Історія вивчення атома. Ядерна модель атома.

1. Історія вивчення атома. Ядерна модель атома.

2. Історія поняття атом Поняття атом, як і саме слово, має давньогрецьке походження, хоча істинність гіпотези про існування атомів знайшла своє підтвердження лише в 20 столітті. Основною ідеєю, яка стояла за даним поняттям протягом всіх сторіч, було уявлення про світ як про набір величезної кількості неподільних елементів, які є дуже простими за своєю структурою і існують від початку часів.

3. А́том (від грец. άτομοσ — неподільний) — найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно заряджених електронів.

4. Перші проповідники атомістичного вчення Резерфорд Демокріт Дальтон

5. Першим почав проповідувати атомістичне вчення в 5 столітті до нашої ери філософ Левкіпп. Потім естафету підхопив його учень Демокріт. Збереглися лише окремі фрагменти їх робіт, з яких стає зрозумілим, що вони виходили з невеликої кількості досить абстрактних фізичних гіпотез:«Солодкість і гіркота, спека і холод смисл визначення, насправді ж [тільки] атоми і пустота». Левкіпп

6. За Демокрітом, вся природа складається з атомів, найдрібніших часток речовини, які спочивають чи рухаються в абсолютно пустому просторі. Всі атоми мають просту форму, а атоми одного сорту є тотожними; різноманіття природи відображає різноманіття форм атомів і різноманіття способів, в які атоми можуть зчіплюватись між собою. І Демокріт, і Левкіп вважали, що атоми, почавши рухатись, продовжують рухатись за законами природи.

7. Найбільш важким для давніх греків було питання про фізичну реальність основних понять атомізму. В якому розумінні можна було говорити про реальність пустоти, якщо вона, не маючи матерії, не може мати ніяких фізичних властивостей? Ідеї Левкіпа та Демокріта не могли служити задовільною основою теорії речовини в фізичному плані, оскільки не пояснювали, ні з чого складаються атоми, ні чому атоми неділимі.

8. Через покоління після Демокріта, Платон запропонував своє рішення цієї проблеми: «найдрібніші частки належать не царству матерії, а царству геометрії; вони являють собою різні тілесні геометричні фігури, обмежені плоскими трикутниками».

9. Перші теорії про будову атома Одна з перших теорій про будову атома, яка має вже сучасні обриси, була описана Галілеєм (1564—1642). За його теорією речовина складається з часток, які не перебувають в стані спокою, а під впливом тепла рухаються у всі сторони; тепло — є нічим іншим як рухом часток. Структура часток є складною, і якщо позбавити будь-яку частку її матеріальної оболонки, то зсередини бризне світло. Галілей був першим, хто, хоча і в фантастичній формі, представив будову атома. Галілей

10. Наукові основи Ернест Резерфорд показав експериментально, що атом складається з ядра, оточеного негативно зарядженими частками — електронами. В 19 столітті Джон Дальтон одержав свідчення існування атомів, але припускав, що вони неподільні.

11. Загальна характеристика будови атома Атоми складаються із елементарних частинок (протонів, електронів, та нейтронів). Маса атома в основному зосереджена в ядрі, тому більша частина об'єму відносно порожня. Ядро оточене електронами. Кількість електронів дорівнює кількості протонів у ядрі, кількість протонів визначає порядковий номер елемента в періодичній системі. У нейтральному атомі сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному зарядові протонів. Атоми одного елемента з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами.

12. У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів та нейтронів. Ядро атома приблизно в 100 000 разів менше, ніж сам атом. Таким чином, якщо збільшити атом до розмірів аеропорту Бориспіль, розмір ядра буде меншим від розміру кульки для настільного тенісу. Ядро оточене електронною хмарою, яка займає більшу частину його об'єму. В електронній хмарі можна виділити оболонки, для кожних з яких існує кілька можливих орбіталей. Заповнені орбіталі складають електронну конфігурацію, властиву для кожного хімічного елемента.

13. Коли електрони приєднуються до атому, вони опускаються на орбіталь із найнижчою енергією. Лише електрони зовнішньої оболонки можуть брати участь в утворенні міжатомних зв'язків. Атоми можуть віддавати та приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами. Хімічні властивості елемента визначаються тим, з якою легкістю ядро може віддавати або здобувати електрони. Це залежить як від числа електронів так і від ступеня заповненості зовнішньої оболонки.

14. Розмір атома Для атомів, що кристалів не формують, використовують інші техніки оцінки, включаючи теоретичні розрахунки. Ще одною характеристикою розмірів атома є радіус ван дер Ваальса — віддаль, на яку до даного атома може наблизитися інший атом. Міжатомні віддалі в молекулах характеризуються довжиною хімічних зв'язків або ковалентним радіусом. Розмір атома є величиною, що важко піддається вимірюванню, адже центральне ядро оточує розмита електронна хмара. Для атомів, що утворюють тверді кристали, відстань між суміжними вузлами кристалічної ґратки може слугувати наближеним значенням їхнього розміру.

