2 развитие представлений о природе атома



Развитие представлений о природе атома

Гипотеза об атомном строении материи существовала со времен Демокрита (п.2.1.1). Ньютон предложил картину мира, в которой абсолютная пустота частично заполнена материей, состоящей из абсолютно твёрдых неделимых атомов.

Однако, результаты опытов (электризация трением, взаимодействие зарядов, химические превращения веществ, электролиз, газовый разряд, радиоактивность и др.), накопленные к концу XIX в., ставили под сомнение элементарное строение атома. Менделеев построил систему химических элементов на основе периодического изменения структуры атомов, химические реакции указывали на то, что молекулы могут распадаться на части, участвующие в образовании новых молекул, причём «связующим материалом» являются электрические заряды.

Непосредственное наблюдение микромира невозможно и учёные строили гипотезы на основе анализа опытов по электролизу, химическим превращениям, процессам в газоразрядных трубках и др.

Одним из способов изучения и дифференциации частиц было определение отношения их заряда к массе: . При движении частицы с зарядом q в однородном электрическом поле (вдоль линии напряжённости) на неё действует сила Fэ = q×E (п.5.1.1.5), в однородном магнитном поле (нормально к его силовым линиям) – сила Fл = q×v×B (п.5.2.3).

Одним из распространённых опытов было движение ионов в газоразрядной трубке в электрическом и магнитном полях. Регистрация частиц проходила либо в виде сцинтилляций (искрения) при попадании частиц на светящееся вещество в конце трубки, либо они засвечивали фотопластинку, либо как-то ещё.

Если действия электрического и магнитного полей скомпенсированы и частица не отклоняется (q×E = q×v×B), то . Зная v и длину трубки l, можно определить время движения . Выключив электрическое поле при известных х, у и t, определяют период движения частиц Т, (п.5.2.3.1), откуда и (п.5.2.3.1).

Таким образом, о частицах судили по их . Из всех известных тогда частиц с минимальным зарядом наименьшей массой обладал ионизированный атом Н + .

В 1895 г. Жан Перрен (1870–1942, Франция) собрал катодные лучи (п.7.5.10) в изолированном сосуде и доказал, что они несут отрицательный заряд. Джозеф Томсон (1856–1940, Англия) предположил, что катодные лучи есть поток отрицательно заряженных частиц. Он поставил эксперимент по их отклонению в электрическом и магнитном полях и определил, что заряд каждой частицы по значению равен заряду иона Н + , а отношение для неё таково, что её масса примерно в 2000 раз меньше массы Н + .

Эту частицу назвали «электрон» (е). Равенство значений зарядов е и Н + , отсутствие заряда у нейтрального атома Н и опыты по электролизу привели учёных к мысли, что нейтральный атом водорода состоит из положительно заряженной части, в которой сосредоточена практически вся его масса и отрицательно заряженной части, масса которой пренебрежимо мала.

Таким образом, на рубеже XIX–XX веков учёные укрепились в мысли, что атомы имеют сложную структуру и состоят из более мелких частиц.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Источник

Вопрос. Развитие представлений о строении атома. Квантовые постулаты Бора.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Его модель представляла собой “кекс с изюмом”. В положительно заряженную частицу как бы вкраплены отрицательно заряженные электроны.

Однако модель Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.

Позже появилась другая модель строения атома, которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеиванием альфа-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики.

Читайте также:  Рисунок уборка мусора на природе

Постулаты Бора.

1 постулат. Существуют особые, стационарные состояния атома, находясь в которых атом не излучает энергию, при этом электроны в атоме движутся с ускорением. Каждому стационарному состоянию соответствует определенная энергия.

