Vdomvse.ru

Ремонт и Стройка
33 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

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

ЗаданиеОпределите относительную атомную массу бора, если известно, что массовая доля изотопа 10 B равна 19,6%, а 11 В – 80,4%.
РешениеИзотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие разные массовые числа (одинаковое число протонов, но разное – нейтронов). Средняя относительная масса изотопов рассчитывается по формуле:

Рассчитываем среднюю относительную атомную массу бора:

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

ЗаданиеОхарактеризуйте квантовыми числами все электроны, которые находятся на 3p-подуровне.
РешениеНа p-подуровне 3-го уровня находится шесть электронов:

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.

  • Атом водорода в квантовой механике.
  • Квантовые числа. Принцип Паули.
  • Рентгеновские спектры.
  • Молекула. Химическая связь.
  • Молекулярные спектры.
  • ОКГ

    Результаты обучения

    1. физические явления и закономерности

    2. основные законы электромагнетизма

    3. границы применимости основных законов

    1. применять законы к объяснению физических явлений

    2. обосновывать и получать основные уравнения

    3. строить математические модели простейших явлений

    1. работа со справочной и учебной литературой

    2. преобразование размерностей физических величин

    3. применение общих законов физики для решения практических задач

    Направления подготовки

    Все технические направления и профили, в учебных планах которых физика рассчитана на 3 семестра по 3 зачетные единицы.


    Третьяков Петр Юрьевич

    Исакова Наталья Петровна

    Для записи на курс необходимо пройти регистрацию

    Электроны внутри атома

    Отрицательно заряженные электроны двигаются вокруг ядра атома, образуя своего рода облако. Массивное ядро притягивает электроны, но энергия самих электронов позволяет им «убегать» дальше от ядра. Таким образом, чем больше энергия электрона, тем дальше от ядра он находится.

    Значение энергии электронов не может быть произвольным, оно соответствует чётко определенному набору энергетических уровней в атоме. То есть энергия электрона изменяется скачкообразно от одного уровня к другому. Соответственно, и двигаться электрон может только в рамках ограниченной электронной оболочки, соответствующей тому или иному энергетическому уровню — в этом смысл постулатов Бора.

    Получив больше энергии, электрон «перескакивает» в более высокий от ядра слой, потеряв энергию — наоборот, в более низкий слой. Таким образом, облако электронов вокруг ядра упорядочено в виде нескольких «нарезанных» слоев.

    11 класс. Химия. Строение атома. Периодический закон. Атом.

    11 класс. Химия. Строение атома. Периодический закон. Атом.

    • Оглавление
    • Занятия
    • Обсуждение
    • О курсе

    Вопросы

    Задай свой вопрос по этому материалу!

    Поделись с друзьями

    Комментарии преподавателя

    В переводе с греческого языка, слово «атом» означает «неделимый». Однако, были открыты явления, которые демонстрируют возможность его деления. Это испускание рентгеновских лучей, испускание катодных лучей, явление фотоэффекта, явление радиоактивности. Электроны, протоны и нейтроны – это частицы, из которых состоит атом. Они называются субатомными частицами.

    Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Как видно из табл. 1, масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Протоны и нейтроны составляют ядро атома и называются нуклонами ( nucleus – ядро). Их заряды и массы в атомных единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице 1. При расчете массы атома массой электрона можно пренебречь.

    Масса атома (массовое число) равна сумме масс, составляющих его ядро протонов и нейтронов. Массовое число обозначается буквой А. Из названия этой величины видно, что она тесно связана с округленной до целого числа атомной массой элемента. A = Z + N

    Здесь A – массовое число атома (сумма протонов и нейтронов), Z – заряд ядра (число протонов в ядре), N – число нейтронов в ядре. Согласно учению об изотопах, понятию «химический элемент» можно дать такое определение:

    Химическим элементом называется совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

    Некоторые элементы существуют в виде нескольких изотопов. «Изотопы» означает «занимающий одно и тоже место». Изотопы имеют одинаковое число протонов, но отличаются массой, т. е. числом нейтронов в ядре (числом N). Поскольку нейтроны практически не влияют на химические свойства элементов, все изотопы одного и того же элемента химически неотличимы.

    Изотопами называются разновидности атомов одного и того же химического элемента с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре.

    Изотопы отличаются друг от друга только массовым числом. Это обозначается либо верхним индексом в правом углу, либо в строчку: 12С или С-12. Если элемент содержит несколько природных изотопов, то в периодической таблице Д.И. Менделеева указывается, его средняя атомная масса с учетом распространённости. Например, хлор содержит 2 природных изотопа 35Cl и37Cl, содержание которых составляет соответственно 75% и 25%. Таким образом, атомная масса хлора будет равна:

    Аr(Cl)=0,75.35+0,25.37=35,5

    Для тяжёлых искусственно-синтезированных атомов приводится одно значение атомной массы в квадратных скобках. Это атомная масса наиболее устойчивого изотопа данного элемента.

    Основные модели строения атома

    Исторически первой в 1897 году была модель атома Томсона.


    Рис. 1. Модель строения атома Дж. Томсона

    Английский физик Дж. Дж. Томсон предположил, что атомы состоят из положительно заряженной сферы, в которую вкраплены электроны (рис. 1). Эту модель образно называют «сливовый пудинг», булочка с изюмом (где «изюминки» – это электроны), или «арбуз» с «семечками» – электронами. Однако от этой модели отказались, т. к. были получены экспериментальные данные, противоречащие ей.

