Строение атома

Строение  атома.

В далёком прошлом  философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает  те или иные свойства в зависимости  от её «сущности». Некоторые из них  утверждали, что вещество состоит  из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского учёного М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX века в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Это послужило толчком  к образованию и развитию нового раздела химии «Строение атома». Первым указанием на сложную структуру  атома - были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом  разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки,  в которую впаяны два металлических электрода,  выкачивается  по возможности  весь  воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его  поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются  от   своего   первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины).  Действие катодных лучей  обнаруживается только внутри трубки,  так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Заряд равняется 1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих  условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не  могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные   частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например при электронной эмиссии металлы испускают электроны; при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение  электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными  образованиями, построенными из более мелких «составных частей».

Изучение строения атома  практически началось в 1897-1898  гг.,  после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов  и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными  веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта  положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г.  Резерфордом при  исследовании движения

a-частиц в газах  и других веществах.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

a- частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость  движения которых достигает  20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости a-частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся  заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются  к другим  молекулам, заряжая их отрицательно. Таким  образом, в воздухе на  пути  a-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность a-частиц ионизировать воздух  была использована английским физиком  Вильсоном  для  того,  чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат  для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд  заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка  параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Модель атома Бор-Резерфорд

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему  строения атома: в центре атома находится  положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения a- частиц. Размеры  ядра  и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома,  которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство a-частиц  пролетает через атомы без заметного  отклонения. Только в тех случаях, когда a-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое   отклонение ее от первоначального пути. Таким  образом, изучение рассеяние a-частиц  положило начало ядерной теории атома.  Одной  из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом  электрически  нейтрален,  то,  определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских   лучей.                               Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются  от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны  имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи),  длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы  получить спектр рентгеновских  лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой  или дифракционной  решеткой. (Дифракционная РЕШЕТКА, оптический прибор; совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в спектральных приборах. )

Для рентгеновских лучей  требовалась решётка с очень  большим количеством делений  на один миллиметр (примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить  было невозможно. В 1912  г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки   для   рентгеновских   лучей.

Модель кристалла

  

Упорядоченное расположение атомов в  кристалле и малое расстояние между ними давало повод предполагать что как раз кристаллы и  подойдут на роль требуемой дифракционной  решётки.

Опыт  блестяще  подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновских лучей  почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого  хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотобумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между  длинами  волн  рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулировано следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.

 

       Еще до работ Мозли  некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает число зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд,  изучая рассеивание  a-частиц  при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, что если заряд электрона   принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра  приблизительно  равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне  мере  более легких элементов,  тоже равняется примерно половине атомного веса.  Все  вместе взятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру  элемента. Таким  образом,  закон Мозли  позволил  определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов,  вращающихся вокруг  ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря  работам  Нильс  Бора, в которых учение о строении атома неразрывно  связывается с учением о происхождении спектров.

Бор (Bohr) Нильс Хенрик Давид (1885-1962)

Линейчатые спектры  получаются при разложении света  испускаемого раскаленными парами или  газами. Каждому  элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до  5000),          но встречаются и сравнительно простые  спектры.

Развивая ядерную теорию Резерфорда,  ученые пришли  к мысли,  что  сложная структура  линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов.  По теории  Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила  притяжения  ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона  совершенно аналогично его быстрым  колебаниям и должно вызвать испускание  электромагнитных волн. Поэтому можно предположить,  что вращающийся электрон излучает свет определенной  длины  волны,  зависящий  от   частоты обращения  электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается   равновесие   между   ним  и  ядром;  для восстановления равновесия электрон должен  постепенно передвигаться ближе к ядру,  причем так же постепенно будет  изменяться  частота  обращения электрона и характер  испускаемого  им  света.  В  конце концов, исчерпав всю энергию,  электрон  должен  "упасть"  на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение  движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный,  а не с лучами определенной длины волны. Кроме  того, "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома  и  прекращения  его существования. Таким образом, теория  Резерфорда  была  бессильна объяснить не только  закономерности  в  распределении

Планк (Planck) Макс         (1858-1947)

линий  спектра, ни  и  само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления  с  ядерной  моделью атома,  применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно,  как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии  излучающего тела изменяется скачками,  квант за квантом; дробное  число квантов тело не может ни испускать,  ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты  излучения: чем больше частота излучения,  тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами.  Применив квантовые представления к вращению электронов  вокруг ядра,  Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения,  или постулаты.  Хотя эти постулаты  и противоречат законам классической электродинамики, но они  находят  свое  оправдание  в  тех поразительных результатах,  к  которым приводят,  и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими  результатами   и  огромным  числом  экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в   следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким,  которые удовлетворяют  определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда  электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной  орбиты  на  более  близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается  переход   электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона  и  нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1 : 2 : 3 : ... n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей  к  ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих  переходы  электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра .Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых  орбит, а  вместе  с  тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями из-за ее новизны.

 

   Теория Бора  позволила  разрешить  очень важный вопрос о расположении электронов в  атомах  различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных  оболочек их атомов. В настоящее время  разработаны схемы  строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза,  позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов,  вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому  номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены  по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов.  Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается  

на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом   уровне, чем электроны предыдущего слоя.  Наибольшее число   электронов N, могущих находиться на  данном энергетическом уровне,  равно удвоенному квадрату номера слоя:                                       

N=2n*n  

где n-номер слоя. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия,  не превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати. Электроны наружного    слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома  и присоединяться к другим  атомам, входя в состав наружного  слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких  электронов,  становятся  заряженные положительно, так как заряд  ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.  Наоборот атомы присоединившие электроны  становятся заряженные отрицательно. Образующиеся  таким  путем  заряженные частицы, качественно  отличные  от  соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов в атомах Бор представлял как простое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Это своеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда и пошло: «Карпускулярно-вролновой дуализм».