Раздел II. Строение вещества

2.1. Строение атома.

До конца 19 века полагали, что атом неделимая и неизменяющаяся частица. Это находило подтверждение при проведении химических реакций, в которых вещества реагируют друг с другом в определенных массовых отношениях. Но наука развивалась, накапливались новые данные, которые вынуждали по-другому смотреть на природу и строение атомов. Господствующая сегодня точка зрения об электронном строении атома основывается на ряде экспериментальных и теоретических предпосылок.

2.1.1. Экспериментальные предпосылки теории

Многими научными исследованиями было показано, что атом имеет сложное строение.

а) открытие электронов.

Из электрохимических исследований стало очевидно, что атомы могут нести положительный или отрицательный заряд, поскольку они выделяются на катоде или аноде электролизера. В 1870 году Стони пытался определить величину единичного заряда, связанного с одним одновалентным атомом и названного им электроном. Заряд электрона был определен позже Милликеном (1906-1916 г.г.) q_e=1,602^.10^‑19 кл; а масса покоя m=9,109^.10^-31 кг.

б) открытие ядра и его свойства.

В опытах по рассеянию -частиц (Не²⁺) Э.Резерфордом было показано, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме – положительно заряженном ядре. Согласно модели Резерфорда, вокруг ядра на относительно большом расстоянии непрерывно движутся электроны, причем их число таково, что в целом атом электрически нейтрален. Объем ядра примерно в 10⁵ раз меньше атома, а масса одного протона примерно в 2000 раз больше массы электрона.

в) открытие радиоактивности.

Было показано, что атомы не являются неделимыми, в результате радиоактивного распада одни атомы могут превращаться в другие с выделением энергии.

г) Главной предпосылкой электронного строения атомов служат данные, полученные при изучении атомных спектров испускания или поглощения излучения, регистрируемые спектральными методами.

Планетарная модель Резерфорда противоречила факту устойчивости существования атомов. В результате ускоренного движения электрона расходуется энергия его электростатического взаимодействия с ядром и согласно расчетам через 10^-8 с электрон должен упасть на ядро. Согласно модели Резерфорда энергия атома должна уменьшаться непрерывно за счет излучения, образующего сплошной спектр. Однако экспериментально установлено, что все атомные спектры имеют дискретный (линейчатый) характер. Спектр является одной из важнейших характеристик атома и отражает его внутреннее строение. Атомные спектры многих элементов имеют очень сложную структуру. Например, Fe насчитывает свыше 5 тысяч линий. Наиболее простой спектр у атома водорода. В видимой области спектра имеется только 4 линии. В прилегающей к видимой УФ области имеется еще ряд линий, которые с первыми четырьмя объединяются в серию Бальмера (Швейцария) 1885 г.. Он обнаружил, что волновые числа =1/ линии этой серии очень точно выражаются следующей закономерностью:

R=109678 cм^-1 константа Ридберга, n – целое число>2.

2.1.2. Теоретические предпосылки.

а). Для объяснения особенностей (дискретности) спектров нагретых тел немецким ученым Планком 1900 г. была предложена теория, основанная на предположении, что энергия не излучается атомами непрерывно, а испускается отдельными мельчайшими неделимыми порциями – квантами, величина которых зависит от частоты излучаемого света:

Е = h, где Е – энергия кванта, Дж;  ‑ частота, с^-1; h = 6,626^.10^-34 Дж^.с – постоянная Планка (мера дискретности), одна из фундаментальных постоянных, она входит во все квантово-механические соотношения.

Согласно уравнению Планка энергия тела может меняться на величину, кратные h. Излучая квант света, атом переходит из одного энергетического состояния в другое.

б) Построенная на этих представлениях модель атома водорода по Бору позволила рассчитать его спектр, результаты хорошо совпали с экспериментальными данными. Однако, она оказалась непригодна для объяснения строения сложных атомов, начиная с гелия. Даже для атома водорода она не смогла объяснить тонкую структуру линейчатого спектра.

В 1924 году Луи де Бройль (Франция) высказал идею о том, что материя обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Согласно уравнению де Бройля , т.е. частице массой m, движущейся со скоростью v, соответствует длина волны .

Как правило, встретив две точки зрения, которые диаметрально противоположны, мы полагаем, что если одна из них истинна, то другая – непременно ложна. Нам трудно бывает принять, что возможны и иные уровни понимания: не "или‑или", а "и‑и", когда из двух взаимоисключающих концепций истинными могут оказаться обе, и в равной мере. Современному знанию известны объекты, которые могут быть описаны только как перечнем признаков, исключающих друг друга. Так свет представляет собой одновременно и волну и частицу. То же самое электрон. Он частица и в то же время волна, хотя одно исключает другое. Еще пример: в каждый данный момент электрон находится в определенной точке своей орбиты и в противоположность этому в тот же каждый момент он пребывает во всех точках пути своего движения.

Явление, которое может быть описано только признаками, исключающими друг друга, называется антиномией. Принцип антиномии известен не только в науке. Так по буддийской традиции об одном и том же предмете могут быть высказаны два противоположных суждения, при этом они не должны пониматься как противоречие.

В 1927 году были обнаружены у электронов как волновые, так и корпускулярные свойства. Было открыто явление дифракции электронов, т.е. при прохождении пучка электронов через дифракционную решетку на фотопленке наблюдается такая же дифракционная картина, как при прохождении излучения с длиной волны , рассчитанной по уравнению де Бройля.

Возникла необходимость изменить представление об электроне как о микроскопической заряженной частице, подчиняющейся тем же законам, каким подчиняются макроскопические тела. Возникла необходимость разработки новой теории, применимой к микрочастицам.

в) В 1925-1926 годах Гейзенберг (Германия) и Шредингер (Австрия) разработали теорию квантовой механики, описывающую движение микрочастиц. Одним из основных положений квантовой механики является соотношение неопределенностей, установленное Гейзенбергом. Согласно этому принципу невозможно точно определить местонахождение частицы и ее импульс Р=mV в данный момент времени.

Х^.Р_хh2. Согласно принципу неопределенности постоянная Планка ограничивает возможность одновременного точного определения положения микрочастицы в пространстве (неопределенность Х) и ее импульса (неопределенность Р_х).

На основании этих предпосылок была построена теория строения атома. Согласно принципу неопределенности невозможно утверждать, что электрон, имеющий определенную скорость, находится в данной точке пространства, здесь можно использовать лишь вероятностное описание.

Тест 2.1.2.а.

Тест 2.1.2.б.