2 постулат.Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

В 1914 году Франк и Герц поставили опыт, подтверждающий теорию Бора: атомы разреженного газа обстреливались медленными электронами с последующим исследованием распределения электронов по абсолютным значениям скоростей до и после столкновения. При упругом ударе распределение не должно меняться, так как изменяется только направление вектора скорости. Результаты показали, что при скоростях электронов меньше некоторого критического значения удары упруги, а при критической скорости столкновения становятся неупругими, электроны теряют энергию, а атомы газа переходят в возбуждённое состояние. При дальнейшем увеличении скорости удары снова становились упругими, пока не достигалась новая критическая скорость. Наблюдаемое явление позволили сделать вывод о том, что атом может или вообще не поглощать энергию, или же поглощать в количествах равных разности энергий стационарных состояний.

Билет 5.

Вопрос. Спектры излучения и поглощения. Спектральный анализ и его применение.

Спектр— относительная интенсивность электромагнитного излучения объекта исследования по шкале частот.

Свет, излучаемый источником, обычно имеет сложный состав.

Совокупность частот или длин волн, излучаемых данным веществом, называют спектром излучения.

Линейчатый . В таком спектре присутствуют только некоторые частоты. Каждый атом излучает строго определенный набор частот. Спектр излучения натрия
Полосатый Состоит из отдельных цветных полос, разделенных темными промежутками. Эти полосы представляют собой совокупность большого числа близко расположенных линий, сливающихся между собой. Солнечный спектр
Непрерывный или сплошной В нем представлены все частоты (длины волн).

Вид спектра зависит от свойств излучающих атомов, а также от характера взаимодействия их друг с другом.

Спектром поглощения называют набор частот или длин волн, поглощаемых данным веществом. Атомы химических элементов поглощают только те волны, которые способны сами излучать.

Спектральный анализ.

Главное свойство спектров в том, что длины волн линейчатого спектра вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого хим. элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов. На этом и основан спектральный анализ– метод определения хим. состава вещества по его спектру. В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Гелий сначала открыли на Солнце и лишь затем в атмосфере Земли. С помощью спектрального анализа также определяют химический состав руд и минералов.

Источник

Развитие представлений о строении атома

1) Кусочки материи.
Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, пр. характеристиками образующих его атомов: у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с дружкой, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.
2) «Пудинг с изюминками» (модель Томсона) .
Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняет сериальный характер излучения атома.
3) Атом, типа Сатурна. 1904 год. Хентара Нагаока. Маленькое положительное ядро, вокруг которого, по орбиталям, вращаются электроны.
4) Планетарная модель атома. 1911 год. Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой скорее некоторое подобие планетной системы, то есть что электроны движутся вокруг положительно заряженного тяжёлого ядра, расположенного в центре атома. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает. Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима.

Читайте также:  Природа философской мысли нового времени

Опыт Резерфорда

Эрнеста Резерфорда по рассеянию а- частиц при про­хождении через тонкие слои вещества. В этих опы­тах узкий пучок α-частиц, испускаемых радиоак­тивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обна­ружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохож­дения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель­ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу­сом 10 -10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра α-частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10 -15 μ.

Модель атома по Резерфорду

Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вра­щаются электроны (как планеты вокруг Солнца). За­ряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система; при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное:

электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

Постулаты Бора

В основу своей теории Бор положил два посту­лата. Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Второй постулат: при переходе из одного ста­ционарного состояния в другое испускается или по­глощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv = Еm Εn; h = 6,62 • 10 -34 Дж • с, где h — постоянная Планка.

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Источник

2.2. Развитие представлений о строении атома

До конца 19 века большинство учёных представляло атом как неразложимую и неделимую частицу элемента – «конечный узел» материи. Считалось также, что атомы неизменны: атом данного элемента ни при каких условиях не может превращаться в атом какого – либо другого элемента.

Конец 19 и начало 20 веков характеризуется новыми открытиями в физике и химии, изменившими взгляд на атом, как на неизменимую частицу, свидетельствовавшими о сложном составе атомов и о возможности их взаимопревращений.

Сюда относится, прежде всего, открытие электрона английским физиком Томсоном в 1897 г., открытие и изучение радиоактивности в конце 90 – х годов 19 в. А. Беккерелем, Марией и Пьером Кюри, Э. Резерфордом.

