3.Строение атома

1) Теория Нильса Бора (1913 г.)

2) Дуализм микрообъектов (В.Луи-де-Бройля)(1924 г.)

3) Принцип неопределенности (Гейзенберга)

4) Уравнение Шредингера (1926г.)

1) Примерно в начале ХХв. Исследования ряда явлений (излучение раскаленных тел, фотоэффект, и др.) привели к выводу, что энергия распространяется и передается, поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями- квантами. Энергия системы микрочастиц также может принимать только определенные значения, которые являются кратными числами квантов . Т.о. энергия этих систем может изменятся лишь скачкообразно – она квантуется.

Предположение о квантовании энергии впервые было высказано Максом Планком.

Энергия кванта ΔЕ зависит от частоты излучения. Энергия прямо пропорциональна скорость света и длине волны.

h - универсальная Планка = 6,625∙10^-34

c -скорость света =3∙10¹⁰ м/с

Частота колебаний и длина волны связаны соотношениями

Согласно соотношению ,чем меньше длина волны(т.е. чем больше частота колебаний),тем больше энергия кванта и ,наоборот ,чем больше длина волны(т.е. меньше частота колебаний), тем меньше энергия кванта ,т.о. ультрафиолетовые и рентгеновские лучи обладают большей энергией ,чем радиоволны или тепловые (инфракрасные)лучи.

В 1913г. Н.Бор создает теорию электронного строения атома Н₂ основываясь на двух предположениях:

1)Момент количества движения электронов в атоме Н₂ равен целому кратному постоянной Планка(целому числу квантов действия).

Кинетическая энергия электронов по бору равняется произведению заряда электрона на квадрат расстояния между ними (Кулоновский закон)

Из данного уравнения Бор вычислял радиус электронов для атома Н₂

Отношения стационарных (дозволенных ) орбит

R = 0,053 нм; его υ = 2200 км/с

отношения стационарных (дозволенных) орбит 1²:2²:3²: и т.д.

2)При переходе электронов с одной орбиты на другую (обладающей разной энергией) поглощается или выделяется квант энергии .

Т.о. Бору удалось соединить теорию Планка (квантовую) с физической теорией Ньютона. Рассчитанные величины были определены экспериментально ,что подтверждает теоретические закономерности Бора.

2) 1922г. Эйнштейн выводит уравнение на основе уравнения Планка. Указанное уравнение Е=mc² позволяет определить энергию фотонов и частиц рентгеновского излучения. В выражение уравнения входит масса вещества, это значит, что поток световых лучей, электронов, протонов, рентгеновских лучей характеризуется как частицы (корпускулы). Для описания электромагнитного излучения привлекают как волновые, таки корпускулярные представления: с одной стороны, монохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длиной волны λ (или частотой колебания ν); с другой стороны, оно состоит из микрочастиц -фотонов, переносящих кванты энергии .Явление дифракции и интерференции электромагнитного излучения доказывает его волновую природу. В то же время электромагнитное излучение обладает энергией ,массой, производит давление и т.д. В1924г. Луи де Бройль предложил распространить корпускулярно-волновые представления на все микрочастицы, т.е. движение любой микрочастицы рассматривать как волновой процесс. Луи де Бройль эмпирически предположил, что энергия излучения кванта и энергия вычисления по его массе равны . Математически вычислил длину волны, согласно кот. Частице, имеющей массу и движущейся со скоростью, соответствует волна длиной:

Уравнение де - Бройлевской волны.

Вывод : Двойственная природа присуща всем микрочастицам и их движение связано с распространением волны.

3) Объяснение причины дуализма были найдены Вернером Гейзенбергом ,который сформулировал принцип неопределенности: невозможно одновременно определить и скорость(или импульс p=mv)и положение микрочастицы(ее координаты).Чем точнее определены координаты частицы тем менее определенным становится величина ее скорости. Δ-измерение.

Δx – неопределенность положение измерение координаты.

Δp – неопределенность скорости (импульса).

Например: если положение электрона определено с точностью до 10^-10см., то неопределенность вскорости составит 58000 см/сек (при скорости электрона2000 км/сек).

4) Поскольку движение электрона имеет волновой характер, квантовая механика описывает его движение в атоме при помощи волновой функции Ψ.

В1926г. - на основе гипотезы де - Бройля Шредингер использовал волновое уравнение классической механики в качестве модели для описания поведения электронов в атоме. По Шредингеру атомная система замкнута и потому поведение электрона, его движение подобно стоячей волне .Однако, в отличии от стоячей волны атомная система является3-х мерной и Шредингер вводит координаты x,y,z.Тогда и уравнение стоячей волны принимает следующий вид - дифференциальное уравнение частных произведений второго порядка.

