От идей атомистики к моделям атома

Федеральное агентство образования Российской Федерации

Уральский государственный экономический  университет 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

Тема: «От идей атомистики к моделям атома» 
 
 
 

Выполнил: студентка группы ФК -10 Ом

Рассказова  И.А. 
 
 
 
 
 

Омск  – 2010г.

Содержание

Введение

1. Первоначальные идеи атомистики.
2. Понятие атома.
3. Модели атома.

Заключение

Глоссарий

Именной указатель

Список  используемой литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Мысль о том, что вещество построено  из мельчайших частиц, высказывалась  еще древнегреческими учеными. Они-то и назвали эти частицы атомами (от греческого слова, означающего «неделимый»).

      Древние греки предполагали, что атомы  имеют форму правильных многогранников: куба («атомы земли»), тетраэдра («атомы огня»), октаэдра («атомы воздуха»), икосаэдра («атомы воды»). Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками и крючочками, атомы образуют твердые тела. Атомы воды гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких веществ обладают заусеницами. Воздух – это пустота, в которой носятся отдельные редкие атомы. Атомы огня острые и колючие, поэтому огонь жжется. Прошло почти более двадцати столетий, прежде чем были получены экспериментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Первоначальные  идеи атомистики

     Возникновению атомной физики предшествовало развитие атомистических представлений о строении материи. Первоначальные идеи о существовании атомов как мельчайших неделимых и неизменных частиц материи были высказаны в Древней Греции в 5-3 вв. до н. э. (Демокрит, Эпикур). В период становления точного естествознания в 17-18 вв. атомистические представления в различных формах развивали И. Кеплер, П. Гассенди, P. Декарт, P. Бойль, И. Ньютон, M. В. Ломоносов, P. Бошкович и другие. Однако эти представления носили гипотетический характер и лишь с конца 18 - начала 19 вв. экспериментальные исследования свойств вещества привели к созданию атомистических теорий.

     На  основе установленных количественных химических законов и законов  идеальных газов с начала 19 в. стала развиваться химическая атомистика (Дж. Дальтон, А. Авогадро, Я. Берцелиус), в середине 19 в. чётко разграничены и определены понятия атома и молекулы (С. Канниццаро), в 1869 Д. И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов. Представления физической атомистики легли в основу развития молекулярной физики, в том числе кинетической теории газов (сер. 19 в.), и классической статистической физики (2-я пол. 19 в., P. Клаузиус, Дж. Максвелл, Л. Больцман, Дж. У. Гиббс). B конце 18-19 вв. начало развиваться учение о внутренем строении кристаллов и их симметрии (P. Гаюи, O. Браве, E. С. Фёдоров, А. Шёнфлис) на основе атомистических представлений. Однако в 19 в. химическая и физическая атомистика и атомистика в кристаллографии не имели общей теоретической основы, ею стала в 20 в. квантовая теория строения атомов, молекул и кристаллов, созданная в результате развития атомной физики.

     Возникновение современной атомной физики связано с открытиями электрона (1897) и радиоактивности (1896). Они создали основу для построения моделей атома как системы взаимодействующих электрически заряженных частиц. Важнейшим этапом развития атомной физики стало открытие Э. Резерфордом в 1911 атомного ядра и рассмотрение атома на основе квантовых представлений H. Бором в 1913.  

2. Понятие атома

     Атом (др.-греч. - неделимый) — микроскопическая частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет положение атома в таблице Менделеева, то есть принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

     Основная  масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра). Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных ¹⁄₁₂ от массы атома стабильного изотопа углерода ¹²C.

     Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней  границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома, его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин. В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

     Атомы различного вида в различных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

     Малость атомов демонстрируют следующие  примеры. Человеческий волос по толщине  в миллион раз больше атома  углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (×10²¹) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.

     Внешняя электронная оболочка атома, если она  не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны  этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.

     Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.  
 
 

3. Модели  атома

     Первые  указания о сложном строении атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости. Опыты выдающегося английского ученого М.Фарадея в тридцатых годах XIX в. навели на мысль о том, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов.

     Величины  этих единичных зарядов электричества  были определены в более поздних  экспериментах по пропусканию электрического тока через газы (опыты с так  называемыми катодными лучами). Было установлено, что катодные лучи —  это поток отрицательно заряженных частиц, которые получили названия электронов.

     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 Э.Резерфорду в 1911 г. предложить одну из первых моделей строения атома.

     Модель  Резерфорда. Предложенная ранее модель атома Дж. Дж. Томсона (модель «Пудинг с изюмом») рассматривала атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Однако эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.

     От  радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, a-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных a-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство a-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие a-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить a-частицы назад. Расчет показал, что такое возможно только при условии концентрации заряда и массы атома в очень маленьком объеме, примерно в 100000 раз меньше самого атома. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.

     Радикальные выводы о строении атома, следовавшие  из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через два года (в 1911 г.) после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома.

     Суть  планетарной модели строения атома (Э.Резерфорд, 1911 г.) можно свести к  следующим утверждениям: