Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

   

§ 1. Основные сведения о строении атома

  1. Назовите выдающихся учёных Древней Греции, разработавших теорию, согласно которой материальные вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов.
  2. Перечислите физические явления, доказывающие двойственную природу частиц микромира.
  3. Покажите на примерах открытий в физике XIX—XX вв., как эволюционировали представления о строения атома.

Схема эволюции представлений о строении атома. Понятие «атом» пришло к нам из античных времён, но первоначальный смысл, который вкладывали в это понятие древние греки, совершенно изменился. Как вы помните, в переводе с греческого «атом» означает «неделимый». Однако большое число экспериментальных фактов свидетельствует о том, что атом имеет сложное строение и состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц.

К таким фактам относятся, например, явления электризации, электрической проводимости и некоторые другие. Некоторые сведения о строении атома вы получили из школьных курсов физики и химии, а также из курса естествознания за 10 класс. Ещё раз рассмотрим эволюцию представлений о строении атома, представив её в виде схемы.

Модели атомов Дж. Томсона и Э. Резерфорда. В 1904 г. в работе «О структуре атома» Дж. Томсон (1856—1940) дал описание своей модели, получившей образное название «пудинг с изюмом». В этой модели атом уподоблен сферической капле («пудингу»), имеющей положительный заряд (рис. 1, а). Внутрь сферы вкраплены, как изюм в пудинге, отрицательно заряженные электроны. Электроны совершают колебательные движения, благодаря которым атом излучает электромагнитную энергию. В целом атом электронейтрал ен. Модель атома Дж. Томсона не была подтверждена экспериментальными фактами и осталась гипотезой.

Рис. 1. Модели строения атома: а — Дж. Томсона; б — Э. Резерфорда

В 1907 г. Э. Резерфорд (1871—1937), облучая тонкую золотую фольгу быстрыми альфа-частицами (ядрами атома гелия), заметил, что большая часть частиц проходит сквозь фольгу, не отклоняясь, значительно меньшая часть отклоняется от первоначальной траектории на небольшие углы и совсем малая часть отклоняется на углы от 90 до 180°.

Исходя из результатов проделанного опыта, Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой атом состоит из небольшого, но массивного положительно заряженного ядра и лёгких электронов, которые движутся вокруг него по замкнутым орбитам (рис. 1, б), подобно тому как движутся планеты вокруг Солнца.

Объясним результаты опыта Резерфорда, используя планетарную модель строения атома. Альфа-частицы, которые прошли сквозь фольгу не отклоняясь, попали в пространство между ядром и электронами. Поскольку размеры ядра и электрона по сравнению с размером атома малы, таких частиц оказалось большинство. Те альфа-частицы, которые испытали столкновение с электронами, отклонились на небольшие углы, ну а те, что столкнулись с ядром, — отклонились на углы от 90 до 180°. Хорошо согласуясь с опытом по рассеянию альфа-частиц, модель Резерфорда, тем не менее, не могла объяснить процессы излучения и поглощения энергии атомом, а также его устойчивость. Ведь если электроны при своём движении излучают энергию, то в конце концов они должны упасть на ядро и атом тем самым должен прекратить своё существование. Однако этого не происходит.

Постулаты Бора. В 1913 г. Н. Бор (1885—1962) предложил квантовую модель строения атома, основой которой послужили разработанные им постулаты:

1-й постулат — электрон движется вокруг ядра по строго определённым замкнутым стационарным орбитам в соответствии с «разрешёнными» значениями энергии E1, E2, ..., En, при этом энергия не поглощается и не излучается;

2-й постулат — электрон переходит из одного «разрешённого» энергетического состояния в другое, что сопровождается излучением или поглощением кванта энергии.

Н. Бор внёс квантовые представления в строение атома, но использовал при этом традиционные классические понятия механики, рассматривая электрон как частицу, движущуюся со строго определёнными скоростями по строго определённым траекториям. Его теория была построена на противоречиях.

Протонно-нейтронная теория ядра. В 1932 г. независимо друг от друга российским физиком Д. Иваненко (1904—1994) и немецким физиком В. Гейзенбергом (1901—1976) была разработана протоннонейтронная теория ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения атома

Атом — это электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.

Атомное ядро каждого химического элемента состоит из строго определённого числа протонов Z (т. е. характеризуется определённым положительным зарядом), которое соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (1834—1907). Число нейтронов N в атомах одного и того же элемента может быть различным. Следовательно, различными будут и относительные атомные массы (A = Z + N) у этих атомов. Такие разновидности атомов называются изотопами.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд атомного ядра (одинаковое число протонов в нём), но разную относительную атомную массу (разное число нейтронов).