Уравнение Шредингера для атомных систем можно решить если функция Ψ будет непрерывной, конечной, однозначной и обращаться в «0» на бесконечности. Уравнение Шредингера решается, если энергия системы не зависит от времени. Сама волновая функция Ψ не имеет физического смысла, Ψ² однако означает вероятность пребывания электрона в данном пространстве атомной системы. Т.о. уравнение Шредингера позволяет определить в атомной системе энергию электрона и максимальную электронную плотность.

Атомы элементов имеют очень сложное строение. В недрах атома найдено до нескольких сот различных частиц, получивших название элементарных или субатомных. Некоторые из них стабильны, другие существуют миллионные доли секунды. Для химии фундаментальное значение имеют три: протон (р), заряд = -1,нейтрон (n), заряд = 0, электрон (е), заряд 1,602*10^-19 (элементарный электрический заряд). Условно заряд электрона принимаем = -1, масса электрона = 9,11*10^-31.

Атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущихся около него электронов. Число электронов в атомах равно положительному заряду ядра, выраженному в единицах элементарного заряда. Атом электронейтрален. При удалении от атома одного или нескольких электронов образуется положительный ион, при присоединении к атому электрона – отрицательный ион.

Так как массы протона и нейтрона почти одинаковы, и при этом намного больше массы электрона, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Атомы между собой различаются зарядами ядер, массой и размерами.

Заряд ядра определяется числом находящихся в нем протонов. Число протонов равно порядковому номеру Z элемента в системе. Число нейтронов N. Сумма Z + N = A - массовое число ядра.

Нуклонный (р и n) состав атомных ядер сокращенно записывают так:

^A _Z Э _N.

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом.

Протоны в ядре атома определяют химическую природу элемента. Изменение числа протонов приводит к образованию атома другого элемента. Изменение числа нейтронов в ядре изменяет массу ядра, но не изменяет химическую природу элемента. Отсюда различают изотопы и изобары.

Изотопы – разновидности одного и того же элемента, ядра атомов которых различаются между собой по массе, но не различаются по своему заряду.

Z₁= Z₂, N₁= N₂, А₁=А₂

Изобары - простые вещества, ядра атомов которых имеют одинаковую массу (А₁=А₂), но различаются по заряду. Изобары - различные элементы.

Z₁=Z₂,N₁=N₂

За единицу атомной массы принята 1/12 массы атома изотопа углерода ₆¹²С, называемаяатомной единицей массы(а.е.м.).Масса атома или молекулы, отнесенная к этой единице, называется относительной атомной или молекулярной массой и обозначается соответственно А_rи М_r. Величины эти безразмерны, их следует отличать от понятий массы атома или молекулы, выражаемых в а.е.м. Эти различия только смысловые, числовые же характеристики одни и те же.

За единицу количества вещества принят моль– количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода₆¹²С. Число частиц, содержащееся в одном моль вещества, называют числом Авагадро и обозначаютN_А=6,022*10²³моль^-1.N_А не зависит от природы вещества и внешних условий. Это универсальная постоянная.

1 моль любых частиц равен 6,022*10²³этих частиц. В 1г содержится 6,022*10²³а.е.м.

Постоянная Авагадро показывает число единиц в одном любого вещества. Поэтому можно сказать, что моль– это количество вещества, которая содержит 6,022*10²³структурных единиц (атомов, молекул, ионов) данного вещества.

Понятие моль применимо к любым веществам. 1 моль атомарного Н заключает в себе 6,022*10²³атомов Н; 1 моль молекулярного Н₂– это 6,022*10²³молекул Н_2.

Для веществ в кристаллическом состоянии структурная единица соответствует простей шей условной формуле вещества. Например, 1 моль NaClсодержит 6,022*10²³ условных частицNaCl, т.е. 6,022*10²³атомовClи столько же атомовNa.

Если известно число структурных единиц вещества В – N(В), то количество этого веществаn(В) определяется по формуле:

n(В) =N(В)/N_А

Отношение массы вещества к его количеству называется молярной массой этого вещества:

М(В) = m(B)/n(В), кг/кмоль г/моль

где m– масса вещества.

Молярная масса численно равна относительной атомной или молекулярной массе этого вещества.

Свойства электронов и других микрообъектов не могут быть описаны на основе представлений классической механики. Микрочастицы подчиняются законам квантовой механики. Ее основные положения:

1. Энергия испускается и поглощается телами отдельными порциями – квантами. Следовательно, энергия микрочастиц изменяется скачкообразно.

2. Электроны и другие микрочастицы имеют двойственную природу: с одной стороны, они проявляют свойства частиц( имеют массу и заряд), с другой стороны при движении они обладают свойствами электромагнитной волны.

3) Квантовая механика отрицает наличие определенных орбит у микрочастиц. Для движущихся электронов невозможно определить точное местоположение. Они находятся в пространстве в близи атомного ядра.

Пространство в близи ядра, в котором достаточно велика вероятность нахождения электрона (90%), называется орбиталью. Это пространство ограничивается поверхностью, т.е. представляет собой объемную геометрическую фигуру.