Урок 1

Урок 1. Схема строения атомов

В уроке 1 «Схема строения атомов» из курса «Химия для чайников» рассмотрим основы строение атома и состав атомного ядра; выясним, что такое атомная единица массы, порядковый номер атома и атомная масса элемента. Обязательно просмотрите основные понятия и определения к разделу «Атомы, молекулы и ионы», чтобы лучше воспринимать суть изложенного материала в данной главе.

Модели атомов

На протяжении долго времени ученые стремились познать природу атома. На раннем этапе большой вклад внес древнегреческий философ Демокрит. Хотя сейчас его теория и кажется нам банальной и слишком простой, в тот период, когда представления об элементарных частицах только начинало зарождаться, его теория о кусочках материи воспринималась совершенно серьезно. Демокрит считал, что свойства любого вещества зависят от формы, массы и других характеристик атомов. Так, например, у огня, полагал он, острые атомы – поэтому огонь обжигает; у воды атомы гладкие, поэтому она способна течь; у твердых предметов, по его представлению, атомы были шереховатые.

Демокрит считал, что из атомов состоит абсолютно все, даже душа человека.

В 1904 году Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома. Основные положения теории сводились к тому, что атом представлялся положительно заряженным телом, внутри которого находились электроны с отрицательным зарядом. Позже эта теория была опровергнута Э. Резерфордом.

Рис. 2. Модель атома Томсона.

Также в 1904 году японским физиком Х. Нагаока была предложена ранняя планетарная модель атома по аналогии с планетой Сатурн. Электроны по этой теории объединены в кольца и вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Эта теория оказалась ошибочной.

В 1911 году Э. Резерфорд, проделав ряд опытов, сделал выводы, что атом по своему строению похож на планетную систему. Ведь электроны, словно планеты, движутся по орбитам вокруг тяжелого положительно заряженного ядра. Однако это описание противоречило классической электродинамике. Тогда датский физик Нильс Бор в 1913 году ввел постулаты, суть которых заключалась в том, что электрон, находясь в некоторых специальных состояниях, не излучает энергию. Таким образом, постулаты бора показали, что для атомов классическая механика неприменима. Планетарная модель, описанная Резерфордом и дополненная Бором, получила название – планетарная модель Бора-Резерфорда.

Рис. 3. Планетарная модель Бора-Резерфорда.

Дальнейшее изучение атома привело к созданию такого раздела, как квантовая механика, с помощью которого объяснялись многие научные факты. Современные представления об атоме развились из планетарной модели Бора-Резерфорда.

Основы атомной теории строения вещества

В 1808 г. физик Дальтон Джон (1766–1844) возродил атомизм, доказал реальность существования атомов. Он писал: «Атомы — химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов». Джон Дальтон ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных весов, заложив тем самым основу атомной теории строения вещества.

Дальтон был одним из самых знаменитых и уважаемых учёных своего времени, ставший широко известным благодаря своим новаторским работам в разных областях знания. Он впервые (1794) провёл исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, — цветовая слепота, позже названный в его честь дальтонизмом; открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона) (1801), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона). Установил закон кратных отношений (1803), обнаружил явление полимеризации (на примере этилена и бутилена).

Однако вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон изучая катодные лучи, пришел к выводу, что атомы любого вещества содержат отрицательно заряженные частицы, которые он назвал электронами. Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Он предложил первую модель атома — «пудинг с изюмом» 1904 г.

По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью,в положительно заряженной сфере находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Примеры решения задач

Рассчитываем среднюю относительную атомную массу бора:

Ar(B) = (10 × 19,6 + 11 × 80,4)/100 = 10,8 а.е.м.

Их можно охарактеризовать следующими квантовыми числами:

§ 1. Основные сведения о строении атома

Схема эволюции представлений о строении атома. Понятие «атом» пришло к нам из античных времён, но первоначальный смысл, который вкладывали в это понятие древние греки, совершенно изменился. Как вы помните, в переводе с греческого «атом» означает «неделимый». Однако большое число экспериментальных фактов свидетельствует о том, что атом имеет сложное строение и состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц.

