичних ідей та експериментальних даних. В описі внутрішньої будови атомного ядра досі залишаються невирішені питання, які є предметом інтенсивних досліджень. У наступних розділах викладається історія розвитку поглядів на будову атома як цілого; будові ядра присвячена окрема стаття (АТОМНОГО ЯДРУ БУДОВА), оскільки ці уявлення розвивалися значною мірою незалежно. Енергія, необхідна дослідження зовнішніх оболонок атома, відносно невелика, порядку теплової чи хімічної енергії. Тому електрони були експериментально виявлені задовго до відкриття ядра.

Щоб скласти уявлення про розміри атома та незаповненість займаного ним простору, розглянемо атоми, що становлять краплю води діаметром 1 мм. Якщо подумки збільшити цю краплю до розмірів Землі, то атоми водню і кисню, що входять у молекулу води, матимуть у поперечнику 1-2 м. Основна частина маси кожного атома зосереджена в його ядрі, діаметр якого при цьому склав всього 0,01 мм .

Основна частина

Еволюція уявлень про будову атомів

Відкриття складної будови атома – найважливіший етап становлення сучасної фізики. У процесі створення кількісної теорії будови атома, що дозволила пояснити атомні системи, було сформовано нові уявлення про властивості мікрочастинок, що описуються квантовою механікою.

Уявлення про атоми як неподільні найдрібніші частинки речовин, як уже зазначалося вище, виникло ще в античні часи (Демокріт, Епікур, Лукрецій). У середні віки вчення про атоми, будучи матеріалістичним, не набуло визнання. На початку XVIII ст. атомістична теорія набуває все більшої популярності. На той час роботами французького хіміка А. Лавуазьє (1743-1794), великого російського вченого М.В. Ломоносова та англійського хіміка та фізика Д. Дальтона (1766-1844) була доведена реальність існування атомів. Однак у цей час питання про внутрішню будову атомів навіть не виникало, оскільки атоми вважалися неподільними.

Велику роль розвитку атомістичної теорії зіграв видатний російський хімік Д.І. Менделєєв, який розробив у 1869 р. періодичну систему елементів, у якій вперше на науковій основі було поставлено питання про єдину природу атомів. У другій половині ХІХ ст. було експериментально доведено, що електрон є однією з основних частин будь-якої речовини. Ці висновки, і навіть численні експериментальні дані призвели до того, що початку XX в. серйозно постало питання про будову атома.

Існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами, яскраво виражене в періодичній системі Менделєєва, наштовхує на думку, що в основі будови всіх атомів лежить загальна властивість: всі вони знаходяться в близькій спорідненості один з одним.

Однак до кінця ХІХ ст. в хімії панувало метафізичне переконання, що атом є найменша частка простої речовини, остання межа ділимості матерії. При всіх хімічних перетвореннях руйнуються і знову створюються лише молекули, атоми залишаються незмінними і що неспроможні дробитися більш дрібні частини.

Різні припущення про будову атома тривалий час не підтверджувалися експериментальними даними. Лише наприкінці ХІХ ст. були зроблені відкриття, що показали складність будови атома та можливість перетворення за певних умов одних атомів на інші. На основі цих відкриттів почало швидко розвиватися вчення про будову атома.

Перші непрямі підтвердження про складну структуру атомів були отримані щодо катодних променів, що виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах. Вивчення властивостей цих променів привело до висновку, що вони є потіком найдрібніших частинок, що несуть негативний електричний заряд і летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Особливими прийомами вдалося визначити масу катодних частинок і величину їх заряду, з'ясувати, що вони не залежать від природи газу, що залишається в трубці, ні від речовини, з якої зроблені електроди, ні від інших умов досвіду. Крім того, катодні частинки відомі тільки в зарядженому стані і не можуть бути позбавлені своїх зарядів і перетворені на електронейтральні частинки: електричний заряд становить сутність їхньої природи. Ці частки, що отримали назву електронів, були відкриті 1897 р. англійським фізиком Дж. Томсоном.

Вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 рр.., Після того як була остаточно встановлена природа катодних променів як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. Томсон запропонував першу модель атома, представивши атом як потік матерії, що має позитивний електричний заряд, в який вкраплено стільки електронів, що перетворює його на електрично нейтральне утворення. У цій моделі передбачалося, що під впливом зовнішніх впливів електрони могли чинити коливання, тобто рухатися прискорено. Здавалося б, це дозволяло відповісти на питання про випромінювання світла атомами речовини та гамма-променів атомами радіоактивних речовин.

