Самостоятельная работа
1. Развитие теории строения атома
Достижения экспериментальной физики к концу XIX в. со всей убедительностью доказали неправомерность представлений о неделимости атома. Французский физик Беккерель в 1896 г. обнаружил самопроизвольное испускание урановыми рудами ранее неизвестного вида излучения, проникающего через вещества. позднее (1898 г.) то же явление было обнаружено и основательно изучено французскими учеными П. Кюри и М. Склодовской-Кюри, которые объяснили наблюдаемое излучение естественной радиоактивностью. Они открыли (1898г.) в урановых рудах два новых и более мощных источника излучения, чем сам уран. Ими оказались радиоактивные элементы полоний и радий. Было найдено, что радий претерпевает многоступенчатый спонтанный распад, который заканчивается образованием стабильного свинца. Поскольку атомы свинца качественно отличаются от атомов радия, такое превращение элементов можно объяснить только тем, что атомы обоих элементов построены из одинаковых, более мелких, чем сами атомы, частиц.
Первым основополагающим достижением в области изучения внутреннего строения вещества было создание модели атома английским физиком Резерфордом (1911 г.). По Резерфорду атом состоит из ядра, окруженного электронной оболочкою. датский физик теоретик Бор использовал представления Резерфорда и созданную немецким физиком Планком (1900 г.) квантовую теорию для разработки в 1913 г. теории водородоподобного атома и первой квантовой модели атома (модель атома Бора). Приняв, что электроны — это частицы, он описал атом как ядро, вокруг которого на разных расстояниях движутся по круговым орбитам электроны. В 1916 г. модель атома Бора была усовершенствована немецким физиком Зоммерфельдом, который объединил квантовую теорию Планка и теорию относительности Эйнштейна (1905 г.), создав квантовую теорию атомных орбит, которые по Зоммерфельду, могут быть не только круговыми, но и эллиптическими.
Следующий этап в становлении квантовой теории строения атома начался с теоретического обоснования французским ученым де Бройлем двойственной природы материальных частиц, в частности электрона. Он наряду с корпускулярным характером обладает и волновыми свойствами. Исходя из учения о корпускулярно-волновой природе частиц вещества, австрийский физик Шрёдингер и ряд других ученых разработали теорию движения микрочастиц — волновую механику, которая привела к созданию современной квантово-механической модели атома.
2. Ядро и электронная оболочка атома
Каждый атом состоит из ядра и электронной оболочки.
Электронная оболочка атома – это совокупность элементарных частиц – электронов, каждому из которых присущ корпускулярно-волновой характер.
Электрон (е) как частица обладает массой покоя те = 9,1095*10-31 кг и несет отрицательный электрический заряд, равный 1,6022*10-19 Кл. Абсолютное (без учета знака) значение этого заряда является наименьшим и называется элементарным зарядом.
Атом в целом не заряжен (электрически нейтрален). Это обусловлено тем, что сумма отрицательных зарядов электронов компенсирована положительным зарядом ядра атома:
в каждом атоме число элементарных отрицательных зарядов в оболочке равно числу элементарных положительных зарядов в ядре.
Пример: В атоме водорода одному отрицательному заряду единственного электрона отвечает единичный (1+) положительный заряд ядра, носителем которого является протон (рис. 1), а в атоме бериллия положительный заряд ядра (4+) электрически уравновешен суммой отрицательных зарядов четырех электронов (4 е-) в оболочке.
Между положительно заряженным ядром атома и отрицательно заряженными электронами его оболочки действуют электростатические (кулоновские) силы притяжения, т. е. в атоме проявляется единство противоположностей — разных по знаку зарядов.
Геометрический размер атома, условно описываемый диаметром его электронной оболочки, имеет порядок 10-10 м, а диаметр атомного ядра — порядок 10-14 м, т. е. по размеру ядро в 10000 раз меньше, чем атом. Отсюда следует, что масса атома сосредоточена в его ядре.
В легчайшем атоме водорода ядро обладает массой 1,6726*10-27 кг; электрон легче ядра в 1836 раз.
Рис. 1. Ядро и электронная оболочка атомов водорода (а) и бериллия (б)