Примерно в начале ХХ в. исследования ряда явлений (излучений раскалённых тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия распространяется и передаётся, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать только определённые значения, которые являются кратными числами квантов.

Предположение о квантовой энергии впервые было высказано М. Планком (1900). Энергия кванта Е пропорциональна частоте излучения ν:

Читайте также:  Эссе чему я научилась у природы

где h– постоянная Планка (6,626 10 -34 Джс), ν=, с – скорость света,– длина волны.

В 1905 г. А. Эйнштейн предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, называемых фотонами. Из теории Эйнштейна следует, что свет имеет двойственную природу.

В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, состоящего из тяжёлого ядра, вокруг которого двигаются по орбитали электроны, подобно планетам солнечной системы. Однако, как показывает теория электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро.

Датский учёный Н. Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил первую квантовую модель (1913г.) строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешённым орбитам, на которых электрон обладает определёнными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Теория Бора позволила рассчитать энергию электронов, значения квантов энергии, испускаемых при переходе электрона с одного уровня на другой. Она не только объяснила физическую природу атомных спектров как результат перехода электронов с одних стационарных орбит на другие, но и впервые позволила рассчитывать спектры. Расчёт спектра простейшего атома – атома водорода, выполненный Бором, дал блестящие результаты: вычисленное положение спектральных линий в видимой части спектра совпало с их действительным местоположением в спектре. Но теория Бора не смогла объяснить поведение электрона в магнитном поле и все атомные спектральные линии, оказалась непригодной для многоэлектронных атомов. Возникла необходимость в новой модели атома, основанной на открытиях в микромире.

2.3. Квантово – механическая модель атома водорода. Исходные представления квантовой механики

В 1924г. Луи де Бройль (Франция) выдвинул предположение, что электрон, как и другие микрочастицы, характеризуется корпускулярно – волновым дуализмом. Де Бройль предложил уравнение, связывающее длину волны (λ) электрона или любой другой частицы с массой (m) и скоростью (v):

Волны частиц материи де Бройль назвал материальными волнами. Они свойственны всем частицам или телам, но, как следует из уравнения, для макротел длина волны настолько мала, что в настоящее время не может быть обнаружена. Так, для тела с массой 1000 кг, двигающегося со скоростью 108 км/ч (30 м/с), λ=2,21 10 -38 м.

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена обнаружением дифракционного и интерференционного эффектов потока электронов. В настоящее время дифракция потоков электронов, нейтронов, протонов широко используется для изучения структуры веществ.

В 1927 г. В. Гейзенберг (Германия) постулировал принцип неопределённости, согласно которому положение и импульс движения субатомной частицы (микрочастицы) принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью. В каждый момент времени можно определить только лишь одно из этих свойств. Э. Шредингер (Австрия) в 1926 г. вывел математическое описание поведения электрона в атоме. Сущность его заключается в том, что движение электронов в атоме описывается волновым уравнением, а определение местоположения электрона производится по вероятностным принципам. Уравнение Шредингера, являющееся основой современной квантово–механической теории строения атома, имеет вид (в простейшем случае):

(++) +U=E,

где h– постоянная Планка;m– масса частицы;U– потенциальная энергия; Е – полная энергия;x,y,z– координаты; ψ – волновая функция.

Для характеристики состояния электрона особо важное значение имеет волновая функция ψ. Определённый физический смысл имеет её квадрат – ψ 2 . Величина ψ 2 dv выражает вероятность нахождения электрона в объёме пространства dv, окружающего атомное ядро. В настоящее время уравнение имеет точное решение только для водорода и водородоподобных частиц Не + , Li2 + , т.е. для одноэлектронных частиц. Решение этого уравнения –задача сложная и рассмотрение её выходит за рамки данного курса.

Работы Планка, Эйнштейна, Бора, де Бройля, Гейзенберга, Шредингера заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц. Она основывается на представлении о квантовой энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.

Источник