Позитивно заряджених частинок усередині атома модель атома Томсона не передбачала. Але як тоді пояснити випромінювання позитивно заряджених альфа-частинок радіоактивними речовинами? Модель атома Томсона не давала відповіді на деякі інші питання.

У 1911 р. англійським фізиком Еге. Резерфордом щодо руху альфа-частинок у газах та інших речовинах було виявлено позитивно заряджена частина атома. Подальші ретельніші дослідження показали, що при проходженні пучка паралельних променів крізь шари газу або тонку металеву пластинку виходять уже не паралельні промені, а дещо розходяться: відбувається розсіювання альфа-часток, тобто відхилення їх від початкового шляху. Кути відхилення невеликі, але завжди є невелика кількість частинок (приблизно одна з кількох тисяч), які дуже сильно відхиляються. Деякі частинки відкидаються назад, неначе на шляху зустрілася непроникна перешкода. Це не електрони - їх маса набагато менша за масу альфа-часток. Відхилення може відбуватися при зіткненні з позитивними частинками, маса яких того ж порядку, що маса альфа-частинок. З цих міркувань, Резерфорд запропонував таку схему будови атома.

У центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого різними орбітами обертаються електрони. Відцентрова сила, що виникає при їх обертанні, врівноважується тяжінням між ядром і електронами, внаслідок чого вони залишаються на певних відстанях від ядра. Оскільки маса електрона мізерна мала, то майже вся маса атома зосереджена у його ядрі. Перед ядра і електронів, кількість яких порівняно невелика, припадає лише нікчемна частина всього простору, зайнятого атомної системою.

Запропонована Резерфордом схема будови атома чи, як зазвичай кажуть, планетарна модель атома, легко пояснює явища відхилення альфа-частинок. Дійсно, розміри ядра та електронів надзвичайно малі порівняно з розмірами всього атома, які визначаються орбітами найбільш віддалених від ядра електронів, тому більшість альфа-частинок пролітає через атоми без помітного відхилення. Тільки в тих випадках, коли альфа-частка дуже близько підходить до ядра, електричне відштовхування викликає різке відхилення від початкового шляху. Таким чином, вивчення розсіювання альфа-часток започаткувало ядерну теорію атома.

Постулати Бора

Планетарна модель атома дозволила пояснити результати дослідів щодо розсіювання альфа-частинок речовини, проте виникли принципові труднощі при обґрунтуванні стійкості атомів.

Перша спроба побудувати якісно нову - квантову - теорію атома було зроблено 1913 р. Нільсом Бором. Він поставив за мету пов'язати в єдине ціле емпіричні закономірності лінійних спектрів, ядерну модель атома Резерфорда і квантовий характер випромінювання та поглинання світла. В основі своєї теорії Бор поклав ядерну модель Резерфорда. Він припустив, що електрони рухаються навколо ядра круговими орбітами. Рух по колу навіть з постійною швидкістю має прискорення. Такий прискорений рух заряду еквівалентний змінному струму, який створює в просторі змінне електромагнітне поле. На створення цього поля витрачається енергія. Енергія поля може створюватися за рахунок енергії кулонівської взаємодії електрона з ядром. В результаті електрон повинен рухатися спіраллю і впасти на ядро. Однак досвід показує, що атоми – дуже стійкі утворення. Звідси випливає, що результати класичної електродинаміки, заснованої на рівняннях Максвелла, не застосовуються до внутрішньоатомних процесів. Потрібно знайти нові закономірності. В основу своєї теорії атома Бор поклав такі постулати.

Перший постулат Бора (постулат стаціонарних станів): в атомі існують стаціонарні (не що змінюються зі часом) стану, в яких він не випромінює енергії. Стаціонарним станам атома відповідають стаціонарні орбіти, по яким рухаються електрони. Рух електронів по стаціонарним орбітам не супроводжується випромінюванням електромагнітних хвиль.

Цей постулат суперечить класичній теорії. У стаціонарному стані атома електрон, рухаючись круговою орбітою, повинен мати дискретні квантові значення моменту імпульсу.