К таким фактам относятся, например, явления электризации, электрической проводимости и некоторые другие. Некоторые сведения о строении атома вы получили из школьных курсов физики и химии, а также из курса естествознания за 10 класс. Ещё раз рассмотрим эволюцию представлений о строении атома, представив её в виде схемы.

Модели атомов Дж. Томсона и Э. Резерфорда. В 1904 г. в работе «О структуре атома» Дж. Томсон (1856—1940) дал описание своей модели, получившей образное название «пудинг с изюмом». В этой модели атом уподоблен сферической капле («пудингу»), имеющей положительный заряд (рис. 1, а). Внутрь сферы вкраплены, как изюм в пудинге, отрицательно заряженные электроны. Электроны совершают колебательные движения, благодаря которым атом излучает электромагнитную энергию. В целом атом электронейтрал ен. Модель атома Дж. Томсона не была подтверждена экспериментальными фактами и осталась гипотезой.

Рис. 1. Модели строения атома: а — Дж. Томсона; б — Э. Резерфорда

В 1907 г. Э. Резерфорд (1871—1937), облучая тонкую золотую фольгу быстрыми альфа-частицами (ядрами атома гелия), заметил, что большая часть частиц проходит сквозь фольгу, не отклоняясь, значительно меньшая часть отклоняется от первоначальной траектории на небольшие углы и совсем малая часть отклоняется на углы от 90 до 180°.

Исходя из результатов проделанного опыта, Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой атом состоит из небольшого, но массивного положительно заряженного ядра и лёгких электронов, которые движутся вокруг него по замкнутым орбитам (рис. 1, б), подобно тому как движутся планеты вокруг Солнца.

Объясним результаты опыта Резерфорда, используя планетарную модель строения атома. Альфа-частицы, которые прошли сквозь фольгу не отклоняясь, попали в пространство между ядром и электронами. Поскольку размеры ядра и электрона по сравнению с размером атома малы, таких частиц оказалось большинство. Те альфа-частицы, которые испытали столкновение с электронами, отклонились на небольшие углы, ну а те, что столкнулись с ядром, — отклонились на углы от 90 до 180°. Хорошо согласуясь с опытом по рассеянию альфа-частиц, модель Резерфорда, тем не менее, не могла объяснить процессы излучения и поглощения энергии атомом, а также его устойчивость. Ведь если электроны при своём движении излучают энергию, то в конце концов они должны упасть на ядро и атом тем самым должен прекратить своё существование. Однако этого не происходит.

Постулаты Бора. В 1913 г. Н. Бор (1885—1962) предложил квантовую модель строения атома, основой которой послужили разработанные им постулаты:

1-й постулат — электрон движется вокруг ядра по строго определённым замкнутым стационарным орбитам в соответствии с «разрешёнными» значениями энергии E1, E2, . En, при этом энергия не поглощается и не излучается;

2-й постулат — электрон переходит из одного «разрешённого» энергетического состояния в другое, что сопровождается излучением или поглощением кванта энергии.

Н. Бор внёс квантовые представления в строение атома, но использовал при этом традиционные классические понятия механики, рассматривая электрон как частицу, движущуюся со строго определёнными скоростями по строго определённым траекториям. Его теория была построена на противоречиях.

Протонно-нейтронная теория ядра. В 1932 г. независимо друг от друга российским физиком Д. Иваненко (1904—1994) и немецким физиком В. Гейзенбергом (1901—1976) была разработана протоннонейтронная теория ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения атома

Атомное ядро каждого химического элемента состоит из строго определённого числа протонов Z (т. е. характеризуется определённым положительным зарядом), которое соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (1834—1907). Число нейтронов N в атомах одного и того же элемента может быть различным. Следовательно, различными будут и относительные атомные массы (A = Z + N) у этих атомов. Такие разновидности атомов называются изотопами.

Следовательно, химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

В природе, например, встречаются изотопы кислорода с массовыми числами 16, 17 и 18 ( 16 O, 17 O и 18 O); хлора — 35 Cl и 37 Cl, калия — 39 K и 40 K, аргона — 39 Ar и 40 Ar.

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Всё — от песчинок малых до планет —
Из элементов состоит единых.

В Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева под знаком химического элемента записывают среднее значение относительной атомной массы всех его природных изотопов с учётом их распространённости, поэтому это число дробное.

Квантовая механика характеризует частицы микромира: элементарные частицы (протоны, нейтроны, электроны), а также построенные из них атомные ядра, атомы и молекулы — как объекты с двойственной природой, т. е. рассматривает их и как частицы, и как волны. Такие двойственные свойства частиц микромира называют кор-пуску лярно-волновым дуализом.

Электронная оболочка атома. Энергетический уровень электронов. Электронное облако. Строение атомного ядра и изменения, происходящие с ним, — предмет изучения ядерной физики. Для естествознания, и в первую очередь для химии, больший интерес представляет строение электронной оболочки атома.

Число электронов в атоме как электронейтральной частице равно числу протонов в ядре, т. е. соответствует порядковому номеру химического элемента.

Важнейшей характеристикой электрона является энергия его связи с атомом.

Наименьшей энергией обладают электроны 1-го энергетического уровня, наиболее близкого к атомному ядру. По сравнению с ними электроны последующих уровней будут иметь больший запас энергии. Таким образом, самой большой энергией обладают электроны внешнего уровня, которые именно поэтому и наименее прочно связаны с ядром атома.

Электрон в атоме не имеет траектории движения, т. е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве. Он может находиться в любой части пространства, окружающего ядро. Совокупность различных положений электрона рассматривают как электронное облако с определённой плотностью отрицательного заряда.

Напомним, что число энергетических уровней (электронных слоёв) в атоме соответствует номеру периода в таблице Д. И. Менделеева, в котором располагается химический элемент, — у атомов элементов 1-го периода — один уровень, 2-го периода — два, 7-го периода — семь.

В следующем параграфе будет подробнее рассмотрено, как связаны между собой строение атома и периодический закон Менделеева.

Теперь вы знаете

• как менялись представления о строении атома с развитием физики
• модели атомов Дж. Томсона и Э. Резерфорда
• постулаты Н. Бора
• в чём заключается протонно-нейтронная теория ядра
• что такое электронная оболочка атома, энергетический уровень электронов, электронное облако

Теперь вы можете

• объяснить, в чём разница моделей атома Дж. Томсона, Э. Резерфорда и Н. Бора
• сформулировать, что такое атом, изотоп, химический элемент и чем они отличаются друг от друга
• определить число энергетических уровней в атоме по номеру периода в таблице Д. И. Менделеева, в котором находится данный химический элемент

Выполните задания

1. Назовите модели сложного строения атома. Охарактеризуйте их достоинства и недостатки.
2. Из курса естествознания 10 класса вспомните, как физические явления интерференции и дифракции доказывают двойственную природу частиц микромира.
3. Объясните, почему свойства различных изотопов одного и того же элемента идентичны, хотя их относительная атомная масса различна.
4. Дайте определения понятий: «электронная оболочка атома», «энергетический уровень электрона», «электронное облако (орбиталь)».
5. Запишите схемы распределения электронов по энергетическим уровням для атомов элементов, имеющих в Периодической системе порядковые номера 6, 15, 20.
6. Прочитайте отрывок из стихотворения В. Брюсова «Мир электрона» и проанализируйте его с точки зрения «физиков» и «лириков».

Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, званья, войны, троны
И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там — всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Физика. Оптика. Физика атома и атомного ядра

О курсе

Курс «Физика. Оптика. Физика атома и атомного ядра.» может быть рассчитан на обучающихся технических ВУЗов. Лекции читает кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физики» строительного института Третьяков Пётр Юрьевич и старший преподаватель кафедры «Физики, методов контроля и диагностики» института промышленных технологий и инжиниринга Исакова Наталья Петровна. Практические занятия ведут Третьяков П.Ю. и Исакова Н.П. Виртуальные лабораторный работы созданы старшим преподавателем кафедры «Физики методов контроля и диагностики» института промышленных технологий и инжиниринга Исаковым Василием Владимировичем.

В курсе рассматриваются основные понятия и законы геометрической и волновой оптики, квантовой природы излучения, физики атома и атомного ядра .

В разделе «Оптика» рассмотрены опытные доказательства волновой и корпускулярной природы света, взаимодействие света с веществом.

В разделе «Физика атома и атомного ядра» рассмотрено строение атома и атомного ядра, элементы квантовой механики, квантовой статистики.

В состав курса входят видеолекции с контрольными вопросами, практические упражнения и виртуальные лабораторные работы. Курс рассчитан на 10 недель, средняя недельная нагрузка – 10 часов. Трудоемкость курса – 3 зачетные единицы. В конце курса слушатель сдает контрольный тест по пройденному материалу

Информационные ресурсы

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 3. – М.: Наука, 1996.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие/ Т.И.Трофимова. М.: Академия, 2012. – 316с.

3. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики для втузов: учебное пособие/Т.И.Трофимова М.: Высш.школа, 2008. -405с.

4. Трофимова Т.И. Курс физики: Задачи и решения: учебное пособие/ Т.И.Трофимова, А.В.Фирсов. – М.: Академия, 2010. – 592с.

5. Неделько В.И. Физика: учебное пособие/ В.И.Неделько. . – М.: Академия, 2011. – 464с.

6. В.Е. Борисенко, В.М. Дерябин. Оптика. Основы атомной и ядерной физики: учебное пособие/ТГУ 1983г.

Требования

Слушателям курса необходимо владеть знаниями по физике в объеме школьной программы, основами дифференциального и интегрального исчисления, основами векторного исчисления. Необходимо иметь представление об основных понятиях и законов оптики, физики атома и атомного ядра. В курсе предполагается, что обучающиеся знакомы с законами геометрической оптики, законами сохранения импульса и энергии, законами теплового излучения, строением атома и ядра. Также необходимо владение основами векторного анализа, представление о понятиях градиента, дивергенции, ротора.

Программа курса

План лекций. «Оптика. Физика атома и атомного ядра»

1. Введение Электромагнитные волны.

• Электромагнитные волны.
• Волновое уравнение.
• Скорость распространения электромагнитных волн.
• Плотность энергии. Плотность потока энергии.
• Корпускулярно-волновой дуализм свойств света.
• Элементы геометрической оптики.

2. Интерференция света.

• Интерференция волн.
• Когерентность и монохроматичность волн. Время и длина когерентности.
• Методы получения когерентных световых волн и наблюдения интерференции.
• Интерференция света в тонких пленках.
• Кольца Ньютона.
• Практические применения интерференции.

3. Дифракция света.

• Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля.
• Метод зон Френеля.
• Дифракция Френеля.
• Дифракция Фраунгофера на щели и на дифракционной решетке.
• Дифракция рентгеновских лучей. Формула Вульфа-Брэггов.
• Понятие о голографии.

4. Поляризация света.

• Поляризация света. Естественный и поляризованный свет.
• Закон Малюса.
• Закон Брюстера.
• Двойное лучепреломление.
• Вращение плоскости поляризации.
• Практическое применение поляризации.

5. Дисперсия света.

• Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсии.
• Электронная теория Лоренца дисперсии света.
• Поглощение света. Закон Бугера.

6. Тепловые излучения.

• Тепловые излучения. Абсолютно черное тело.
• Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана.
• Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина.
• Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.
• Квантовая гипотеза Планка. Формула Планка.
• Оптическая пирометрия.

• Внешний фотоэффект и его законы.
• Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
• Фотоны. Энергия и импульс световых квантов.
• Давление света.
• Эффект Комптона.

8. Физика атома. Теория атома водорода по Бору.

• Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома.
• Атом водорода. Водородоподобные атомы.
• Квантовые постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Спектр атома водорода по Бору.

9. Элементы квантовой механики.

• Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенности Гейзенберга как проявление корпускулярно-волнового дуализма.
• Волновая функция. Стационарное уравнение Шредингера.
• Частица в одномерной потенциальной яме. Туннельный эффект.
• Гармонический осциллятор.

10. Элементы современной физики атомов и молекул.