Реферат: Строение атома

                       Реферат по химии на тему

                           «Строениеатома»

              

              

                  Существование закономернойсвязи между всеми

         химическими    элементами,    ярко   выраженное    в

         периодической  системе, наталкивает  на мысль о том,

         что в основе всех атомов лежит нечтообщее,  что  все

         они находятся в близком родстве друг сдругом. Однако

         до конца 19 в.  в химии господствовало метафизическое

         убеждение,  что атом есть наименьшая частица простого

         вещества,  последний предел  делимости материи.  При

         всех химических  превращениях  разрушаются и  вновь

         создаются  только  молекулы,   атомы   же  остаются

         неизменными  и не  могут  дробиться на более мелкие

         части.

               Но все  эти предположения  в  то время еще не

         могли     быть    подтверждены      какими      либо

         экспериментальными  данными. Лишь в конце 19в.  были

         сделаны открытия, показавшие сложностьстроения атома

         и возможность  превращения  при известных  условиях

         одних атомов в другие. На основе этихоткрытий начало

         быстро развиваться  учение о строенииатома.  Первые

         указания на сложную структуру  атомов были  получены

         при  изучении   катодных   лучей,  возникающих  при

         электрическом разряде в сильноразреженных газах. Для

         наблюдения этих лучей из стеклянной трубки,  в которую

         впаяны два металлическихэлектрода,  выкачивается  по

         возможности  весь воздух и затем пропускается сквозь

         нее ток высокого напряжения.  При таких условиях  от

         катода   трубки перпендикулярно  к  его поверхности

         распространяются «невидимые»катодные лучи, вызывающие

         яркое  зеленое   свечение  в  том  месте, куда  они

         попадают.   Катодные  лучи   обладают   способностью

         приводить в движение на их пути легкоподвижные тела и

         откланяются  от  своего   первоначального   пути  в

         магнитном и электрическом поле (впоследнем в сторону

         положительно заряженнойпластины).  Действие катодных

         лучей обнаруживается  только внутритрубки,  так как

         стекло для  них   непроницаемо.   Изучение  свойств

         катодных   лучей  привело   к  заключению, что  они

         представляют собой потокмельчайших  частиц,  несущих

         отрицательный   электрический   заряд и  летящих  со

         скоростью,  достигающей половины   скорости   света.

         Особыми  приемами удалось  определить массу катодный

         частицы и величину их заряда.  Оказалось, что  масса

         каждой частицы равняется 0,00055 углеродной единицы,

         что составляет всего  1.1840 часть  массы  водорода,

         самого легкого из всех атомов.  Заряд катодной частицы

         равняется   1,602  10   кулона,   или   4,803    10

         электростатических единиц.  Особенно замечательно, что

         масса частиц и величина их зарядане  зависит  ни  от

         природы газа, остающегося в трубке, ниот вещества из

         которого сделаны  электроды, ни  от  прочих условий

         опыта. Кроме того, катодные частицыизвестны только в

         заряженном состоянии и не  могут быть  лишены  своих

         зарядов,     не    могут     быть    превращены    в

         электронейтральные   частицы:  электрический   заряд

         составляет,  самую сущность их природы.  Эти частицы

         получили   название  электронов.   По    современным

         воззрениям,    заряд   электрона   есть   наименьший

         электрический заряд, наименьшее кол-воэлектричества,

         какое только может существовать.  Вкатодных трубках

         электроны   отделяются  от   катода   под  влиянием

         электрического  заряда. однако они могут возникать и

         вне всякой  связи  с электрическим  зарядом.   Так,

         например,   все  металлы   испускают  электроны при

         накаливании;  в пламени горелки  также  присутствуют

         электроны;  многие вещества выбрасывают электроны при

         освещении   ультрафиолетовыми,   рентгеновскими   или

         лучами   света  (фотоэффект).  Выделение  электронов

         самыми разнообразными веществамиуказывает на то, что

         эти   частицы   входят   в  состав   всех   атомов;

         следовательно атомы являютсясложными  образованиями,

         построенными  из более  мелких  структурных единиц.