Другий постулат Бора (Правило частот): при переході електрона з однієї стаціонарний орбіти на іншу випромінюється (поглинається) один фотон з енергією

рівною різниці енергій відповідних стаціонарних станів (Еn і Їм - відповідно енергії стаціонарних станів атома до і після випромінювання/поглинання).

Перехід електрона зі стаціонарної орбіти під номером m на стаціонарну орбіту під номером nвідповідає перехід атома зі стану з енергією Їмстан з енергією Еn (рис.1).

Мал. 1 До пояснення постулатів Бора

ри Еn > Еm відбувається випромінювання фотона (перехід атома зі стану з більшою енергією в стан з меншою енергією, тобто перехід електрона з більш віддаленої від ядра орбіти на найближчу), при Еn< Еm - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

квантових переходів і визначає лінійний спектр атома.

Теорія Бора блискуче пояснила експериментально спостерігається лінійний спектр водню.

Успіхи теорії атома водню було отримано ціною відмовитися від фундаментальних положень класичної механіки, яка протягом понад 200 років залишається безумовно справедливою. Тому велике значення мало прямий експериментальний доказ справедливості постулатів Бора, особливо першого - існування стаціонарних станів. Другий постулат можна як наслідок закону збереження енергії та гіпотези про існування фотонів.

Німецькі фізики Д. Франк та Г. Герц, вивчаючи методом затримуючого потенціалу зіткнення електронів з атомами газів (1913 р.), експериментально підтвердили існування стаціонарних станів та дискретність значень енергії атомів.

Незважаючи на безперечний успіх концепції Бора стосовно атома водню, для якого виявилося можливим побудувати кількісну теорію спектра, створити подібну теорію для наступного водню атома гелію на основі уявлень Бора не вдалося. Щодо атома гелію і складніших атомів теорія Бора дозволила робити лише якісні (хоча й дуже важливі) висновки. Уявлення про певні орбіти, якими рухається електрон в атомі Бора, виявилося досить умовним. Насправді, рух електронів в атомі має мало спільного з рухом планет по орбітах.

В даний час за допомогою квантової механіки можна відповісти на багато питань, що стосуються будови та властивостей атомів будь-яких елементів.

атом ядро бор Менделєєв

Будова атомного ядра

Нуклонний рівень

Приблизно через 20 років після того, як Резерфорд «розглянув» у надрах атома його ядро, було відкрито нейтрон – частка за всіма своїми властивостями така сама, як ядро атома водню – протон, але тільки без електричного заряду. Нейтрон виявився надзвичайно зручним для зондування нутрощів ядер. Оскільки він електрично нейтральний, електричне поле ядра не відштовхує його - відповідно навіть повільні нейтрони можуть безперешкодно наблизитися до ядра на відстані, при яких починають проявлятися ядерні сили. Після відкриття нейтрона фізика мікросвіту рушила вперед семимильними кроками.

Незабаром після виявлення нейтрону два фізики-теоретики - німецький Вернер Гейзенберг та радянський Дмитро Іваненко - висунули гіпотезу про те, що атомне ядро складається з нейтронів та протонів. На ній базується сучасне уявлення про будову ядра.

Протони та нейтрони поєднуються словом нуклон. Протони – це елементарні частинки, які є ядрами атомів найлегшого хімічного елемента – водню. Число протонів в ядрі дорівнює порядковому номеру елемента таблиці Менделєєва і позначається Z (число нейтронів - N). Протон має позитивний електричний заряд, за абсолютним значенням рівний елементарному електричному заряду. Він приблизно в 1836 разів важчий за електрон. Протон складається з двох і-кварків із зарядом Q = + 2/3 та одного d-кварка з Q = - 1/3, пов'язаних глюонним полем. Він має кінцеві розміри близько 10-15 м, хоча його не можна уявити як тверду кульку, він швидше нагадує хмару з розмитою кордоном, що складається з віртуальних частинок, що народжуються і анігілюють.

Електричний заряд нейтрону дорівнює 0 маса його - приблизно 940 МеВ. Нейтрон складається з одного u-кварка та двох d-кварків. Ця частка стійка лише у складі стабільних атомних ядер, вільний нейтрон розпадається на електрон, протон та електронне антинейтрино. Період напіврозпаду нейтрону (час, за який розпадається половина первісної кількості нейтронів) дорівнює приблизно 12 хв. У речовині у вільному вигляді нейтрони існують набагато менше часу внаслідок сильного поглинання їх ядрами. Як і протон, нейтрон бере участь у всіх видах взаємодій, у тому числі в електромагнітному: за загальної нейтральності внаслідок складної внутрішньої будови в ньому існують електричні струми.

