Атомно-молекулярная теория строения вещества
Эта теория является краеугольным камнем современной науки о материалах в природе. Все материалы состоят из молекул, т.е молекулы являются элементарными «кирпичиками» того или иного вещества или материала. Эти два слова являются для нас синонимами Эти кирпичики могут быть как большими (органические молекулы), так и иметь малый размер (молекулы неорганических и некоторой части органических материалов). В качестве примера можно привести следующие простейшие молекулы: воды Н2О, аммиака NH3, двуокиси углерода СО2, кислородаО2(Н2, N2), неона Ne (гелия He, аргона Ar и др. инертные газы.). Как видно из химических формул, а также из опыта эти кирпичики имеют сложное строение и, в свою очередь состоят из атомов.
Атомы – «кирпичики» того или иного химического элемента. Химический элемент или элементарное вещество, состоит из атомов только одного сорта. Когда Д. И Менделеев составлял свою периодическую систему элементов ему были известны лишь 31 элемент. В настоящее время открыто уже 118 элементов. И все они вписываются в его систему элементов. Одни ин элементов встречаются в природе в свободном состоянии и известны несколько тысячелетий (Fe, Ag, Au,Hg и др). Другие открыты недавно. Ряд элементов стабильны , а другие короткоживущие.
Таблица Д.И. Менделеева
Структура и строение атома
Рассмотрим строение атома какого-нибудь элемента, например натрия 11Na23., с позиций протонно-нейтронной теории. Порядковый номер натрия в периодической системе Менделеева 11, массовое число 23. В соответствии с порядковым номером заряд ядра натрия равен +11. Следовательно, в атоме натрия имеется 11 электронов, сумма зарядов которых равна положительному заряду ядра. Заряд ядра атома равен сумме зарядов 11 протонов, находящихся в ядре, масса которых равна 11а.е.м. Т.к. массовое число натрия равно 23а.е.м., то разность 23-11=12 определяет число нейтронов в ядре атома натрия.
Протоны и нейтроны называются нуклонами. Ядро атома натрия содержит 23 нуклона, из, которых 11 (порядковый номер натрия) – протоны и 12 – нейтроны. Общее число нуклонов в ядре пишут вверху символического обозначения элемента.
С точки зрения классических законов физики непонятна устойчивость атома и линейчатый характер атомных спектров. К началу XX века опыты показали, что электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы, являющиеся составной частью атома. Электрический ток является ни чем иным, как упорядоченным движением электронов вдоль металлического провода, и в этом смысле электрон есть квант электричества.
Исходя из этого, Э. Резерфорд предложил в 1910 г планетарную модель атома (рис. 171), в которой отрицательно заряженные электроны вращаются как планеты вокруг центрального положительно заряженного ядра, притягивающего их подобно Солнцу (напомним, что заряды одинаковых знаков отталкиваются, а противоположных притягиваются). Такая аналогия между атомом и Солнечной системой сразу же захватила воображение людей. Она действительно позволяет очень наглядно представить атом и объяснить некоторые его свойства, например, различия в энергии электронов. Однако пользоваться данной аналогией можно только до определенного предела. Основной ее недостаток следует из природы электрических зарядов: если на заряд действует магнитное поле или силы притяжения какого-нибудь атомного ядра, то заряд не может двигаться равномерно и прямолинейно. Его траектория будет
Рис .171 Модель атома Резерфорда Рис. 172Траектория, по которой двигался бы
электрон по законам классической физики
искривлена, а из теории Максвелла следует, что такой заряд при движении должен испускать электромагнитные волны, теряя при этом часть своей энергии (рис. 172). Таким образом, из законов классической физики неизбежно следовал вывод, что, двигаясь ускоренно по определенным орбитам, электрон, излучающий энергию в виде электромагнитных волн, со временем должен терять скорость и, в конце концов, упасть на ядро (что положило бы конец существованию атома).
Согласно теоретическим расчетам, атомы бы прекратили свое существование примерно за наносекунду, что, конечно же, противоречит долговременной стабильности атома в действительности. Кроме того, совокупность таких атомов должна была бы давать сплошной спектр излучения (Видимая часть спектра от красного до фиолетового и невидимая часть спектра, включающая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение), а не линейчатый, наблюдаемый на опыте.