         Изучение  строение атома  практически   началось  в

         1897-1898  гг., после  того  как была  окончательно

         установлена  природа катодных   лучей   как  потока

         электронов  и были определены величина заряда и масса

         электрона.   Факт  выделения    электронов    самыми

         разнообразными  веществами приводил  к  выводу, что

         электроны входят в состав  всех атомов.  Но  атом  в

         целом  электрически   нейтрален;  следовательно,  он

         должен содержать в себе ещедругую  составную  часть,

         заряженную   положительно,  причем ее  заряд  должен

         уравновешивать    сумму    отрицательных     зарядов

         электронов,  Эта положительно заряженная часть атома

         была открыта в 1911 г.  Резерфордом при  исследовании

         движения -частиц в газах и другихвеществах. -частицы

         выбрасываемые   атомами  радиоактивных    элементов,

         представляют   собой положительно  заряженные  ионы

         гелия, скорость  движения  которых достигает  20000

         км/сек.  Благодаря такой огромной скорости -частицы,

         пролетая через  воздух и  сталкиваясь  с молекулами

         газов,   выбивают  из   них   электроны.  Молекулы,

         потерявшие    электроны,    становятся    заряженные

         положительно,    выбитые   же    электроны    тотчас

         присоединяются  к другим  молекулам  , заряжая   их

         отрицательно.   Таким образом,  в  воздухе на  пути

         -частиц  образуются  положительно   и   отрицательно

         заряженные    ионы   газа.    Способность    -частиц

         ионизировать  воздух была   использована   английским

         физиком  Вильсоном для  того,  чтобы сделать видимыми

         пути движения отдельных частиц исфотографировать  их.В

         последствии  аппарат для фотографирования -частиц был

         назван камерой Вильсона.  Рассматривая пути  движения

         -частиц   в  камере  Вильсона,  мы видим,  что  они

         прямолинейны.В то же время,  как показывает  теория,

         каждая частица  на  протяжении своего  пути.  а  он

         достигает в  воздухе 11см,  должна  встретить сотни

         тысяч атомов.  Если  тем  не  менее путь ее остается

         прямолинейным,  то это можно объяснить только тем, что

         -частица  пролетает сквозь  атомы.  Более тщательное

         исследование  этого  явления   показало,   что  при

         прохождении пучка параллельных лучейсквозь слой газа

         или тонкую металлическую  пластинку выходят  уже  не

         параллельны,   а  несколько   расходятся:  происходит

         рассеяние   -частиц,   т.е.    отклонение    от   их

         первоначального  пути.Углы отклонения  невелики,  но

         всегда имеется  небольшое  число частиц   (1/8000),

         которые  отклоняются очень сильно,  некоторые частицы

         отбрасываются назад,  как если бы на пути встретилось

         что-то твердое непроницаемое.  (добавитьо том,  что

         это не электроны их масса в  7500 раз  меньше  массы

         -частиц,  отклонение из-за положительных частиц того

         же порядка,  что  и  -частицы)   Исходя   из  этих

         соображений,   Резерфорд  предложил  следующую  схему

         строения атома.  В центре атома находится положительно

         заряженное  ядро, вокруг  которого по разным орбитам

         вращаются  электроны. Возникающая  при  их вращении

         центробежная  сила уравновешивается притяжением между

         ядром и  электронами, вседствии  этого  остаются на

         определенных  расстояниях от  ядра.  Так как  масса

         электрона  ничтожна мала,   то   почти  вся   масса

         сосредоточена   в его  ядре.  Размеры атома  и  его

         отдельных  частей выражается   следующими   числами:

         диаметр  атома - 10 см.,  диаметр электрона — 10см и

         диаметр ядра от 10 до 10 см. Отсюдаясно, что на долю

         ядра и электронов,  число которых, как увидим дальше,

         сравнительно невелико,  приходиться лишь,  ничтожная

         часть всего пространства,  занятого атомной системой.

         Предложенная Резерфордом схема  строения атома  или,

         как  обыкновенной   говорят,   модель атома,  легко

         объясняет явления отклонение-частиц.  Действительно,

         размеры  ядра  иэлектронов очень малы по сравнению с

         размерами всего атома,  которые определяются орбитами

         наиболее   удаленных  от  ядра  электронов; поэтому

         большинство  -частиц пролетает   через   атомы  без

         заметного  отклонения. Только  в тех случаях,  когда

         -частицы очень близко подходит кядру,  электрическое

         отталкивание   вызывает  резкое   отклонение  ее  от

         первоначального   пути.  Таким   образом,   изучение

         рассеяние   -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 в

         целом электрически  нейтрален,  то, определив заряд

         ядра, можно было бы установить и числоокружающих ядро

         электронов. В решении этой задачи этойбольшую помощь

         оказало  изучение  спектров   рентгеновских   лучей.

