Реферат: Строение атома

Строениеатома.

В далёком прошлом философы Древней Грециипредполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства взависимости от её «сущности». Некоторые из них утверждали, что вещество состоитиз мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярногоучения были заложены позднее в работах русского учёного М.В. Ломоносова,французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона,итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показываетсуществование закономерной связи между всеми химическими элементами. Этоговорит о том что в основе всех атомов лежит нечто общее. До концаXIX векав химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простоговещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются исоздаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробитьсяна части. И наконец в концеXIXвека были сделаны открытия,показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов вдругие.

Это послужило толчком к образованию и развитиюнового раздела химии «Строение атома». Первым указанием на сложную структуруатома — были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическомразряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стекляннойтрубки, в которую впаяны дваметаллических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения.

При таких условиях от катода трубки перпендикулярнок его поверхности распространяются«невидимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в томместе, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить вдвижение. На их пути легко подвижные тела откланяются от своего первоначального пути вмагнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженнойпластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучениесвойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайшихчастиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающейполовины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда.Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Заряд равняется1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величинаих заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от веществаиз которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженномсостоянии и не могут существовать безсвоих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет,самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. В катодныхтрубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. Ноони могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, напримерпри электронной эмиссии металлы испускают электроны; при фотоэффекте многиевещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что этичастицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких«составных частей».

Изучениестроения атома практически началось в1897-1898 гг., после того как была окончательно установленаприрода катодных лучей как потокаэлектронов и были определены величиназаряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электронывходят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, изэтого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть,уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома былаоткрыта в 1911 г. Резерфордомпри исследовании движения

a-частиц в газах и других веществах.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

a- частицы, выбрасываемыевеществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия,скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромнойскорости a-частицы, пролетая черезвоздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы,потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчасприсоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно.Таким образом, в воздухе на пути a-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа.Способность a-частиц ионизироватьвоздух была использована английскимфизиком Вильсоном

для того, чтобы сделать видимыми путидвижения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат дляфотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц.Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано наконденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах,возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытесненадругими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движениячастиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны(пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкуюметаллическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся,т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицыотклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Модель атома Бор-Резерфорд

Исходя из этих наблюдений,Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находитсяположительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательныеэлектроны. Центростремительныесилы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают имулететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения a — частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению сразмерами всего атома, которыеопределяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтомубольшинство a-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда a-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкиваниевызывает резкое отклонение ее отпервоначального пути. Таким образом,изучение рассеяние a-частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития,было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом вцелом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можнобыло бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачиэтой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают приударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительноменьшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовыелучи), длины волн рентгеновских лучейлежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (ДифракционнаяРЕШЕТКА, оптический прибор; совокупностьбольшого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающихзеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которыхпроисходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на неепучок света в спектр, что используется в спектральных приборах. )

Для рентгеновских лучейтребовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр(примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить было невозможно.В 1912 г. у швейцарского физика Лауэвозникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.

Модель кристалла

Упорядоченное расположение атомов в кристаллеи малое расстояние между ними давало повод предполагать что как раз кристаллы иподойдут на роль требуемой дифракционной решётки.

Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которыедавали возможность получать спектр рентгеновских лучей почти всех элементов.

Для получения рентгеновскихспектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектркоторого хотят получить, или же наносятсоединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служитфотобумага; после проявленияна ней видны все линии спектра. В 1913 г.английский ученый Мозли,изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей ипорядкового номерами соответствующих элементов — это носит название законаМозли и может быть сформулировано следующим образом: Корни квадратные изобратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковыхномеров элементов.

Еще до работМозли некоторые учёные предполагали, чтопорядковый номер элемента указывает число зарядов ядра его атома. В тоже времяРезерфорд, изучая рассеивание a-частиц при прохождении через тонкие металлическиепластинки, выяснил, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента.Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомноговеса. Все вместе взятое привело к выводу, что Зарядядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить зарядыатомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и числоэлектронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получиласвое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора, в которых учение о строении атоманеразрывно связывается с учением опроисхождении спектров.

Бор (Bohr) Нильс Хенрик Давид (1885-1962)

Линейчатыеспектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами илигазами. Каждому элементу отвечает свойспектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов даеточень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются исравнительно простые спектры.

Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектровобусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращениеэлектрона совершенно аналогично егобыстрым колебаниям и должно вызватьиспускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает светопределенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет,электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановленияравновесия электрон должен постепеннопередвигаться ближе к ядру, причем также постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всюэнергию, электрон должен «упасть» на ядро, иизлучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такоенепрерывное изменение движенияэлектрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, «падение» электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования.Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении

Планк (Planck) Макс

(1858-1947)

линий спектра, ни и само существование линейчатыхспектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой емуудалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовуютеорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, чтолучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми,но вполне определенными порциями — квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может нииспускать, ни поглощать. Величина квантаэнергии зависит от частоты излучения:чем больше частота излучения, тем большевеличина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращениюэлектронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории оченьсмелые предположения, илипостулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классическойэлектродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в томполнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокругне по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбитыполучили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных длянего устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии.Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квантлучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами техдвух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чембольше расстояние от орбиты, на которойнаходится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частотаизлучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра котороговращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчиталрадиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, какквадраты натуральных чисел: 1: 2: 3:… n Величина n получила названиеглавного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водородаравняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений,сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказалисьв точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородногоспектра.Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для такихрасчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структурудругих элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями из-за ееновизны.

Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электроновв атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов отстроения электронных оболочек их атомов.В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов.Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достовернаягипотеза, позволяющая объяснить многиефизические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствуетпорядковому номеру элемента впериодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или какбы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасомэнергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Всяоболочка атома распадается

на несколько энергетических уровней. Электроныкаждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя:

N=2n*n

где n-номерслоя. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всехэлементов, кроме палладия, не превышаетвосьми, а в предпоследнем — восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и,следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться отатома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одногоили нескольких электронов, становятся заряженныеположительно, так как заряд ядра атомапревышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов. называются ионами.Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясьпри этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом.

Теория Бора оказала огромныеуслуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законовспектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой — к выяснениюструктуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось ещемного явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов в атомах Бор представлял какпростое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Этосвоеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда и пошло:«Карпускулярно-вролновой дуализм».

И так, электрон в атоме характеризуется:

1.

Главным квантовым числом n, указывающим на энергиюэлектрона;

2.

Орбитальным квантовым числом l, указывающим на характерорбиты;

3.

Магнитным квантовым числом, характеризующим положение облаков впространстве;

4.

И спиновым квантовым числом, характеризующим веретенообразное движениеэлектрона вокруг своей оси.

… В далёком прошлом философы Древней Грециипредполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства взависимости от её «сущности». А сейчас, в наше время, благодаря великим учёным,мы точно знаем, из чего на самом деле она состоит.

Используемая литература:

1)

Курс общеё химии (Н.В. Коровин)

2)

Курс общей химии (А.Н. Харин )

3)

Строение вещества (В.К. Васильев, А.Н. Шувалова)

4)

Физическая химия ( А.Л. Дайнэко )

еще рефераты

Еще работы по химии

Реферат по химии