Строение атома

Отказ от классического представления об атомах как неделимых частицах произошел
в 1897 г., когда Дж. Томсоном был открыт электрон – отрицательно заряженная частица, входя-щая в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом электронейтрален, было сделано предположение, что в нем помимо электрона должна быть положительно заряженная частица. Опыты Э. Резерфорда, в которых он бомбардировал альфа-частицами листки металлической фольги, показали, что альфа-частицы отклоняются при ударе на самые разные углы, в том числе и на 180°. Это означало, что частицы встречают на своем пути массивную, положительно заряженную преграду очень малых размеров.

Так было открыто атомное ядро – положительно заряженная микрочастица, которая намного меньше атома, но в ней почти полностью сосредоточена его масса.

Еще один шаг к углублению знаний о строении материи был сделан при открытии радиоактивности А. Беккерелем в 1896 г., когда он случайно обнаружил, что соли урана засвечи-вают лежащую в столе фотопластинку. В ходе дальнейших исследований было установлено, что некоторые элементы в естественных условиях могут испускать радиоактивные лучи и в результате превращаться в другие химические элементы. Эти открытия опровергали представления об атомах как о твердых и неделимых структурных элементах вещества.

Удачная модель атома была предложена Резерфордом после его опытов с альфа-частицами в 1911 г. Это была так называемая планетарная модель атома, напоминавшая Солнечную систему.
В центре атома находилось положительно заряженное ядро, вокруг которого вращались отрицательно заряженные электроны, похожие на маленькие планеты.

Другое направление исследований было связано с изучением поля и волновых процессов в нем. Ведь к началу XX в. в физике существовало два противоположных представления о материи – корпускулярное и континуальное. Тогда считалось, что они никак не связаны друг с другом.

Одной из сложнейших проблем физики этого времени было построение теории теплового излучения абсолютно черного тела. Дело в том, что в соответствии с расчетами классической электродинамики, оно должно было неограниченно возрастать, а это явно противоречило опыту.
И в 1900 г. М. Планк предположил, что излучение энергии происходит не непрерывно, а опреде-ленными порциями – квантами. Эта гипотеза стала началом новой эры в физике, так как ее начали применять с большой пользой для объяснения других явлений, также не поддававшихся объяснению в рамках классической физики.

Так, в 1905 г. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света и использовал его для объяснения фото-эффекта. При этом было доказано, что свет обладает одновременно и корпускулярными, и волно-выми свойствами. Так появилось понятие о корпускулярно-волновом дуализме, позже распро-страненном на весь микромир. Это был революционный шаг – признать, что свет распростра-няется как волна, но излучается и поглощается как частица. После этого стало понятно, как возникает фотоэффект – выбивание электрона из вещества под действием света: фотон выбивал электрон, если он имел достаточную энергию (а значит, достаточно большую частоту), способную преодолеть силы связи электрона с веществом.

В 1913 г. Н. Бор применил идею кванта для решения вопроса о строении атома, уточнив пла-нетарную модель атома Резерфорда. Бор показал, что система атома существует на основе электромагнитных сил, а не гравитационных, как считал Резерфорд. Также модель атома Бора уточняла, что в каждом атоме существует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, они не излучают энергии. Лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает энергию.

Модель атома Бора хорошо описывала атом водорода – самого простого из всех возможных элементов, так как он состоял из одного протона и одного электрона. Когда же он попытался распространить свою модель на многоэлектронные атомы, то столкнулся с большими трудностями. Полученные на практике орбиты электронов в таком атоме сильно расходились с расчетными значениями, в связи с чем пришлось признать, что электрон тоже обладает волновой природой. Поэтому электрон – не шарик, не точка, он обладает особой внутренней структурой, которая до сих пор неизвестна. В действительности электроны как бы «размазаны» по атому, образуя электронное облако.

Следующий шаг в создании новой теории был сделан Луи де Бройлем, выдвинувшим в 1924 г. гипотезу о волновых свойствах материи. Он довел идею кванта до логического конца и утверждал, что волновые свойства присущи не только квантам света и электронам, но и протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Разумеется, применительно к макроскопическим телам это не реальные волны, а абстрактно-математические или, как их назвал М. Борн, «волны вероятности». Также их называют волнами де Бройля. Экспериментальные свидетельства, подтверждающие идею ученого, были получены в 1927 г. с открытием явления дифракции элект-рона. Позже была открыта дифракция нейтронов, атомов и даже молекул.

Так корпускулярно-волновой дуализм стал важнейшим свойством материи на микроуровне. Любой объект демонстрирует как свойства частицы, так и свойства волны. В силу этого любая микрочастица обладает дополняющим друг друга набором характеристик, что приводит к осознанию того факта, что существовавшее длительное время деление материи на поле и вещество на самом деле весьма условно.



Оглавление
Физика и химия микромира.
Дидактический план
Основы физики микромира
Строение атома
Поле и вещество
Мир элементарных частиц
Свойства элементарных частиц
Характеристики элементарных частиц и их классификация
Основы кварковой теории
Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества
Движение и взаимодействие в физике
Понятие взаимодействия
Общая характеристика физических взаимодействий
Гравитационное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие
Слабое взаимодействие
Сильное взаимодействие
Теории Великого объединения и Суперобъединения
Понятие о веществе и его свойствах
Твердые тела и их свойства
Жидкости и их свойства
Газы и их свойства
Плазма и ее свойства
Становление и развитие химии
Возникновение химии. Алхимия
Открытие основных законов химии
Периодический закон Д.И. Менделеева
Дальнейшее развитие периодической системы и периодического закона Д.И. Менделеева
Современная теоретическая химия
Взаимосвязь химии с физикой
Проблема создания новых материалов
Методы управления химическим процессом
Катализ и его роль в химии
Эволюционная химия и ее основные проблемы
Концепции современной химии и их практическое применение
Все страницы