         Рентгеновские лучи возникают при ударебыстро летящих

         электронов о какое-либо твердое тело иотличаются  от

         лучей видимого света толькозначительно меньшей длиной

         волны. В то время как короткие световые волны имеют

         длину около 4000 ангстремов(фиолетовые лучи),  длины

         волн рентгеновских лучей лежат впределах  от  20  до

         0,1 ангстрема.  Чтобы  получить спектр рентгеновских

         лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или

         дифракционной  решеткой. Теоретически  для  лучей с

         такой короткой длиной волны,  как рентгеновские лучи,

         нужно  было   приготовить  дифракционную решетку  с

         1000000  делений на  1  мм. Так  как   искусственно

         приготовить такую решетку невозможно,то долгое время

         спектр рентгеновских лучей неудавалось  получить.  В

         1912 г.  швейцарского  физика Лауэ  возникла  мысль

         использовать  кристаллы в   качестве   дифракционной

         решетки   для  рентгеновских   лучей.   Закономерное

         расположение  атомов в  кристаллах  и весьма  малые

         расстояния  между ними давали основание предполагать,

         что кристалл как раз и можетсыграть  роль  требуемой

         дифракционной   решетки.  Опыт  блестяще  подтвердил

         предположение Лауэ, вскоре удалосьпостроить приборы,

         которые    давали   возможность    получать  спектры

         рентгеновских  лучей почти   всех   элементов.  Для

         получения    рентгеновских   спектров  антикатод   в

         рентгеновских трубках делают из тогометалла,  спектр

         которого  хотят получить,  или же наносятсоединение

         исследуемого элемента.  Экраном для  спектра  служит

         фотографическая    пластинка   или   бумага;   после

         проявления на ней видны все линииспектра.  В 1913 г.

         английский ученый Мозли, изучаярентгеновские спектры

         нашел соотношение между  длинами волн  рентгеновских

         лучей    и  порядкового   номерами   соответствующих

         элементов — это носит название законаМозли  и может

         быть  сформулированно   следующим   образом:  Корни

         квадратные из обратных значений длинволн находятся в

         линейной зависимости от порядковыхномеров элементов.

               Еще до  работ Мозли  некоторые   теоретические

         соображения  позволяли предположить,  что порядковый

         номер элемента указывает числоположительных  зарядов

         ядра его  атома.  В  тоже  время Резерфорд,  изучая

         рассеивание  -частиц при  прохождении  через тонкие

         металлические   пластинки,  нашел,  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 атомного веса.  Все вместе  взятое

         привело  к выводу,  что  Заряд ядра  численно равен

         порядковому номеру  элемента. Таким  образом,  закон

         Мозли позволил  определить зарядыатомных ядер.  Тем

         самым, ввиду нейтральности атомов,было установлено и

         число электронов,  вращающихся  вокруг ядра в атоме

               каждого элемента.    Ядерная   модель    атома

         Резерфорда   получила  свое   дальнейшее    развитие

         благодаря  работам Нильс  Бора,  в которых учение о

         строении атома неразрывно  связывается с  учением  о

         происхождении спектров. Линейчатыеспектры получаются

         при разложении света испускаемогораскаленными парами

         или газами.  Каждому  элементу отвечает свой спектр,

         отличающийся   от   спектров    других    элементов.

         Большинство  металлов дает  очень  сложные спектры,

         содержащие огромное число линий (вжелезе  до  5000),

         но  встречаются   и  сравнительно простые  спектры.

