Строение атома

Слово «атомос», что означает «неделимый», ввел в своих трудах Демокрит примерно 2400 лет тому назад.

В 18-19 веках М.В.Ломоносов, А.Лавуазье, Д.Дальтон, А.Авогадро, С.Канницаро, Д.И.Менделеев занимались теорией строения атома и в результате этих исследований установили связь между понятиями “атом” и “элемент”. Появились представления о размерах и массе атомов.

Конец 19 и начало 20 века отмечены такими фундаментальными открытиями, как обнаружение радиоактивности (А.Беккерель,1896 г.), рентгеновского излучения (В.Рентген, 1895 г.), открытие фотоэффекта (А.Энштейн, 1887 г.), открытие электрона (Дж. Томсон, 1897 г.), возникновение идеи квантования энергии атома (М. Планк, 1900), установление линейчатого характера спектров атомов. Эти открытия вызывали необходимость в создании теории строения атома.

В 1911 г. Э.Резерфорд на основе эксперимента создает ядерную (планетарную) модель строения атома:

1) в центре атома находится положительно заряженное ядро, очень малое по размерам, в котором сосредоточена почти вся масса атома (радиус атома /радиус ядра = 10^-8см /10^-13см = 10⁵ );

2) вокруг ядра на значительном расстоянии вращаются отрицательно заряженные электроны;

3) так как атом электронейтрален, то суммарный заряд электронов равен заряду ядра.

Дальнейшие исследования показали, что число электронов и заряд ядра соответствует порядковому номеру элемента.

В 1924 г. Луи де Бройль высказал предположение, что любым микрочастицам, в том числе и электронам, присуща двойственная корпускулярно-волновая природа, причем длина волны

где h – постоянная Планка;

m – масса микрочастицы;

- её скорость.

В 1926 г. Э. Шрёдингер вывел математическое описание электронной структуры атома, т.н. “волновое уравнение”, которое связывает волновую функцию с потенциальной энергией электрона U и его полной энергией Е:

,

где – сумма вторых производных волновой функции по координатам X,Y, Z; m - масса электрона, h – постоянная Планка. Суть такова, что есть плотность вероятности нахождения электрона в той или иной точке относительно ядра. При решении волнового уравнения возникает квантование энергии в сферической системе координат. Из этого уравнения следует, что электрон в атоме образует стоячую волну, которая определяет устойчивый характер движения электрона.

1927г. К. Д. Дэвиссон и Л. Х. Джермер экспериментально подтвердили волновую природу электрона: пучок электронов давал дифракционный и интерференционный эффекты (при этом длина волны соответствовала формуле Луи де Бройля).

1927г. В. Гейзенберг установил принцип неопределенности: невозможно одновременно определить положение частицы и ее импульс или какое-либо связанное с импульсом свойство (например скорость, энергию и др.).

К этому времени самое простое из ядер – ядро атома водорода – было названо элементарной частицей «протоном» (p). Исследования Г.Мозли привели к выводу, что число протонов в ядре атома того или иного элемента равно номеру этого элемента в Периодической системе элементов.

В 1932 г. после открытия еще одной элементарной частицы «нейтрона» (n) группой физиков из различных стран была создана теория строения ядра из протонов и нейтронов. Силы, удерживающие эти частицы в ядре, называются «ядерные», их природу изучает ядерная физика.

Свойства элементарных частиц, образующих атом

Общее название протонов и нейтронов – «нуклоны».

При подсчете массы атома пренебрегают массой электронов и тогда молярная масса атома = массе ядра = сумме протонов и нейтронов. Так как сумма протонов = порядковому номеру элемента, то тогда общее число нейтронов можно найти по разнице между молярной массой элемента и порядковым номером.

Таблица 1

Свойства наиболее важных элементарных частиц

Свойство	Частица
Ядро	Электрон	a-частица (ядро гелия)
Протон	Нейтрон
Масса (а.е.м.)	1,0073	1,0087	0,00055
Заряд (усл. ед.)	+1		-1	+2
Заряд (Кл)	1,6×10^-19		-1,6×10^-19	3,2×10^-19

Пример:

Определить состав ядра у лития:

а) порядковый номер = 3, т.е. сумма протонов = 3;

б) сумма нейтронов = M_Li - порядковый номер: 7 - 3 = 4.

Изотопы: а) разновидности атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, но различную массу;

б) атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов в ядре.

Изотопы бывают:

Стабильные (их примерно 300). Не имеют стабильных изотопов элементы с порядковыми №№ 43, 61, 84 - 107.

Нестабильные, радиоактивные (их примерно 1700). Характеризуются «периодом полураспада»: время, за которое первоначальная масса какого-либо изотопа уменьшается в 2 раза за счет радиоактивных превращений.

Пример 1: Даже самый легкий элемент «водород» имеет несколько изотопов:

Пример 2:

Атомные массы элементов считают из массовых чисел всех изотопов, взятых в процентном соотношении в соответствии с нахождением в природе. Так, элемент «хлор» представлен в природе двумя изотопами: с массой 35 а.е.м.- 75% и с массой 37 а.е.м. – 25%. Для вычисления средней массы возьмем 100 атомов хлора и найдем их суммарную массу: вес более легких атомов = 35*75; вес более тяжелых атомов =37*25, отсюда

(а.е.м.) или 35,5 г/моль.

Ядерные реакции- превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами, или друг с другом, или самопроизвольно. При этом соблюдаются законы сохранения массы и заряда.

Первую ядерную реакцию осуществил Э.Резерфорд в 1919 г.:

,

краткая запись реакции: .

Изобары – атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер.

Пример: К изобарам можно отнести .

Строение электронных оболочек атома

В 1913 г. датчанин Н. Бор формулирует постулаты:

1) Электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбиталям, а по строго определенным («разрешенным»).

2) При движении электрона по устойчивой орбитали его запас энергии сохраняется постоянным; при переходе электрона с удаленной от ядра орбитали на более близкую он теряет энергию, а переход на более удаленную от ядра орбиталь требует дополнительной энергии.

3) При электронных переходах энергия выделяется и поглощается не непрерывно, а порциями («квантами»).

Сложность поведения электрона заключается в его противоречивой природе:

а) с одной стороны электрон – это частица, т.к. имеет массу, заряд;

б) в то же время для электрона характерны волновые свойства (дифракция, дисперсия, интерференция).

Эту двойственность учитывает квантовая механика, которая предлагает следующие определения:

Электронное облако – квантово-механическая модель, описывающая состояние электрона в атоме (или пространство вокруг ядра, в котором может находиться электрон).

Орбиталь – пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона (в орбитали ~ 90% электронного облака).

Изучение атомных орбиталей, рассчитанных с помощью уравнения Шредингера, показало, что характер движения электрона в атоме определяется четырьмя числами: n, l, m, s, получившими название квантовых.

Главное квантовое число n. Показывает удаленность электрона от ядра, т. к. соответствует номеру электронного слоя. (В квантовой механике говорят, что это число характеризует энергию электронов, занимающих определенный энергетический уровень).

Принимает цифровые и буквенные значения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; или K, L, M, N, O, P, Q.

Дата добавления: 2015-05-26