1. Научные открытия, подтвердившие сложность строения атомов

Впервые мысль о том, что атом является сложной системой, появилась вначале Х1Х века.

В среде ученых, изучавших различные процессы, связанные с электрическими зарядами, предполагалось, что любое вещество состоит из разноименно заряженных полюсов.

1.1 Электролиз.

В 1833 году английский физик и химик Майкл Фарадей установил количественные законы электролиза, согласно которым под воздействием внешнего постоянного электрического тока происходят химические окислительно-восстановительные реакции.

М.Фарадей подтвердил, что атомы «несут» положительные и отрицательные заряды.

Изучение прохождения электрического тока через газы и растворы позволило обнаружить одну из составных частей атома и молекулы – электрон, название которой и значение элементарного электрического заряда было предложено позже (1891 г.). Количественное исследование катодных лучей (Гитторф, 1869 г., Крукс, 1879 г.), которые представляют поток электронов, определили отношение заряда электрона к его массе. Экспериментально заряд электрона установил в 1910 году Малликен: 1,602*10^-19 Кл, что позволило определить и его массу: 9,109*10^-28 г.

1.2 Радиоактивность.

В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы, которое впоследствии было названо радиоактивностью. Польский химик М. Складовская-Кюри вместе со своим супругом, французским физиком П. Кюри, подтвердили , что соединения тория также обладают такой способностью. В составе урановых руд они открыли два новых элемента, названных по предложению М. Складовской-Кюри полонием и радием, которые оказались еще более мощными источниками излучения. Все элементы, обладающие радиоактивностью, были названы радиоактивными.

Английский физик Э. Резерфорд, также изучая природу радиоактивного излучения, подтвердил, что оно неоднородно, так как под влиянием магнитного поля разделяется на три пучка. Лучи, не отклоняющиеся в магнитном поле и, следовательно, не несущие электрического заряда, получили название Х - лучей. Состав одного пучка представляет собой отрицательно заряженные частицы, скорость которых сравнима со скоростью света, этот вид излучения получил название Х - лучей. В состав другого, названного Х - лучами, входят частицы, обладающие положительным зарядом и движущихся с большой скоростью. Х – лучи представляют поток электронов, Х - лучи, как выяснилось, состоят из частиц, масса которых равна массе атомов гелия, а абсолютная величина заряда – удвоенному заряду электрона.

Эти и многие другие открытия свидетельствуют, что атомы имеют сложное внутреннее строение, а отрицательно заряженные электроны являются их составными частями.

Поскольку атомы представляют собой электронейтральные частицы, то естественно предположить, что они должны иметь и положительные заряды, причем, их число равно числу электронов, т.е. внутренняя структура атомов предполагает сложное строение.

2. Первые модели атомов

Пытаясь объяснить размещение положительных и отрицательных зарядов, ученые предлагали различные модели атомов.

Чичерин (1888 г.) рассматривал атом, как систему, состоящую из положительно заряженной массы и отрицательно заряженных оболочек, которые окружают ее.

Перрен (1901 г.) представлял атом, как положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам движутся электроны.

На основании рассеяния электронов тонкими металлическими пластинками – отклонение некоторых электронов из потока (эффект Томпсона) – У.Томпсон (1902) предложил рассматривать атом как облако положительных зарядов с вкраплениями электронов. Дж. Томпсон усовершенствовал эту модель, предположив, что электроны располагаются внутри положительно заряженной сферы в одной плоскости, образуя концентрические круги.

Нагаока (1904) предложил вариант атомной модели по подобию планеты Сатурн, в которой вокруг основной части атома – положительно заряженного шара – по кольцевым орбитам вращаются электроны.

2.1 Экспериментальное обоснование планетарной модели Резерфордом

Впервые экспериментально обосновал модель атома Резерфорд (1911 г.), используя планетарную модель Нагаоки и предполагая, что масса атома практически сосредоточена в положительно заряженном ядре. Резерфорд исследовал рассеивание - частиц тонкими металлическими пластинками. Он доказал, что объем положительного заряда атома очень мал, что противоречило модели Томпсона. Модель Резерфорда - ядерная модель – представляла собой объем, в центре которого размещается небольшое ядро, а на значительном расстоянии по орбитам двигаются электроны и их суммарный отрицательный заряд численно равен положительному заряду ядра. В результате своих исследований Резерфорд количественно оценил заряд ядра:

Ζ = 1/2А* е,

где Ζ – заряд ядра; А – атомная масса; е – элементарный заряд.