У ядрі нуклони пов'язані силами особливого роду - ядерними. Одна з характерних особливостей - короткодія: на відстанях близько 10-15 м і менше вони перевищують будь-які інші сили, внаслідок чого нуклони не розлітаються під дією електростатичного відштовхування однойменно заряджених протонів. При великих відстанях ядерні сили швидко зменшуються до нуля.

Механізм дії ядерних сил ґрунтується на тому ж принципі, що й електромагнітних - на обміні взаємодіючих об'єктів віртуальними частинками.

Віртуальні частинки в квантової теорії - це частинки, які мають такі ж квантові числа (спин, електричний і баріонний заряди та ін), як і відповідні реальні частинки, але для яких не виконується звичний зв'язок між енергією, імпульсом та масою.

Досліди Резерфорда

У магнітному полі потік радіоактивного випромінювання розпадається на 3 складових: альфа-промені, бета-промені та гамма-промені.

Явище радіоактивності свідчило про складну будову атома

Досвід Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

1911р. - Еге. Резерфорд ставить досвід із розсіяння альфа-частинок. Пучок альфа-частинок пропускався через тонку золоту фольгу.

Золото було вибрано як дуже пластичний матеріал, з якого можна отримати фольгу завтовшки практично в один атомний шар.

Деякі альфа-частинки проходили крізь фольгу, утворюючи на екрані розмиту пляму, а сліди від інших альфа-частинок були зафіксовані на бічних екранах.

Досвід показав, що позитивний заряд атома сконцентрований дуже малому обсязі - ядрі, а між ядрами атомів існують великі проміжки.

Резерфорд показав, що модель Томсона суперечить його дослідам.

Висновок

Наприкінці, приходимо до висновку, що концепції Резерфорда - Бора вже більше частинок абсолютної істини, хоча розвиток фізики виявило й у цій концепції чимало похибок. Ще більшість абсолютно правильного знання міститься в квантово-механічній теорії атома.

Відкриття складної структури атома стало найбільшою подією у фізиці, оскільки виявилися спростованими уявлення класичної фізики про атоми як тверді та неподільні структурні одиниці речовини.

Список використаних джерел

1. Фізика всім / Купер Л.- «Світ»1974 г.

2. Фізики / Храмов Ю.А.- «Наука» 1983

3. Фізика -9,11/Перишкін А.В.- «Дрофа» 2004 р.

4. П.С. Кудрявці. "Курс історії фізики" М.1982.

5. М.П. Бронштейн. «Атоми та електрони» М. 1980.

6. Інтернет-ресурси.

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

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Аналіз розвитку ідей атомізму історія науки. Роль елементарних частинок та фізичного вакууму у будові атома. Суть сучасної теорії атомізму. Аналіз квантової моделі атома. Введення поняття "молекула" П'єром Гассенді. Відкриття ефекту комптону.

контрольна робота , доданий 15.01.2013

Дослідження концепції динамічної структури атома у просторі. Вивчення структури атома та атомного ядра. Опис динаміки руху тіл у реальному просторі потенційних сфер. Аналіз спірального руху квантових частинок у вільному просторі.

реферат, доданий 29.05.2013

Планетарна модель атома Резерфорд. Склад та характеристика атомного ядра. Маса та енергія зв'язку ядра. Енергія зв'язку нуклонів у ядрі. Взаємодія між зарядженими частинками. Великий адронний колайдер. Положення теорії фізики елементарних частинок.

курсова робота , доданий 25.04.2015

Історія відкриттів у галузі будови атомного ядра. Моделі атома до Бору. Відкриття атомного ядра. Атом Бору. Розщеплення ядра. Протонно-нейтронна модель ядра. Штучна радіоактивність. Будова та найважливіші властивості атомних ядер.

реферат, доданий 08.05.2003

Моделі будови атома. Форми атомних орбіталей. Енергетичні рівні атома. Атомна орбіталь як область навколо ядра атома, в якій найімовірніше знаходження електрона. Поняття протона, нейтрону та електрона. Суть планетарної моделі будови атома.