15. Ядро Основна маса атома зосереджена у ядрі, яке складається з нуклонів: протонів і нейтронів, зв'язаних між собою силами ядерної взаємодії.Кількість протонів у ядрі атома визначає його атомним номером і те, якому елементові належить атом. В періодичній таблиці елементи перелічені в порядку зростання атомного номера. Із збільшенням атомного номера зростає додатній заряд ядра, а, отже, кулонівське відштовхування між протонами. Щоб втримати протони вкупі необхідно дедалі більше нейтронів. Проте велика кількість нейтронів нестабільна, і ця обставина накладає обмеження на можливий заряд ядра і кількість хімічних елементів, що існують в природі. Хімічні елементи з великими атомними номерами мають дуже малий час життя, можуть бути створені лише при бомбардуванні ядер легших елементів іонами, й спостерігаються лише під час експериментів з використанням прискорювачів. Станом на лютий 2008 року найважчим синтезованим хімічним елементом є унуноктій

16. Енергія атома та її квантування Значення енергії, які може мати атом, обчислюються й інтерпретуються, виходячи з положень квантової механіки. При цьому враховуються такі фактори, як електростатична взаємодія електронів з ядром та електронів між собою, спіни електронів, принцип нерозрізнюваності часток. У квантовій механіці стан, в якому перебуває атом описується хвильовою функцією, яку можна знайти з розв'язку рівняння Шредінгера. Існує певний набір станів, кожен із яких має певне значення енергії.

17. Стан із найменшою енергією називається основним (стаціонарним) станом. Інші стани називаються збудженими. Атом перебуває в збудженому стані скінченний час, випромінюючи рано чи пізно квант електромагнітного поля (фотон) і переходячи в основний стан. В основному стані атом може перебувати довго. Щоб збудитися, йому потрібна зовнішня енергія, яка може надійти до нього тільки із зовнішнього середовища. Атом випромінює чи поглинає світло лише певних частот, які відповідають різниці енергій його станів. Можливі стани атома індексуються квантовими числами, такими як спін, квантове число орбітального моменту, квантове число повного моменту.

18. Квантові переходи в атомі Між різними станами атомів можливі переходи, викликані зовнішнім збуренням, найчастіше електромагнітним полем. Внаслідок квантування станів атома оптичні спектри атомів складаються із окремих ліній, якщо енергія кванта світла не перевищує енергію іонізації. При вищих частотах оптичні спектри атомів стають неперервними. Ймовірність збудження атома світлом падає із подальшим ростом частоти, але різко зростає при певних характерних для кожного хімічного елемента частотах в рентгенівському діапазоні. Збуджені атоми випромінюють кванти світла з тими ж частотами, на яких відбувається поглинання. Переходи між різними станами атомів можуть викликатися також взаємодією із швидкими зарядженими частками.

19. Електронні оболонки складних атомівСкладні атоми мають десятки, а для дуже важких елементів, навіть сотні електронів. Згідно з принципом нерозрізнюваності часток електронні стани атомів формуються всіма електронами, й неможливо визначити, де перебуває кожен із них. Однак, в так званому одноелектронному наближенні, можна говорити про певні енергетичні стани окремих електронів.Згідно з цими уявленнями існує певний набір орбіталей, які заповнюються електронами атома. Ці орбіталі утворюють певну електронну конфігурацію. На кожній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів (принцип виключення Паулі). Орбіталі групуються в оболонки, кожна з яких може мати лише певне фіксоване число орбіталей (1, 4, 10 тощо). Орбіталі поділяють на внутрішні й зовнішні. В основному стані атома внутрішні оболонки повністю заповнені електронами.

20. На внутрішніх орбіталях електрони перебувають дуже близько до ядра й сильно до нього прив'язані. Щоб вирвати електрон з внутрішньої орбіталі потрібно надати йому велику енергію, до кількох тисяч електрон-вольт. Таку енергію електрон на внутрішній оболонці може отримати лише поглинувши квант рентгенівського випромінювання.

21. Енергії внутрішніх оболонок атомів індивідуальні для кожного хімічного елемента, а тому за спектром рентгенівського поглинання можна ідентифікувати атом. Цю обставину використовують в рентгенівському аналізі. На зовнішній оболонці електрони перебувають далеко від ядра. Саме ці електрони беруть участь в формуванні хімічних зв'язків, тому зовнішню оболонку називають валентною, а електрони зовнішньої оболонки валентними електронами.

22. Ядерна модель атома Резерфорда Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора, у яких вчення про будову атома нерозривно связиваетсяс вченням про походження спектрів. Лінійчаті спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими парами або газами. Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів За теорією Резерфорда, кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила притягання ядра врівноважується відцентровою силою, що виникає при обертанні електрона.

23. Тому можна припустити, що обертаючись електрон випромінює світло певної довжини хвилі, валежній відчастоти обертання електрона по орбіті Зрештою, вичерпавши всю енергію, електрон повинен «впасти» на ядро, і випромінювання світла припиниться. Якби насправді відбувалася така безупинна зміна руху електрона, то іспектр виходив би завжди безупинний, а не з променями визначеної довжини хвилі. Крім того, «падіння» електрона на ядро ​​означало б руйнування атома і припинення його існування.

24. Таким чином, теорія Резерфорда була безсила пояснити не тільки закономірності враспределеніі ліній спектра, ні і саме існування лінійчатих спектрів. У 1913 р. Бор запропонував сою теорію будови атома, у якій йому вдалося з великим мистецтвом погодити спектральні явища з ядерною моделлю атома, застосувавши до останньої так звану квантову теорію випромінювання, введеннуювнауку німецьким ученим-фізиком Планком.