Лекция №28. Строение атома. Введение.

Гипотеза о том, что все вещества состоят из огромного числа атомов, зародилась свыше 2000 лет тому назад (Демокрит, Лейкипп в Греции, Лукреций в Риме, Канада в Индии).

Атомы рассматривались как мельчайшие частицы вещества, ко­торые не могут быть разложены на какие-либо составляющие. Греческое слово «атомос» означает неразложимый.

Сторонники атомистической теории считали, что все много­образие реального мира можно вывести из сочетаний неизменных частиц — атомов, т. е. видели в атомах «последнюю сущность» материи.

В середине века атомистическая теория имела мало сторонни­ков. Однако уже в начале XVIII века было показано, что многим до того времени непонятным свойствам вещества удается дать объяснение в рамках атомистической гипотезы, исходя из общих законов механики. М. В. Ломоносов, наиболее полно развивший в свое время атомно-кинетическую теорию вещества, показал, что тепловые явления, а также способность газов заполнять предо­ставленный им объем обусловлены движением атомов.

В развитии атомистической теории выдающуюся роль сыграл Д.И. Менделеев, разработавший периодическую систему элемен­тов. Периодическая закономерность в свойствах атомов различных элементов свидетельствует о некоей общности в их природе. По существу, Менделеев, открыв периодическую систему элемен­тов, впервые на научной основе поставил вопрос о единой при­роде атомов.

Во второй половине XIX века стали накапливаться факты, показывающие, что атомы имеют сложное строение. Было обна­ружено существование элементарного электрического заряда – электрона – и было показано, что электроны являются составной частью атомов.

Крупнейшие достижения современной атомной науки, техники и энергетики есть результат интенсивного развития атом­ной и ядерной физики. Не будет преувеличением, если мы ска­жем, что современная атомная и ядерная физика является осно­вой учения о строении вещества. Больше того, не только веще­ство (газы, жидкости, твердые тела), но и электричество, свет и другие виды материи имеют атомистическую природу. Равным образом и движение материи определяется атомистическими законами. Из сказанного следует бесспорный вывод, что атоми­стическое учение о строении и движении материи является гос­подствующим учением в современной физике.

Современная атомная и ядерная физика с особой остротой выдвигает перед учеными важнейшие философские проблемы, которые в конкретной форме проявляются в самых различных разделах учения об атоме и ядре.

Здесь следует в первую очередь назвать проблему прерывности и непрерывности материи, дуализм волн и частиц, взаимопревращаемость частиц из одних форм в другие. Все это с осо­бой силой выражает то, что материя есть единство противоположностей. Важнейшей проблемой является также проявление всеобщей связи и взаимодействия в атомной и ядерной физике. Конкретно это сводится к проблеме взаимодействия частиц, со­отношению частиц и полей, материальности пространства, проблеме электронно-позитронного вакуума и т.д.

I.Строение атома по Резерфорду-Бору.

До 1911 года широким признанием пользовалась модель английского физика Томсона, согласно которой внутри сферы размером 10^-8 см равномерно распределен положительный заряд и находятся электроны, которые колеблясь около положений равновесия излучают электромагнитные волны. Суммарный отрицательный заряд равен положительному заряду сферы.

Основой современных представлений о строение атома явились опыты Резерфорда по рассеянию – частиц, в результате которых в 1911 году была предложена планетарная модель атома. Положительный заряд находится в ядре, где находится вся масса атома, а вокруг ядра по орбитам движутся электроны, которые не излучают энергию.

Заряд ядра равен Z(числу электронов в атоме), умноженному на его заряд |е|. Чтобы объяснить устойчивость атома датский физик Нильс Бор постулировал основные положения (постулаты Бора), которые явили собой первую квантовую модель атома.

Постулаты Бора:

1. Электроны в атоме движутся по некоторым стационарным орбитам без излучения.

2. Стационарными орбитами будут те, для которых момент количества движения электрона mν_nr_nравен целому кратному величины:

, (1)

где n= 1,2,3…– главное квантовое число (номер орбиты-уровня);

h= 6,62·10^-34 Дж·с – постоянная Планка;

r_n– радиусn^ойорбиты;

v_n– скорость электрона на орбите.

3. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит поглощение или испускание фотона (кванта энергии):

Е₂– Е₁=Е =h(2)

Величина кванта =h зависит от того, с какой на какую орбиту перешел электрон.

Используя постулаты Бора, закон Кулона и вращение электрона по круговой орбите, можно рассчитать величину радиуса орбиты r_nи скорость электрона на нейv_n:

(3)

, (4)

где m– масса электрона;

ε₀– электрическая постоянная:

z– порядковый номер элемента;

е – заряд ядра.

Полная энергия Е орбитального электрона равна сумме его кинетической и потенциальной энергий:

Е_n= Е_кинn+ Е_потn

(5)

Согласно уравнения (5) полная энергия электрона в атоме – величина отрицательная (Е_n<0), т.е. электроны в атоме движутся как в потенциальной яме.

Электроны, находясь на стационарных орбитах, обладают потенциальной энергией, максимальная величина которой будет , то есть будет соответствовать ионизованному атому. Там она будет равна нулю, следовательно, потенциальная энергия электрона в атоме отрицательна.

Орбитам, на которых находится электрон, соответствует вполне определенная энергия – энергетические уровни атома. Для атома водорода их значения могут быть примерно рассчитаны по уравнению: (6)

Используя третий постулат Бора и выражение для полной энергии (5), получим уравнение для вычисления набора длины волны, т.е. спектров атома:

(7)

Постоянная Ридберга

Иоганес Роберт – шведский физик – основные работы посвящены систематике атомных спектров и атомной физике.

Преобразуя уравнение (6), получаем:

Сериальная формула водородоподобных атомов

(8)

Для водорода z= 1, тогда получим формулу, впервые эмпирически полученную швейцарским физиком Бальмером:

, (9)

где n₁иn₂– номера орбит на которую и с которой переходит электрон;

–волновое число, выражающее число длин волн, укладывающихся на единицу длины.