Основы квантовой механики строения атомов

Структура атома. Изотопы. Изотоны. Изобары.

ВВЕДЕНИЕ

Теория строения атома и теория природы химической связи позволяют понять и описать взаимоотношения атомов и молекул в составе вещества. Эти теории вместе с периодической системой Д. И. Менделеева лежат в основе современной химии.

К началу XX века было установлено, что атом не является неделимым, как считали раньше, а представляет собой сложную систему. Было показано, что атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Положительный заряд ядра компенсируется суммарным отрицательным зарядом электронов, так что атом, в целом, электронейтрален.

Согласно современным представлениям, атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена почти вся атомная масса, так как масса электронов в сравнении с массами протонов и нейтронов пренебрежимо мала.

Таблица 1

Элементарная частица	Масса частиц, а.е.м.	Заряд частицы
Протон p	1,0073	+1
Нейтрон n	1,0087
Электрон	1/1823

Сумма числа протонов и нейтронов, содержащихся в ядре атома, называется массовым числом атома А. Так как массы протонов и нейтронов примерно равны единице, а вся масса атома сосредоточена в ядре, то и массовое число атома приближенно равно его относительной атомной массе А_r:

Число протонов в ядре определяет величину положительного заряда ядра, чему соответствует порядковый номер элемента Z. Порядковый номер и массовое число атома условились проставлять слева от индекса элемента: порядковый номер – снизу, массовое число – сверху, например,

Элементы, у которых ядра содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов, то есть, у которых порядковый номер одинаков, а массовые числа различны, называют изотопами (см. табл.2).

Еще примеры изотопов:

Элементы, у которых ядра содержат разное число протонов и одинаковое суммарное число протонов и нейтронов, то есть у которых порядковые номера различаются, а массовые числа одинаковы, называются изобарами (табл.2).

Элементы, у которых ядра содержат одинаковое число нейтронов и разное число протонов, называются изотонами (табл.2).

Таблица.2

Изотопы	Изобары	Изотоны

Первую экспериментально обоснованную модель атома дал в 1911 году английский ученый Резерфорд с сотрудниками на основе анализа опытов по изучению рассеяния В модели Резерфорда, как уже упоминалось выше, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся атомная масса. Вокруг ядра движутся электроны, число которых равно величине заряда ядра или порядковому номеру элемента. Подобная модель, являясь по сути своей правильной, тем не менее противоречит законам классической электродинамики. Ведь движущийся электрон должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро. На самом деле этого, конечно, не происходит.

Недостаток модели Резерфорда заключался в том, что движение электронов описывалось законами классической физики, которые действительны для крупных физических тел или макрообъектов. Однако, как оказалось, законы движения элементарных частиц или микрообъектов принципиально отличаются от законов для макрообъектов. Поведение таких частиц изучают квантовые науки: квантовая химия, квантовая механика и т.д. Объяснять законы, которые действуют для микрообъектов, намного сложнее, чем законы, которым подчиняются макрообъекты. Почему это так? Дело в том, что объясняя законы физики и химии для микрообъектов, преподаватель может наглядно продемонстрировать обучаемым, как это все происходит, или же попросить студентов представить себе тот или иной процесс. В квантовой же химии многие процессы нельзя не только представить себе, но и доказать математически, их приходится принимать на веру, как постулаты. Напомним, что постулатами называются утверждения, принимаемые без доказательств или априори.

Дата добавления: 2014-01-04