         Развивая ядерную теориюРезерфорда,  ученые пришли  к

         мысли, что  сложная  структура линейчатых  спектров

         обусловлена происходящими внутри  атомов колебаниями

         электронов.  По теории  Резерфорда,  каждый электрон

         вращается вокруг ядра,  причем сила притяжения  ядра

         уравновешивается центробежнойсилой,  возникающей при

         вращении  электрона. Вращение  электрона  совершенно

         аналогично  его быстрым  колебаниям и должновызвать

         испускание  электромагнитных  волн.  Поэтому   можно

         предположить,  что вращающийся электрон излучает свет

         определенной  длины волны,  зависящий  от  частоты

         обращения  электрона по  орбите.  Но, излучая свет,

         электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего

         нарушается   равновесие  между   ним  и ядром;  для

         восстановления равновесия электрондолжен  постепенно

         передвигаться ближе к ядру,  причем так же постепенно

         будет изменяться  частота  обращения  электрона   и

         характер  испускаемого им  света.  В конце  концов,

         исчерпав всю энергию,  электрон должен  «упасть»  на

         ядро, и излучение света прекратится.Если бы на самом

         деле происходило такое непрерывноеизменение  движения

         электрона,   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

         линий спектра,  ни  и  самосуществование линейчатых

         спектров. В 1913 г. Бор предложил соютеорию строения

         атома, в  которой  ему удалось с большим искусством

         согласовать спектральные явления  с ядерной  моделью

         атома, применив к последней так называемую квантовую

         теорию   излучения,  введенную   в   науку  немецким

         ученым-физиком   Планком.  Сущность  теории  квантов

         сводится к тому,  что лучистая энергия испускается  и

         поглощается не непрерывно,  как принималось раньше, а

         отдельными малыми, но вполнеопределенными порциями -

         квантами  энергии. Запас  энергии  излучающего тела

         изменяется скачками,  квант за квантом; дробное  число

         квантов  тело не  может ни испускать,  ни поглощать.

         Величина кванта энергии зависит отчастоты  излучения

         : чем больше частота излучения,  тембольше величина

         кванта.  Обозначая квант  энергии  через  ,   можно

         написать:  = где — постоянная величина, так называемая

         константа Планка,  равная 6,625 10  эрг сек.  Кванты

         лучистой энергии называются такжефотонами.  Применив

         квантовые представления к вращениюэлектронов  вокруг

         ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые

         предположения,  или постулаты.  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 междутеоретическими

         результатами   и огромным  числом  экспериментальных

         фактов.  Постулаты Бора  заключаются  в  следующем:

         Электрон может двигаться вокруг не полюбым орбитам, а

         только по таким,  которые удовлетворяют  определенными

         условиям,  вытекающим из теории квантов.  Эти орбиты

         получили название  устойчивых или  квантовых  орбит.

         Когда электрон  движется по одной извозможных для

         него 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 квант

         лучистой энергии.  Частота излучаемого при этом света

         определяется радиусами тех двух орбит,между которыми

         совершается  переход  электрона.   Обозначив   запас

         энергии   атома при  положении  электрона на  более

         удаленной от ядра орбите через Е, ана более близкой

         через Е и разделив потерянную атомомэнергию Е — Е на

         постоянную Планка, получим искомуючастоту:

                                =------

               Чем больше  расстояние от  орбиты,  на которой

         находится электрон,  до той, на которую он переходит,

         тем больше частота излучения.  Простейшим из  атомов

         является   атом  водорода;   вокруг   ядра которого

         вращается только один электрон. Исходяиз приведенных

         постулатов, Бор рассчитал радиусывозможных орбит для

         этого электрона  и нашел,  что  они относятся,  как

         квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3:… n Величина

         n получила название главногоквантового числа. Радиус

         ближайшей  к ядру  орбиты в атоме водородаравняется

         0,53 ангстрема. Вычисленные отсюдачастоты излучений,

         сопровождающих  переходы электрона с одной орбиты на

         другую,   оказались  в   точности   совпадающими   с

         частотами,  найденными на опыте для линий водородного

         спектра Тем самым была доказанаправильность расчета

         устойчивых  орбит, а  вместе  с тем  и приложимость

         постулатов  Бора для  таких  расчетов. В  дальнейшем

         теория Бора была распространена и наатомную структуру

         других элементов, хотя это былосвязанно с некоторыми

         трудностями из-за ее новизны.

        

               Теория Бора  позволила разрешить  очень важный

         вопрос о расположении электроновв  атомах различных

         элементов  и установить зависимость свойств элементов

         от строения  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 достоверная

         гипотеза,  позволяющая объяснить многие физические  и

         химические  свойства элементов.  Как  раньше уже было

         сказанно,  число электронов,  вращающихся вокруг ядра

         атома, соответствует  порядковому  номеру элемента в

         периодической системе.

               Электроны расположены  по слоям, т.е.  каждому

         слою принадлежит определенноезаполняющие или как  бы

         насыщающее его число электронов.  Электроны одного и

         того же слоя характеризуются почтиодинаковым запасом

         энергии,   т.е.  находятся  примерно  на одинаковом

         энергетическом уровне. Вся оболочкаатома распадается

         на  несколько   энергетических   уровней. Электроны

         каждого следующего слоя находятся  на более  высоком

         энергетическом   уровне, чем  электроны  предыдущего

         слоя. Наибольшее   число   электронов  N,   могущих

         находиться  на данном  энергетическомуровне,  равно

         удвоенному квадрату номера слоя:

                                      N=2n

               где n-номер слоя. Таким образомна 1-2, на 2-8,

         на 3-18 и т.д.  Кроме того,  установлено, что число

         электронов в наружном слое длявсех  элементов,  кроме

         палладия,  не превышает восьми,  а впредпоследнем -

         восемнадцати.

