Лекция «Атом – сложная частица»

Понятие «атом» возникло еще в античном мире (в переводе с греческого «атом» означает «неделимый»). В конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью.

(А.Беккерель, 1896 г.). Последовавшее за этим установление природы α-, β- и γ-лучей, образующихся при радиоактивном распаде (Э.Резерфорд, 1899—1903 гг.), открытие ядер атомов (Э.Резерфорд, 1909—1911 гг.), определение заряда электрона (Р.Милликен, 1909 г.) позволили Дж. Томсону и Э.Резерфорду предложить одну из первых моделей строения атома.

В 1904 году в работе «О структуре атома» Дж. Томсон дал описание своей модели, получившей образное название

«пудинг с изюмом». Внутрь сферы вкраплены, как изюм в пудинге, отрицательно заряженные электроны.

Атом в целом электронейтрален. Модель атома Дж. Томсона не была подтверждена экспериментальными фактами и осталась гипотезой.

На сегодняшний день принята модель атома, описанная Резерфордом, так называемая «Планетарная модель».

Суть планетарной модели строения атома можно свести к следующим утверждениям:

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).

3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и в конце концов упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следовало, что модель Резерфорда в чем-то ошибочна.

В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил свою теорию строения атома. Как и Резерфорд, он считал, что электроны двигаются вокруг ядра подобно планетам, движущимся вокруг Солнца. Однако к этому времени Дж. Франк и Г. Герц (1912 г.) доказали дискретность энергии электрона в атоме и это позволило Бору положить в основу новой теории два необычных предположения (постулата):

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.

2. При движении по стационарным орбитам электрон не излучает и не поглощает энергии.

Н. Бор внёс квантовые представления в строение атома, но использовал при этом традиционные классические понятия механики, рассматривая электрон как частицу, движущуюся со строго определённой скоростью по строго определённым траекториям.

В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены и дополнены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне только как частице.

Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.

В 1932 г. была разработана протонно-нейтронная теория ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.

Атомное ядро каждого химического элемента характеризуется строго определённым числом протонов Z (т. е. определённым положительным зарядом) в нём, равным порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Число нейтронов N в атомах одного и того же химического элемента может быть различным. Следовательно, различными будут и массовые числа А (А = Z + N) у этих атомов. Такие разновидности атомов называют изотопами.