В 1913 году Ван де Брук выдвинул гипотезу о том, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в Периодической системе. В этом же году Мозли подтвердил ее, изучая рентгеновские спектры химических элементов. На основании полученных результатов он сформулировал закон: «Квадратный корень из частоты определенных линий одинаковых серий характеристического спектра прямо пропорционален атомному номеру элемента».

Вместе с тем все полученные результаты не могли объяснить основной недостаток ядерной модели Резерфорда, заключавшийся в том, что ее положения противоречили теории движения электрических зарядов в классической электродинамике. Согласно классическим представлениям электрон при движении должен непрерывно излучать электромагнитную энергию, по спирали приближаясь к ядру. В этом случае спектр должен быть сплошным. а не линейным.

2.2 Теория Нильса Бора.

Датский физик Нильс Бор создал первую квантовую теорию атома водорода (1913), объединив ядерную модель атома с квантовыми представлениями, показав:

1. электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а лишь по определенным круговым «стационарным» орбитам, не излучая энергию;

2. ближайшая к ядру орбита отвечает нормальному, наиболее устойчивому состоянию атома;

3. поглощение и излучение атомом энергии происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, причем, дискретно.

Н. Бор ввел понятие главного квантового числа для характеристики электрона. Рассчитал спектр атома водорода: расчетные данные полностью совпали с эмпирическими. Он также построил модели еще некоторых элементов Периодической системы, впервые объяснил подобие свойств редкоземельных элементов. Обосновал подразделение групп Периодической системы на главные и побочные.

2.3 Квантово-механическая модель

До конца Х1Х столетия существовало утверждение философов Древней Греции

(У в. до н.э.) о том, что материя едина.

Материя – философская категория для обозначения множества существующих в мире объектов и систем, общей основы явлений, свойств, связей и отношений.

Материя (1.1) – философская категория для обозначения множества существующих в мире объектов и систем, общей основы явлений, свойств, связей и отношений

Формами объективного существования и развития материи являются: движение, пространство и время.

Материя (1.1) существует в двух основных видах – вещество и поле, которые находятся в неразрывной взаимосвязи, проявляя внутренние противоречия в своих взаимопревращениях.

Веществом называют тот вид существования материи, в котором она представляет совокупность дискретных образований, имеющих собственно массу или массу покоя.

Дискретность – прерывистость, образование, состоящее из отдельных частей

Дискретность (1.2) – прерывистость, образование, состоящее из отдельных частей

Поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерных сил, элементарных частиц) – это вид материи, который характеризуется, в первую очередь, энергией, а не массой.

Масса является мерой инертности и стойкости материи, а энергия – мерой движения.

Химия изучает в основном химическую форму движения материи – химические процессы, при которых вещества не сохраняют исходные состав и структуру, а претерпевают изменений. Химическое движение, как разновидность электромагнитного взаимодействия, есть результатом действия специфических противоречий, присущих дискретным частицам, в первую очередь, атомам.

Атом – наименьшая, химически неделимая электронейтральная частица материи, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Атом (1.3) –наименьшая, химически неделимая электронейтральная частица материи, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

2.3.1. Теория Луи де Бройля.

В 20-х годах XX столетия было установлено, что любая частица имеет корпускулярно-волновую природу. Согласно теории Л. де Бройля (1924 г.), каждой частице с импульсом (р) соответствует волновой процесс с длиной волны (λ)

λ = h / p,

где , h-постоянная Планка, h=6,63×10^-34Дж∙с

Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны.

2.3.2 Принцип неопределенности Гейзенберга

Для элементарных частиц В. Гейзенберг (1927 г.) сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно определить положение частицы в пространстве и ее импульс, то есть произведение неопределенности ∆х в значении координаты тела в некоторый момент времени на неопределенность ∆р в значении его импульса равно или больше :

2.3.3 Уравнение Шредингера. Волновая функция

Поскольку нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ (пси), которая заменяет классическое понятие траектории.