    Рис. 2. Модель строения атома Э. Резерфорда

    В 1910 году английский физик Эрнст Резерфорд со своими учениками Гейгером и Марсденом провели эксперимент, который дал поразительные результаты, необъяснимые с точки зрения модели Томсона. Эрнст Резерфорд доказал на опыте, что в центре атома имеется положительно заряженное ядро (рис. 2), вокруг которого, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются электроны. Атом в целом электронейтрален, а электроны удерживаются в атоме за счет сил электростатического притяжения (кулоновских сил). Эта модель имела много противоречий и главное, не объясняла, почему электроны не падают на ядро, а также возможность поглощения и излучения им энергии.

    Датский физик Н. Бор в 1913 году, взяв за основу модель атома Резерфорда, предложил модель атома, в которой электроны-частицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца.

    Рис. 3. Планетарная модель Н. Бора

    Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это так, Бор в то время объяснить не мог. Но он показал, что такая модель (рис. 3) позволяет объяснить многие экспериментальные факты.

    В настоящее время для описания строения атома используется квантовая механика. Это наука, главным аспектом в которой является то, что электрон обладает свойствами частицы и волны одновременно, т. е. корпускулярно-волновым дуализмом. Согласно квантовой механике, область пространства, в которой вероятность нахождения электрона наибольшая, называется орбиталью. Чем дальше электрон находится от ядра, тем меньше его энергия взаимодействия с ядром. Электроны с близкими энергиями образуют энергетический уровень. Число энергетических уровней равно номеру периода, в котором находится данный элемент в таблице Д.И. Менделеева. Существуют различные формы атомных орбиталей. (Рис. 4). d-орбиталь и f-орбиталь имеют более сложную форму.

    Рис. 4. Формы атомных орбиталей

    В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме размещаются так, чтобы их энергия была минимальной. Чем дальше электрон находится от ядра, тем больше орбиталей и тем сложнее они по форме. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов. Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей.

    На первом энергетическом уровне, наиболее близком к ядру, может существовать одна сферическая орбиталь (1s). На втором энергетическом уровне – сферическая орбиталь, большая по размеру и три р-орбитали: 2s2ppp. На третьем уровне: 3s3ppp3ddddd.

    Кроме движения вокруг ядра, электроны обладают еще движением, которое можно представить, как их движение вокруг собственной оси. Это вращение называется спином (в пер. с англ. «веретено»). На одной орбитали могут находиться лишь два электрона, обладающих противоположными (антипараллельными) спинами.

    Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле N=2n2.

    Где n – главное квантовое число (номер энергетического уровня).

    В зависимости от того, на какой орбитали находится последний электрон, различают s, p-, d-элементы. Элементы главных подгрупп относятся к s, p-элементам. В побочных подгруппах находятся d-элементы

    Графическая схема строения электронных слоев атомов (электронно-графическая формула).

    Для описания расположения электронов на атомных орбиталях используют электронную конфигурацию. Для её написания в строчку пишутся орбитали в условных обозначениях (s-, p-, d-, f-орбитали), а перед ними – числа, обозначающие номер энергетического уровня. Чем больше число, тем дальше электрон находится от ядра. В верхнем регистре, над обозначением орбитали, пишется количество электронов, находящихся на данной орбитали (Рис. 5).

    Графически распределение электронов на атомных орбиталях можно представить в виде ячеек. Каждая ячейка соответствует одной орбитали. Для р-орбитали таких ячеек будет три, для d-орбитали – пять, для f-орбитали – семь. В одной ячейке может находиться 1 или 2 электрона. Согласно правилу Гунда, электроны распределяются на одинаковых по энергии орбиталях (например, на трех p-орбиталях) сначала по одному, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Такие электроны называют спаренными. Объясняют это тем, что в соседних ячейках электроны меньше отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные частицы.

    См. рис. 6 для атома 7N.

    Электронная конфигурация атома скандия

    21Sc: 1s2 2s22p63s23p64s23d1

    Электроны внешнего энергетического уровня называются валентными. 21Sc относится к d-элементам.

    Планетарная модель атома

    Чтобы отбросить -частицу, положительный заряд атома должен создавать куда более сильное электрическое поле, чем то, которое получается в модели Томсона. А чтобы создать такое поле, положительный заряд должен быть сосредоточен в области, гораздо меньшей размера атома.

    Размер этой области можно вычислить. Если положительный заряд занимает область размером , то вблизи заряда создаётся электрическое поле с потенциалом

    Зная кинетическую энергию -частицы, можно найти величину тормозящего потенциала , а затем и размер положительно заряженной области. Вычисления, проведённые Резерфордом, дали следующий результат:

    Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 3 ).

    Рис. 3. Планетарная модель атома

    В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, словно планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему.

    Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион.

    Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома.

    Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню ( м). Тогда ядро окажется горошиной размером мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине!

    Вот таким удивительным объектом оказался атом. Однако планетарная модель атома, объяснив результаты опытов Резерфорда по рассеянию -частиц, оказалась лишь первым шагом на пути к пониманию внутриатомных процессов. А именно, планетарная модель приводила к одному серьёзному противоречию, и преодоление этого противоречия Нильсом Бором положило начало физике атома. Читаем следующий листок!

    Читать еще:  Какой диаметр труб из металлопластика выбрать?
  • Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector