Реферат: Строение атома
Реферат похимии на тему
«Строение атома»
Существование закономерной связи между всемихимическими элементами, ярко выраженное в периодической системе, наталкивает намысль о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее, что все они находятсяв близком родстве друг с другом. Однако до конца 19 в. в химии господствовалометафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества,последний предел делимости материи. При всех химических превращенияхразрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными ине могут дробиться на более мелкие части.
Но все эти предположения в то время еще не моглибыть подтверждены какими либо экспериментальными данными. Лишь в конце 19в.были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможностьпревращения при известных условиях одних атомов в другие. На основе этихоткрытий начало быстро развиваться учение о строении атома. Первые указания насложную структуру атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающихпри электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучейиз стеклянной трубки, в которую
впаяны дваметаллических электрода, выкачивается по
возможности весь воздух и затем пропускается сквозь
нее токвысокого 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 вдвижение на их пути легко подвижные тела и
откланяются от своего первоначального пути в
магнитном иэлектрическом поле (в последнем в сторону
положительнозаряженной пластины). Действие катодных
лучей обнаруживается только внутри трубки, так как
стекло для них непроницаемо. Изучение свойств
катодных лучей привело к заключению, что они
представляютсобой поток мельчайших частиц, несущих
отрицательный электрический заряд и летящих со
скоростью, достигающей половины скорости света.
Особыми приемами удалось определить массу катодный частицы и величину ихзаряда. Оказалось, что масса каждой частицы равняется 0,00055 углероднойединицы, что составляет всего 1.1840 часть массы водорода, самого легкого извсех атомов. Заряд катодной частицы
равняется 1,602 10 кулона, или 4,803 10
электростатическихединиц. Особенно замечательно, что
масса частици величина их заряда не зависит ни от
природы газа,остающегося в трубке, ни от вещества из
которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того,катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишенысвоих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы:электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получилиназвание электронов. По современным воззрениям, заряд электрона есть наименьшийэлектрический заряд, наименьшее кол-во электричества, какое только можетсуществовать. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влияниемэлектрического заряда. однако они могут возникать и вне всякой связи сэлектрическим зарядом. Так, например, все металлы испускают электроны принакаливании; в пламени горелки также присутствуют электроны; многие веществавыбрасывают электроны при освещении ультрафиолетовыми, рентгеновскими илилучами света (фотоэффект). Выделение электронов самыми разнообразнымивеществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов;следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из болеемелких структурных единиц. Изучение строение атома практически началось в1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодныхлучей как потока электронов и были определены величина заряда и массаэлектрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводилк выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целомэлектрически нейтрален; следовательно, он должен содержать в себе еще другуюсоставную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешиватьсумму отрицательных зарядов электронов, Эта положительно заряженная часть атомабыла открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения -частиц в газах идругих веществах. -частицы выбрасываемые атомами радиоактивных элементов,представляют собой положительно заряженные ионы
гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такойогромной скорости -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекуламигазов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятсязаряженные
положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другиммолекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути -частицобразуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность-частиц ионизировать воздух была использована английским
физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движенияотдельных частиц и сфотографировать их.В
последствии аппарат для фотографирования -частиц был назван камеройВильсона. Рассматривая пути движения -частиц в камере Вильсона, мы видим, чтоони прямолинейны.В то же время, как показывает теория, каждая частица напротяжении своего пути. а он достигает в воздухе 11см, должна встретить сотнитысяч атомов. Если тем не менее путь ее остается прямолинейным, то это можнообъяснить только тем, что
-частица пролетает сквозь атомы. Более тщательное исследование этогоявления показало, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слой газаили тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельны, а несколькорасходятся: происходит
рассеяние -частиц, т.е. отклонение от их первоначального пути.Углыотклонения невелики, но
всегда имеется небольшое число частиц (1/8000), которые отклоняются оченьсильно, некоторые частицы
отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердоенепроницаемое. (добавить о том, что это не электроны их масса в 7500 раз меньшемассы -частиц, отклонение из-за положительных частиц того же порядка, что и-частицы) Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему
строенияатома. 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 массасосредоточена в его ядре. Размеры атома и его отдельных частей выражается следующими числами: диаметр атома — 10 см., диаметр электрона- 10 см и диаметр ядра от 10 до 10 см. Отсюда ясно, что на долю ядра иэлектронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходиться лишь, ничтожная часть всего пространства, занятого атомнойсистемой. Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенной говорят, модель атома, легко объясняет явления отклонение-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов очень малы по сравнению сразмерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство -частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда -частицыочень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучениерассеяние -частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, былоопределение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить ичисло окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощьоказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучивозникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело иотличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. Вто время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов(фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзяпользоваться 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 спектррентгеновских лучей не удавалось получить. В 1912 г. швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционнойрешетки для рентгеновских лучей. Закономерное расположение атомов в кристаллах и весьма малые расстояния между ними давали основаниепредполагать, что кристалл как раз и может сыграть роль требуемойдифракционной решетки. Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ,вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектры рентгеновских лучей почти всех элементов. Дляполучения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубкахделают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносятсоединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служитфотографическая пластинка или бумага; после проявления на ней виднывсе линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновскиеспектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов — это носит название законаМозли и может быть сформулированно следующим образом: Корниквадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости отпорядковых номеров элементов.
Еще до работ Мозли некоторые теоретическиесоображения позволяли предположить, что порядковый номер элемента указываетчисло положительных зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучаярассеивание -частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки,нашел, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в
таких единицах заряд ядра приблизительно равен
половинеатомного веса элемента. Порядковый номер, по
крайне мере более легких элементов, тоже равняется
примернополовине атомного веса. Все вместе взятое
привело к выводу, что Заряд ядра численно равен
порядковомуномеру элемента. Таким образом, закон
Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввидунейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокругядра в атоме
каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфордаполучила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора, в которыхучение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхожденииспектров. Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемогораскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр,отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает оченьсложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), новстречаются и сравнительно простые спектры. Развивая ядерную теорию Резерфорда,ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловленапроисходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда,каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядрауравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона.Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должновызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, чтовращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий отчастоты
обращения электрона по орбите. Но, излучая свет,
электронтеряет часть своей энергии, в следствие чего
нарушается равновесие между ним и ядром; для
восстановленияравновесия электрон должен постепенно
передвигатьсяближе к ядру, причем так же постепенно
будет изменяться частота обращения электрона и
характер испускаемого им света. В конце концов,
исчерпав всюэнергию, электрон должен «упасть» на
ядро, иизлучение света прекратится. Если бы на самом
делепроисходило такое непрерывное изменение движения
электрона, то и спектр получался бы всегда
непрерывный, а не с лучами определенной длины волны.
Кроме того, «падение» электрона на ядро означало бы разрушениеатома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда былабессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, нии само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теориюстроения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласоватьспектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней такназываемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким
ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, чтолучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималосьраньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями — квантамиэнергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант заквантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать.Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частотаизлучения, тем больше величина кванта. Обозначая квант энергии через, можнонаписать: = где — постоянная величина, так называемая
константа Планка, равная 6,625 10 эрг сек. Кванты лучистой энергииназываются также фотонами. Применив квантовые представления к вращениюэлектронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелыепредположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законамклассической электродинамики, но они находят свое оправдание в техпоразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии,которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числомэкспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электронможет двигаться вокруг не по любым орбитам, а
только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающимиз теории квантов. Эти орбиты
получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движетсяпо одной из возможных для
него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленнойорбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом прикаждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частотаизлучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, междукоторыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома приположении электрона на более удаленной от ядра орбите через Е, а на болееблизкой через Е и разделив потерянную атомом энергию Е — Е на постояннуюПланка, получим искомую частоту:
=------
Чем больше расстояние от орбиты, на которойнаходится электрон, до той, на которую он переходит,
тем большечастота излучения. Простейшим из атомов
является атом водорода; вокруг ядра которого
вращаетсятолько один электрон. Исходя из приведенных
постулатов,Бор рассчитал радиусы возможных орбит для
этогоэлектрона и нашел, что они относятся, как
квадраты натуральныхчисел: 1: 2: 3:… n Величина
n получиланазвание главного квантового числа. Радиус
ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется
0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающихпереходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающимис частотами, найденными на опыте для линий водородного
спектра Темсамым была доказана правильность расчета
устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость
постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем
теория Борабыла распространена и на атомную структуру
другихэлементов, хотя это было связанно с некоторыми трудностями из-за ее новизны.
Теория Бора позволила разрешить очень важный вопросо расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимостьсвойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее времяразработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметьввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза,позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Какраньше уже было
сказанно, число электронов, вращающихся вокруг ядра
атома, соответствует порядковому номеру элемента в
периодическойсистеме.
Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слоюпринадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его числоэлектронов. Электроны одного и
того же слояхарактеризуются почти одинаковым запасом
энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом
энергетическомуровне. Вся оболочка атома распадается
на несколько энергетических уровней. Электроны
каждогоследующего слоя находятся на более высоком
энергетическом уровне, чем электроны предыдущего
слоя. Наибольшее число электронов N, могущих
находиться на данном энергетическом уровне, равно
удвоенномуквадрату номера слоя:
N=2n
где n-номер слоя. Таким образом на 1-2, на 2-8, на3-18 и т.д. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое длявсех элементов, кроме
палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем -
восемнадцати.
Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные отядра 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 зарядовоставшихся электронов. Наоборот атомы
присоединившие электроны становятся заряженные
отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные
частицы, качественно отличные от соответствующих
атомов.называются ионами. Многие ионы в свою очередь
могут терять или присоединять электроны, превращаясь
при этом илив электронейтральные атомы, или в новые
ионы с другимзарядом.
Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии,подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснениюмеханизма лучеиспускания, а с другой — к выяснению структуры отдельных атомов иустановлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этойобласти, объяснить которые теория Бора не могла.
Движение электронов в атомах рисовалось Бору до известной степени какпростое механическое перемещение, между тем как оно является весьма сложным исвоеобразным. Своеобразие движения электронов было раскрыто новой теорией — квантовой, или волновой, механикой. Квантовая механика показывает, что законыдвижения электронов имеют много общего с законами распространения волн. Я хочулишь основное уравнение волновой механики, в связи с ее сложностью: связывающиедлину волны для потока электронов с их скоростью и массой:
=-----
где h-постоянная Планка.
Охватывая более широкий круг явлений, чем теорияБора, решает ряд вопросов, с которыми теория Бора справится не смогла.
Так, например, при помощи волновой механикиполучает объяснение устойчивость лишь определенных электронных орбит.«Устойчивыми» являются лишь те
орбиты, накоторых укладывается целое число волн. Так
как длина круговой орбиты с радиусом r равна 2 r, то
устойчивость орбиты будетопределятся ур-нием:
2r=------
где n-целое число. Это и есть математическоевыражение первого постулата Бора, которое он в 1913 г. положил в основу расчетадвижения электрона в атоме водорода.
В приведенном выше ур-ние n-главное квантовоечисло. Принимает значения любого натурального числа.
1) Главное квантовое число n определяет уровеньэнергии, которому отвечает данная орбита, и ее удаленность от ядра. Главноеквантовое число определяет среднее радиальное распределение электроннойплотности около ядра. Помимо главного квантового числа, состояние электрона ватоме характеризуется еще тремя другими квантовыми числами: l,m,s.
2) Побочное (азимутальное) квантовое число lхарактеризует момент количества движения электрона относительно центра орбиты.Оно определяет форму электронного облака (форму орбиты), его сплошность илиразрывы и его вытянутость. (s,p,d орбитали)
3) Магнитное квантовое число m определяет положениеплоскости орбиты электрона в пространстве или, согласно представления волновоймеханики, то направление, в котором вытянуто электронное облако. Равно помодулю l.
4) Спиновое квантовое число s определяетнаправление вращения электрона. может принимать только два значения.
На основании анализа спектров и учета положенияэлементов в периодической системе физиком
Паули был найден общий принцип, позволяющий избрать те сочетанияквантовых чисел, которые отвечают реальной действительности. Согласно этомупринципу два электрона в атоме не могут иметь четыре одинаковых квантовыхчисла.