Следовательно, химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

В природе, например, встречаются изотопы кислорода с массовыми числами 16, 17 и 18 (16O, 17O и 18O); хлора — 35Cl и 37Cl, калия — 39K и 40K, аргона — 39Ar и 40Ar.

      Другого ничего в природе нет
      Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
      Всё — от песчинок малых до планет —
      Из элементов состоит единых.

/С. Щипачёв/

В Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева под знаком химического элемента записывают среднее значение относительной атомной массы всех его природных изотопов с учётом их распространённости, поэтому это число дробное.

Квантовая механика характеризует частицы микромира: элементарные частицы (протоны, нейтроны, электроны), а также построенные из них атомные ядра, атомы и молекулы — как объекты с двойственной природой, т. е. рассматривает их и как частицы, и как волны. Такие двойственные свойства частиц микромира называют кор-пуску лярно-волновым дуализом.

Электронная оболочка атома. Энергетический уровень электронов. Электронное облако. Строение атомного ядра и изменения, происходящие с ним, — предмет изучения ядерной физики. Для естествознания, и в первую очередь для химии, больший интерес представляет строение электронной оболочки атома.

Под электронной оболочкой атома понимают совокупность всех электронов в атоме.

Число электронов в атоме как электронейтральной частице равно числу протонов в ядре, т. е. соответствует порядковому номеру химического элемента.

Важнейшей характеристикой электрона является энергия его связи с атомом.

Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют один электронный слой, или энергетический уровень.

Наименьшей энергией обладают электроны 1-го энергетического уровня, наиболее близкого к атомному ядру. По сравнению с ними электроны последующих уровней будут иметь больший запас энергии. Таким образом, самой большой энергией обладают электроны внешнего уровня, которые именно поэтому и наименее прочно связаны с ядром атома.

Электрон в атоме не имеет траектории движения, т. е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве. Он может находиться в любой части пространства, окружающего ядро. Совокупность различных положений электрона рассматривают как электронное облако с определённой плотностью отрицательного заряда.

Напомним, что число энергетических уровней (электронных слоёв) в атоме соответствует номеру периода в таблице Д. И. Менделеева, в котором располагается химический элемент, — у атомов элементов 1-го периода — один уровень, 2-го периода — два, 7-го периода — семь.

Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью или электронным облаком.

В следующем параграфе будет подробнее рассмотрено, как связаны между собой строение атома и периодический закон Менделеева.

Теперь вы знаете

  • как менялись представления о строении атома с развитием физики
  • модели атомов Дж. Томсона и Э. Резерфорда
  • постулаты Н. Бора
  • в чём заключается протонно-нейтронная теория ядра
  • что такое электронная оболочка атома, энергетический уровень электронов, электронное облако

Теперь вы можете

  • объяснить, в чём разница моделей атома Дж. Томсона, Э. Резерфорда и Н. Бора
  • сформулировать, что такое атом, изотоп, химический элемент и чем они отличаются друг от друга
  • определить число энергетических уровней в атоме по номеру периода в таблице Д. И. Менделеева, в котором находится данный химический элемент

Выполните задания

  1. Назовите модели сложного строения атома. Охарактеризуйте их достоинства и недостатки.
  2. Из курса естествознания 10 класса вспомните, как физические явления интерференции и дифракции доказывают двойственную природу частиц микромира.
  3. Объясните, почему свойства различных изотопов одного и того же элемента идентичны, хотя их относительная атомная масса различна.
  4. Дайте определения понятий: «электронная оболочка атома», «энергетический уровень электрона», «электронное облако (орбиталь)».
  5. Запишите схемы распределения электронов по энергетическим уровням для атомов элементов, имеющих в Периодической системе порядковые номера 6, 15, 20.
  6. Прочитайте отрывок из стихотворения В. Брюсова «Мир электрона» и проанализируйте его с точки зрения «физиков» и «лириков».

      Быть может, эти электроны —
      Миры, где пять материков,
      Искусства, званья, войны, троны
      И память сорока веков!

      Ещё, быть может, каждый атом —
      Вселенная, где сто планет;
      Там — всё, что здесь, в объёме сжатом,
      Но также то, чего здесь нет.

Темы для рефератов

  1. Открытия, в результате которых было доказано сложное строение атома.
  2. Сравнительная характеристика моделей атома Дж. Томсона, Э. Резерфорда и Н. Бора. 3. Жизнь и научная деятельность Д. Д. Иваненко. 4. Вклад в науку нобелевского лауреата В. Гейзенберга.

Рейтинг@Mail.ru