               Электроны наружного    слоя,   как    наиболее

         удаленные от ядра и,  следовательно, наименее прочно

         связанные  с ядром,  могут  отрываться от  атома  и

         присоединяться  к другим  атомам,  входя  в   состав

         наружного  слоя последних.  Атомы, лишившиеся одного

         или нескольких  электронов,  становятся  заряженные

         положительно,  так как  заряд  ядра атома превышает

         сумму зарядов оставшихсяэлектронов.  Наоборот  атомы

         присоединившие    электроны  становятся   заряженные

         отрицательно.  Образующиеся таким  путем  заряженные

         частицы,   качественно отличные  от  соответствующих

         атомов. называются ионами. Многие ионыв свою очередь

         могут терять  или присоединятьэлектроны,  превращаясь

         при этом или в электронейтральныеатомы,  или в новые

         ионы с другим зарядом.

               Теория Бора оказалаогромные  услуги  физике и

         химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов

         спектроскопии и объяснениюмеханизма  лучеиспускания,

         а с другой — к выяснению структурыотдельных атомов и

         установлению связи между ними.  Однако оставалось еще

         много явлений  в  этой области,  объяснить  которые

         теория Бора не могла.

               Движение электронов в атомахрисовалось Бору до

         известной   степени   как    простое    механическое

         перемещение,   между тем  как  оно является  весьма

         сложным   и  своеобразным.   Своеобразие    движения

         электронов  было раскрыто новой теорией — квантовой,

         или  волновой,   механикой.    Квантовая   механика

         показывает,  что законы  движения  электронов имеют

         много общего с законамираспространения волн.  Я хочу

         лишь основное уравнение волновоймеханики,  в связи с

         ее сложностью:  связывающие длину  волны для  потока

         электронов с их скоростью и массой :

              

                                   =-----

              

         где h- постоянная Планка.

               Охватывая более  широкий круг   явлений,   чем

         теория Бора,  решает ряд вопросов,  с которыми теория

         Бора справится не смогла.

               Так, например,  при помощи  волновой  механики

         получает объяснение  устойчивость лишь  определенных

         электронных  орбит. «Устойчивыми»  являютсялишь те

         орбиты, на которых укладывается целоечисло волн. Так

         как длина  круговой орбиты с радиусомr равна 2 r, то

         устойчивость орбиты будет определятсяур-нием:

              

                          2 r=------

               

               где n-целое число.  Это и есть  математическое

         выражение  первого постулата Бора,  которое он в 1913

         г. положил в основу  расчета  движения электрона  в

         атоме водорода.

               В приведенном выше  ур-ние n-главное  квантовое

         число. Принимает значения любого натурального числа.

        

               1) Главное квантовое число nопределяет уровень

         энергии,  которому отвечает  данная  орбита, и   ее

         удаленность   от  ядра.   Главное   квантовое число

         определяет    среднее   радиальное     распределение

         электронной  плотности около  ядра.  Помимо главного

         квантового  числа, состояние   электрона   в  атоме

         характеризуется еще тремя другимиквантовыми числами:

         l,m,s.

               2) Побочное  (азимутальное)  квантовое число l

         характеризует момент  количества движения  электрона

         относительно  центра орбиты.  Оно  определяет форму

         электронного облака (форму  орбиты), его  сплошность

         или разрывы и его вытянутость. (s,p,dорбитали)

               3) Магнитное  квантовое число   m   определяет

         положение  плоскости орбиты электрона в пространстве

        или,  согласно представления  волновой механики,  то

         направление,  в котором вытянуто электронное облако.

         Равно по модулю l.

               4) Спиновое   квантовое  число   s  определяет

         направление  вращения электрона.   может   принимать

         только два значения.

               На основании   анализа  спектров   и    учета

         положения  элементов в периодической системе физиком

         Паули был найден общий принцип,  позволяющий избрать

         те  сочетания   квантовых  чисел, которые  отвечают

         реальной действительности.  Согласно этому  принципу

         два  электрона   в   атоме не  могут  иметь четыре

         одинаковых квантовых числа.

еще рефераты
Еще работы по химии