Развитие представлений о строении атомов

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах в-ва возникло еще в античные времена. В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило широкого признания. Атомистическая теория приобретает все большую популярность лишь к концу XVIII в. благодаря трудам великого русского ученого Ломоносова, английского химика Дальтона… Однако в то время вопрос о строении атомов даже не ставился – они считались неделимыми. Большой вклад в развитии атомистической теории внес Менделеев. Исходя из единой природы атомов, он разработал в 1869 г. периодическую систему элементов. Выраженная в ней закономерная связь между всеми химическими элементами, наталкивала на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее св-во: все они находятся в близком родстве друг с другом. Однако до конца XIX в. в химии господствовало метафизическое убеждение: атом – наименьшая частица простого в-ва, последний предел делимости материи. Лишь проведенные в конце XIX в. эксперименты, доказали сложное строение атомов и возможность их взаимного превращения. Активное изучение строения атома началось после открытия электрона в 1897г. Томпсоном. В 1903 г. он предложил первую модель атома: атом представляет собой непрерывно заряженный положительным электрическим зарядом шар, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Однако эта мысль через несколько лет не подтвердилась экспериментально. В развитии представлений о строении атома велико значение опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в в-ве. Альфа-частицы испускаются при радиоактивных превращениях. Их электрический заряд положителен и равен по модулю двойному заряду электрона. Это тяжелые частицы: масса их примерно в 7300 раз больше массы электрона. Исследуя прохождение альфа-частиц через золотую фольгу, Резерфорд обнаружил, что основная их часть испытывает незначительные отклонения, а некоторые из них резко отклоняются от первоначального направления – вплоть до 180⁰. Т.к. электроны не могут существенно повлиять на характер движения столь тяжелых и быстрых альфа-частиц, то Резерфорд сделал вывод: значительное отклонение альфа-частиц обусловлено их взаимодействием с положительным зарядом большей массы. Анализируя результаты своих опытов, Резерфорд предложил в 1911 г. ядерную (планетарную) модель атома: вокруг положительного ядра с зарядом Ze (Z – порядковый номер элемента в системе Менделеева, e – элементарный заряд) по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Движущиеся по замкнутым орбитам электроны обладают центростремительным ускорением. Согласно классической электродинамике, ускоренные электроны излучают электромагнитные волны, вследствие чего непрерывно теряют энергию. Поэтому электрон, вращаясь вокруг ядра, будет излучать энергию. В результате потери энергии, двигаясь по спиралям, он будет приближаться к ядру и, в конце концов, упадет на него. Таким образом, атом в модели Резерфорда оказался неустойчивой системой. Попытки создать модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томпсона был опровергнута опытами Резерфорда, планетарная же модель не смогла объяснить устойчивость атомов. Преодоление возникших трудностей требовало принципиально нового подхода. Первую попытку создать качественно новую модель атома предпринял в 1913 г. датский физик Бор. Он связал в единое целое эмпирические закономерности линейчатого спектра излучения атома водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил 2 постулата:

в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн;

при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией hv = E_n – E_m равной разности энергий E_n и E_m соответствующих стационарным состояниям атома до и после излучения (поглощения). П

При E_n > E_m возможен переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т.е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близкую, при котором излучается фотон. Поглощение фотона происходит при переходе атома в состояние с большей энергией, т.е. переходе электрона на более удаленную от ядра орбиту.

Модель атома Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр излучения атомов водорода. Большое значение имело прямое экспериментальное подтверждение справедливости постулатов Бора, особенно первого. Существование стационарных состояний и дискретность энергии атомов были подтверждены в 1913 г. Франком и Герцем при исследовании взаимодействия электронов с атомами газообразной ртути. Однако несмотря на несомненный успех концепции Бора в объяснении структуры атома водорода, построить подобную теорию для атома гелия, следующего за водородом, не удалось. В современном представлении определенные орбиты, по которым движется электрон в атоме Бора, отражает один из этапов в понимании структуры атома. На самом деле движение электроном в атоме различных элементов имеет сложный характер и объясняется в рамках квантово-механической концепции.          

Модели атомов.

Активное изучение строения атома началось после открытия электрона в 1897г. Томпсоном. В 1903 г. он предложил первую модель атома: атом представляет собой непрерывно заряженный положительным электрическим зарядом шар, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Однако эта мысль через несколько лет не подтвердилась экспериментально. В развитии представлений о строении атома велико значение опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в в-ве. Альфа-частицы испускаются при радиоактивных превращениях. Их электрический заряд положителен и равен по модулю двойному заряду электрона. Это тяжелые частицы: масса их примерно в 7300 раз больше массы электрона. Исследуя прохождение альфа-частиц через золотую фольгу, Резерфорд обнаружил, что основная их часть испытывает незначительные отклонения, а некоторые из них резко отклоняются от первоначального направления – вплоть до 180⁰. Т.к. электроны не могут существенно повлиять на характер движения столь тяжелых и быстрых альфа-частиц, то Резерфорд сделал вывод: значительное отклонение альфа-частиц обусловлено их взаимодействием с положительным зарядом большей массы. Анализируя результаты своих опытов, Резерфорд предложил в 1911 г. ядерную (планетарную) модель атома: вокруг положительного ядра с зарядом Ze (Z – порядковый номер элемента в системе Менделеева, e – элементарный заряд) по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Движущиеся по замкнутым орбитам электроны обладают центростремительным ускорением. Согласно классической электродинамике, ускоренные электроны излучают электромагнитные волны, вследствие чего непрерывно теряют энергию. Поэтому электрон, вращаясь вокруг ядра, будет излучать энергию. В результате потери энергии, двигаясь по спиралям, он будет приближаться к ядру и, в конце концов, упадет на него. Таким образом, атом в модели Резерфорда оказался неустойчивой системой. Попытки создать модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томпсона был опровергнута опытами Резерфорда, планетарная же модель не смогла объяснить устойчивость атомов. Преодоление возникших трудностей требовало принципиально нового подхода.

Первую попытку создать качественно новую модель атома предпринял в 1913 г. датский физик Бор. Он связал в единое целое эмпирические закономерности линейчатого спектра излучения атома водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил 2 постулата:

в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн;

при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией hv = E_n – E_m равной разности энергий E_n и E_m соответствующих стационарным состояниям атома до и после излучения (поглощения). При E_n > E_m возможен переход атома из состояния с большей энергией состояние с меньшей энергией, т.е. переход электрона с более удаленой от ядра орбиты на более близкую, при котором излучается фотон. Поглощение фотона происходит при переходе атома в состояние с большей энергией, т.е. переходе электрона на более удаленную от ядра орбиту. Модель атома Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаеый линейчатый спектр излучения атомов водорода. Большое значение мело прямое экспериментальное подтверждение справедливости остулатов Бора, особенно первого. Существование стационарных состояний и дискретность энергии атомов были подтверждены в 1913 г. Франком и Герцем при исследовании взаимодействия электронов с атомами газообразной ртути. Однако несмотря на несомненный успех концепции Бора в объяснении структуры атома водорода, построить подобную теорию для атома гелия, следующего за водородом, не удалось. В современном представлении определенные орбиты, по которым движется электрон в атоме Бора, отражает один из этапов в понимании структуры атома. На самом деле движение электроном в атоме различных элементов имеет сложный характер и объясняется в рамках квантово-механической концепции.