презентація , доданий 12.09.2013

Складові частини атома: ядро, протоні, нейтроні та електроні. Планетарна модель атома чи модель Резерфорда. Керована та некерована ланцюгова ядерна реакція. Поняття ядерного вибуху як процесу вивільнення великої кількості теплової та лучової енергії.

презентація , доданий 21.05.2012

Відкриття складної будови атома – найважливіший етап становлення сучасної фізики. У процесі створення кількісної теорії будови атома, що пояснює атомні системи, сформовано уявлення про властивості мікрочасток, описані квантовою механікою.

реферат, доданий 05.01.2009

Історія зародження та розвитку атомістичної теорії. Уявлення Платона та Аристотеля про безперервність матерії. Корпускулярно-кінетична теорія тепла, відкриття радіоактивності. Рання планетарна модель атома Нагаокі. Визначення заряду електрона.

презентація , доданий 28.08.2013

Еволюція уявлень про будову атомів з прикладу моделей Ернеста Резерфорда і Нільса Бора. Стаціонарні орбіти та енергетичні рівні. Пояснення походження лінійчастих спектрів випромінювання та поглинання. Переваги та недоліки теорії Н. Бора.

реферат, доданий 19.11.2014

Етапи досліджень будови атома вченими Томсоном, Резерфордом, Бором. Схеми їхніх дослідів та інтерпретація результатів. Планетарна модель атома Резерфорд. Квантові постулати Бора. Схеми переходу зі стаціонарного стану до збудженого і навпаки.

Поняття «атом» було відоме ще в давнину і використовувалося для опису уявлень про устрій навколишнього світу давньогрецькими філософами, так Левкіпп (500-200 рр. до н.е.) стверджував, що світ складається з найдрібніших частинок і порожнечі, а Демокріт назвав ці частинки атомами і вважав, що вони існують вічно і здатні рухатися. За уявленнями давніх філософів атоми були настільки малі, що не могли бути виміряні, а форма та зовнішня відмінність надають властивості певним тілам. Наприклад, атоми заліза повинні мати «зубці», щоб зачіплятися один за одного і утворювати тверде тіло, атоми ж води, навпаки, повинні бути гладкими і перекочуватися, щоб забезпечувати воді плинність. Перше припущення про здатність атомів самостійно взаємодіяти один з одним було зроблено Епікур.

Творцем атомно-молекулярного вчення вважають М.В. Ломоносова, він розрізняв у будові речовини два щаблі: елементи (атоми, нашому розумінні) і корпускули (молекули). Ломоносов стверджував, що найпростіші речовини складаються з атомів одного виду, а складні – з різних атомів.

Всесвітнє визнання атомно-молекулярна теорія отримала завдяки Дж. Дальтону, який, на відміну від давньогрецьких філософів, при формулюванні своїх тверджень спирався лише на експериментальні дані. Дж. Дальтон ввів одну з найважливіших характеристик атома - атомну масу, відносні значення якої були встановлені для ряду елементів. Але, незважаючи на зроблені ним відкриття атом вважали неподільним.

Після отримання експериментальних доказів (кінець XIX початок XX століття) складності будови атома: відкриття фотоефекту (випускання носіїв електричного заряду з поверхні металів при їх освітленні), катодних (потік негативно заряджених частинок – електронів, у трубці, в якій є катод та анод) рентгенівських променів (випускання речовинами сильного електромагнітного випромінювання, подібного до видимого світла, але більш високочастотного, при дії на ці речовини катодних променів), радіоактивності (мимовільне перетворення одного елемента в інший, при якому відбувається випромінювання електронів, позитивно заряджених та інших частинок, а також рентген випромінювання) було встановлено, що атом складається з негативно та позитивно заряджених частинок, які взаємодіють між собою. Ці відкриття дали поштовх до створення перших моделей будови атома.

Одна з перших моделей атома була розроблена У. Томсоном (1902) На думку У. Томсона атом – потік позитивно зарядженої матерії, усередині – рівномірно розподілені електрони, а атом водню є позитивно зарядженою кулею, всередині якої електрон (рис. 1а). Цю модель було доопрацьовано Дж. Томсоном (1904) (рис.1б). У тому року японський фізик Х. Нагаока запропонував «сатурніанську модель» будівлі атома, припускаючи, що атом подібний до планети Сатурну – у центрі ядро, оточене кільцями, якими рухаються електрони (рис.1в).

