От идей атомистики к моделям атома

     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.

                      

                        Модель Описание

• в центре атома находится положительно заряженное ядро
• Вокруг ядра движутся электроны.
• Заряд ядра равен номеру элемента в таблице Менделеева.
• У нейтрального атома число электронов равно числу протонов в ядре.

 
 
 

     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.

     Теория  Бора. 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.

     Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется законам  классической физики. Согласно Бору, излучение  или поглощение энергии определяется переходом из одного состояния в другое, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается энергия.

     Бор рассчитал частоты линий спектра атома водорода, которые очень хорошо согласовывались с экспериментальными значениями, но было обнаружено также и то, что для других атомов эта теория не давала удовлетворительных результатов.

     Квантовая модель строения атома. 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 основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

     1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя  и как частица, и как волна,  подобно частице, электрон обладает  определенной массой и зарядом;  в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость v связаны соотношением де Бройля:

     λ = h / mv,                                                                     

     где m — масса электрона.

     2. Для электрона невозможно одновременно  точно, измерить координату и  скорость. Чем точнее мы измеряем  скорость, тем больше неопределенность  в координате, и наоборот. Математическим  выражением принципа неопределенности  служит соотношение

     ∆x∙m∙∆v > ћ/2,                                                                

     где ∆х — неопределенность положения  координаты, ∆v — погрешность измерения  скорости.

     3. Электрон в атоме не движется  по определенным траекториям,  а может находиться в любой  части около ядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

     4. Ядра атомов состоят из протонов  и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

     Последнее положение было сформулировано после  того, как в 1920 г. Э.Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж.Чедвик — нейтрон.

     Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать  любыми двумя числами из трех фундаментальных  параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношениями:

     Z = А - N, N = А - Z, А= Z + N.                                                 

     Нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N, называют изотопами.

     Сформулированные  выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики (механику, применимую к движению обычных тел и описываемую законами Ньютона, стали называть классической механикой). Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз Л. де Бройль, немец В.Гейзенберг, австриец Э.Шредингер, англичанин П.Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Заключение 

      Таким образом, открытия Резерфорда и Бора являются фундаментальными и имеют  огромное значение для современной  физики и для всего человечества. История науки учит, что всякий раз, когда человечество овладевает очередной ступенькой лестницы, ведущей в глубь вещества, это приводит к открытию нового, еще более мощного вида энергии. Горение и взрыв связаны с перестройкой молекул. Внутриатомные процессы сопровождаются выделением в миллионы раз большей энергии. Еще большее выделение энергии происходит на уровне элементарных частиц. А что будет на следующих ступенях? Открытия Резерфорда и Бора доказали, что атом не есть неделимая частица, и дают возможность современной физике ответить на этот вопрос. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Глоссарий:

     АЛЬФА-РАСПАД - испускание атомным ядром -частицы (ядра ⁴Не).

     АТОМ - наименьшая часть хим. элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств.

     АТОМНАЯ ФИЗИКА - раздел физики, посвящённый изучению строения и свойств атомов и элементарным процессам, в которых участвуют атомы.

     ИЗОТОПЫ (от греч. isos - равный, одинаковый и topos - место) - разновидности атомов одного и того же хим. Элемента, атомные ядра к-рых имеют одинаковое число протонов (Z)и разл. число нейтронов (N).

     КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА (волновая механика) - теория, устанавливающая способ описания и законы движения физ. систем, для к-рых величины, характеризующие систему и имеющие размерность действия, оказываются сравнимыми с постоянной Планка h.

     МОЛЕКУЛА (от новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles - масса) - наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая его осн. хим. и физ. свойствами.

     НЕЙТРОН (n) (от лат. neuter - ни тот, ни другой) - элементарная частица с нулевым электрич. зарядом и массой, незначительно большей массы протона.

     НУКЛИД (от лат. nucleus - ядро) - любое атомное ядро (соответственно атом) с заданными числами протонов (Z) и нейтронов (N).

     НУКЛОН (от лат. nucleus - ядро) - общее наименование для протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер.

     ОРБИТАЛЬ - ф-ция пространственных переменных одного электрона, имеющая смысл волновой ф-ции электрона, находящегося в поле атомного или молекулярного остова.

     ПРОТОН (от греч. protos - первый) (символ р)- стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

     РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. radio - излучаю и activus - деятельный) - свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число А) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

     ЭЛЕКТРОН (е^-) - первая из открытых элементарных частиц, носитель отрицат. элементарного заряда е=1,6^.10^-19 К (4,8^.10^-10 единиц СГСЭ).

     ЯДРО АТОМНОЕ - центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (нуклонов).

     Именной указатель:

     Эрнест  Резерфорд (30 августа 1871, Спринг Грув — 19 октября 1937, Кембридж) — британский физик новозеландского происхождения.

     Известен  как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

     Открыл альфа- и бета-излучение, короткоживущий изотоп радона (их несколько, сам радон ранее открыл немецкий химик) и множество изотопов. Объяснил на основе свойств радона радиоактивность тория, открыл и объяснил радиоактивное превращение химических элементов, создал теорию радиоактивного распада, расщепил атом азота, обнаружил протон. Доказал, что альфа-частица — ядро гелия. Поставив опыт по рассеянию альфа-частиц на металлической фольге, вывел формулу Резерфорда. Исходя из её анализа, сделал вывод о существовании в атоме массивного ядра. Создал планетарную теорию строения атомов. По ней, атом состоит из ядра, находящегося в центре, и электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра. Первым открыл образование новых химических элементов при распаде тяжелых химических радиоактивных элементов. Уточнил на 30 % отношение заряда к массе электрона. Помог Гейгеру разработать счетчик Гейгера. Написал и опубликовал 3 тома его работ. Все работы его экспериментальные.  

     Нильс Хенрик Давид Бор (7 октября 1885, Копенгаген — 18 ноября 1962, Копенгаген) — датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Член Датского королевского общества (1917) и его президент с 1939. Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом АН СССР (1929; членом-корреспондентом — с 1924).