Модели строения атома

Изменение представлений об элементе.

Исследования радиоактивности в корне изменили классическое понятие атома; стало очевидным, что атом надлежит понимать как сложную систему, в образовании которой участвуют некие более простые корпускулы. Хотя для химии установление делимости атома не привело к каким-либо принципиальным изменениям в теории, серьёзную проблему составляла необходимость размещения в периодической таблице элементов многочисленных продуктов радиоактивного распада, имеющих близкие атомные массы, но значительно отличающиеся периоды полураспада. Проблема была решена в 1913-1914 гг. Фредериком Содди. Химически неразличимые элементы, хотя бы и имеющие различные атомные массы – изотопы – Содди предложил размещать в одной ячейке периодической таблицы.

В 1914 г. в распоряжении физиков и химиков появляется способ непосредственного определения положения элемента в периодической таблице – английский физик Генри Гвин Джефрис Мозли (1887-1915) устанавливает, что частота характеристического рентгеновского излучения находится в линейной зависимости от целочисленной величины – атомного номера, который совпадает с номером элемента в периодической таблице. Именно атомный номер, совпадающий, как предположил Антониус ван ден Брук (1870-1926), с величиной положительного заряда ядра атома, становится основой классификации химических элементов.

К началу 20-х годов XX века изменяется само понятие химического элемента, берущее начало от Роберта Бойля. Вместо элемента как химически неразложимого вещества, состоящего из тождественных неделимых атомов, возникает представление об элементе как о совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра.

Первые модели строения атома появляются в самом начале XX века. Жан Перрен в 1901 высказывает предположение о ядерно-планетарном устройстве атома. Однако более широкое распространение получает т.н. кексовая модель атома: в 1902 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) высказывает предположение о том, что атом представляет собой сгусток положительно заряженной материи, внутри которого равномерно распределены электроны.

Немецкий физик Филипп фон Ленард (1862-1947) попытался создать модель, не предполагающую раздельного существования в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц (т.н. динамид), каждая из которых является электрическим дуплетом.

В 1906-1909 гг. Эрнест Резерфорд, Ганс Гейгер (1882-1945) и Эрнст Марсден (1889-1970), пытаясь найти экспериментальные подтверждения модели Томсона, проводят свои знаменитые опыты по рассеиванию α-частиц на золотой фольге. Основываясь на этих экспериментальных фактах, Резерфорд в 1911 г. предлагает свою планетарную модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, объём которого ничтожно мал по сравнению с размерами атома; вокруг ядра вращаются электроны, число которых приблизительно равно половине атомной массы элемента. Модель Резерфорда послужила основой для создания принципиально новой теории, которую предложил в 1913 г. датский физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962). Модель Бора опиралась на квантовую гипотезу, которую выдвинул в 1900 г. немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858-1947). Планк постулировал, что вещество может испускать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения. Применив квантовую гипотезу для объяснения фотоэффекта, Альберт Эйнштейн (1879-1955) в 1905 г. предложил фотонную теорию света. Бор объяснил устойчивость планетарной модели атома и сформулировал ряд постулатов, накладывающих на модель атома квантовые ограничения. Согласно постулатам Бора, электрон может вращаться вокруг ядра лишь по некоторым определённым дозволенным ("стационарным") орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Ближайшая к ядру орбита соответствует "нормальному" (наиболее устойчивому) состоянию атома. При сообщении атому кванта энергии электрон переходит на более удалённую орбиту. Обратный переход из "возбуждённого" в "нормальное" состояние сопровождается испусканием кванта излучения.

В 1921 г. Нильс Бор заложил основы формальной теории периодической системы. Причина периодичности свойств элементов, по мнению Бора, заключалась в периодическом повторении строения внешнего электронного уровня атома.

В 1927 г. Фридрих Хунд (1896-1986) формулирует правила заполнения электронных оболочек. С применением запрета Паули и принципа насыщения уровней к 1927 г. была в целом построена электронная структура всех известных к тому времени 92 элементов. Создание учения о строении электронных оболочек атомов позволило создать формальную физическую теорию периодической системы, объяснившую причины периодичности свойств элементов и их соединений, а также создать первые теории химической связи.

Дата добавления: 2014-01-04