Ще одну модель запропонував німецький фізик Філіп фон Ленард, згідно з якою атом складається з нейтральних частинок вкрай малих розмірів (внаслідок чого більша частина атома – порожнеча), кожна з яких – електричний дуплет (рис. 1г).

Мал. 1. Моделі будови атома: а – У. Томсона; б - Дж. Томсона; в - Х. Нагаок; г – Ф.Ленарда

Після дослідів з -частинками, 1911р. Резерфорд запропонував так звану планетарну модельбудови атома, схожу на будову сонячної системи (маленьке позитивно заряджене ядро в центрі атома, в якому міститься майже вся маса атома, навколо якого рухаються орбітами електрони). Планетарна модель зазнала подальшого розвитку на роботах М. Бора, А. Зоммерфельда та інших.

Сучасна модель будови атома ґрунтується на знаннях квантової механіки, головна теза якої – мікрочастинки мають хвильову природу, а хвилі – властивості частинок. Квантова механіка розглядає можливість знаходження електрона навколо ядра. Простір навколо ядра, в якому найімовірніше знаходження електрона, називається орбіталлю.

Ізотопи

Ізотопи – атоми, що мають однаковий заряд ядра, але різною масою. Такі атоми мають практично однакову будову електронної оболонки і належать одному елементу. Дослідження природних сполук різних елементів свідчить про існування стійких ізотопів у більшості елементів періодичної системи. Для всіх елементів періодичної системи кількість ізотопів, що зустрічаються у природі, досягає 280.

Найяскравішим прикладом ізотопії можна назвати ізотопи водню – водень, дейтерій та тритій. У природі зустрічаються водень та дейтерій. Тритій виходить штучно.

Нестійкі ізотопи, тобто, які мають здатність мимоволі розпадатися називають радіоактивними ізотопами. Вони також можуть зустрічатися у природних сполуках деяких елементів.

склад ядра атома. Ядерні реакції

У ядрі атома міститься безліч елементарних частинок, найважливіші з яких – протон (p) та нейтрон (n). Маса протона 1,0073 а.е.м., заряд +1, в той час як нейтрон електронейтральний (заряд 0) і має масу 1,0087 а.е.м.

Відповідно до протонно-нейтронної теорії будови ядра (Д.Д. Іваненко, Є.Н. Гапон, 1932) ядра всіх атомів, крім водень, складаються з Z протонів і (А-Z) нейтронів (Z – порядковий номер елемента, А – масове число). Число електронів дорівнює числу протонів.

де N - Число нейтронів.

Властивості ядра визначаються його складом (числом p і n). Так, наприклад, в атомі кисню 16 8 Про 8 протонів і 16-8=8 нейтронів, що коротко записується 8p, 8n.

Усередині ядер p і n можуть перетворюватися (за певних умов) один на одного:

де e + - Позитрон (елементарна частка з масою, що дорівнює масі електрона т зарядом +1), а і - нейтрино і антинейтрино, елементарні частинки з масою і зарядом рівними нулю, що відрізняються тільки спином.

Ядерні реакції – перетворення атомних ядер, у результаті взаємодії з елементарними частинками чи друг з одним. При написанні рівнянь ядерних реакцій необхідно враховувати закони збереження маси та заряду. Наприклад: 27 13 Al + 4 2 He = 30 14 Si + 1 1 H.

Особливість ядерних реакцій – виділення величезної кількості енергії у формі кінетичної енергії частинок, що утворюються, або випромінювання.

Завдання:

1. Визначте число протонів, нейтронів та електронів у атомах S, Se, Al, Ru.

2. Закінчіть ядерні реакції: 14 7 N + 4 2 He = ; 12 6 C + 10 n =.

Відповіді:

1. S: Z = 16, А = 32, отже 16p, 16e, 32-16 = 16n

Se: Z = 34, А = 79, отже 34p, 34e, 79-34 = 45n

Al: Z = 13, А = 27, отже 13p, 13e, 27-13 = 14n

Ru: Z = 44, А = 101, отже 44p, 44e, 101-44 = 57n

2. 14 7 N + 4 2 He = 17 8 Про + 1 1 Н

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