Строение атома
Но все эти предположения в то время еще не могли быть подтверждены какими либо экспериментальными данными. Лишь в конце 19в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при известных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома. Первые указания на сложную структуру атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую
впаяны два металлических электрода, выкачивается по
возможности весь воздух и затем пропускается сквозь
нее ток высокого 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 в движение на их пути легко подвижные тела и
откланяются от своего первоначального пути в
магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону
положительно заряженной пластины). Действие катодных
лучей обнаруживается только внутри трубки, так как
стекло для них непроницаемо. Изучение свойств
катодных лучей привело к заключению, что они
представляют собой поток мельчайших частиц, несущих
отрицательный электрический заряд и летящих со
скоростью, достигающей половины скорости света.
Особыми приемами удалось определить массу катодный частицы и величину их заряда. Оказалось, что масса каждой частицы равняется 0,00055 углеродной единицы, что составляет всего 1.1840 часть массы водорода, самого легкого из всех атомов. Заряд катодной частицы
равняется 1,602 10 кулона, или 4,803 10
электростатических единиц. Особенно замечательно, что
масса частиц и 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 лишены своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. По современным воззрениям, заряд электрона есть наименьший электрический заряд, наименьшее кол-во электричества, какое только может существовать. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. однако они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например, все металлы испускают электроны при накаливании; в пламени горелки также присутствуют электроны; многие вещества выбрасывают электроны при освещении ультрафиолетовыми, рентгеновскими или лучами света (фотоэффект). Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких структурных единиц. Изучение строение атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален; следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отрицательных зарядов электронов, Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения -частиц в газах и других веществах. -частицы выбрасываемые атомами радиоактивных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы
гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженные
положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность -частиц ионизировать воздух была использована английским
физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.В
последствии аппарат для фотографирования -частиц был назван камерой Вильсона. Рассматривая пути движения -частиц в камере Вильсона, мы видим, что они прямолинейны.В то же время, как показывает теория, каждая частица на протяжении своего пути. а он достигает в воздухе 11см, должна встретить сотни тысяч атомов. Если тем не менее путь ее остается прямолинейным, то это можно объяснить только тем, что
-частица пролетает сквозь атомы. Более тщательное исследование этого явления показало, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слой газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельны, а несколько расходятся: происходит
рассеяние -частиц, т.е. отклонение от их первоначального пути.Углы отклонения невелики, но
всегда имеется небольшое число частиц (1/8000), которые отклоняются очень сильно, некоторые частицы
отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердое непроницаемое. (добавить о том, что это не электроны их масса в 7500 раз меньше массы -частиц, отклонение из-за положительных частиц того же порядка, что и -частицы) Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему
строения атома. 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 масса сосредоточена 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 и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходиться лишь, ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой. 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 с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство -частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда -частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние -частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться 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 спектр рентгеновских лучей не удавалось получить. В 1912 г. швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Закономерное расположение атомов в кристаллах и весьма малые расстояния между ними давали основание предполагать, что кристалл как раз и может сыграть роль требуемой дифракционной решетки. Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектры рентгеновских лучей почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотографическая пластинка или бумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулированно следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.
Еще до работ Мозли некоторые теоретические соображения позволяли предположить, что порядковый номер элемента указывает число положительных зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучая рассеивание -частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, нашел, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в
таких единицах заряд ядра приблизительно равен
половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по
крайне мере более легких элементов, тоже равняется
примерно половине атомного веса. Все вместе взятое
привело к выводу, что Заряд ядра численно равен
порядковому номеру элемента. Таким образом, закон
Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме
каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров. Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры. Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты
обращения электрона по орбите. Но, излучая свет,
электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего
нарушается равновесие между ним и ядром; для
восстановления равновесия электрон должен постепенно
передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно
будет изменяться частота обращения электрона и
характер испускаемого им света. В конце концов,
исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на
ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом
деле происходило 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 разрушение атома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким
ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом;дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения : чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Обозначая квант энергии через, можно написать: = где - постоянная величина, так называемая
константа Планка, равная 6,625 10 эрг сек. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а
только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты
получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для
него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома при положении электрона на более удаленной от ядра орбите через Е, а на более близкой через Е и разделив потерянную атомом энергию Е - Е на постоянную Планка, получим искомую частоту:
=------
Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит,
тем больше частота излучения. Простейшим из атомов
является атом водорода; вокруг ядра которого
вращается только один электрон. Исходя из приведенных
постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для
этого электрона и нашел, что они относятся, как
квадраты натуральных чисел: 1 : 2 : 3 :... n Величина
n получила название главного квантового числа. Радиус
ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется
0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного
спектра Тем самым была доказана правильность расчета
устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость
постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем
теория Бора была распространена и на атомную структуру
других элементов, хотя это было связанно с некоторыми трудностями из-за ее новизны.
Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было
сказанно, число электронов, вращающихся вокруг ядра
атома, соответствует порядковому номеру элемента в
периодической системе.
Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и
того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом
энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом
энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается
на несколько энергетических уровней. Электроны
каждого следующего слоя находятся на более высоком
энергетическом уровне, чем электроны предыдущего
слоя. Наибольшее число электронов N, могущих
находиться на данном энергетическом уровне, равно
удвоенному квадрату номера слоя:
N=2n
где n-номер слоя. Таким образом на 1-2, на 2-8, на 3-18 и т.д. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме
палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем -
восемнадцати.
Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра 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 зарядов оставшихся 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 или в электронейтральные атомы, или в новые
ионы с другим зарядом.
Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.
Движение электронов в атомах рисовалось Бору до известной степени как простое механическое перемещение, между тем как оно является весьма сложным и своеобразным. Своеобразие движения электронов было раскрыто новой теорией - квантовой, или волновой, механикой. Квантовая механика показывает, что законы движения электронов имеют много общего с законами распространения волн. Я хочу лишь основное уравнение волновой механики, в связи с ее сложностью: связывающие длину волны для потока электронов с их скоростью и массой :
=-----
где h- постоянная Планка.
Охватывая более широкий круг явлений, чем теория Бора, решает ряд вопросов, с которыми теория Бора справится не смогла.
Так, например, при помощи волновой механики получает объяснение устойчивость лишь определенных электронных орбит. "Устойчивыми" являются лишь те
орбиты, на которых укладывается целое число волн. Так
как длина круговой орбиты с радиусом r равна 2 r,то
устойчивость орбиты будет определятся ур-нием:
2 r=------
где n-целое число. Это и есть математическое выражение первого постулата Бора, которое он в 1913 г. положил в основу расчета движения электрона в атоме водорода.
В приведенном выше ур-ние n-главное квантовое число. Принимает значения любого натурального числа.
1) Главное квантовое число n определяет уровень энергии, которому отвечает данная орбита, и ее удаленность от ядра. Главное квантовое число определяет среднее радиальное распределение электронной плотности около ядра. Помимо главного квантового числа, состояние электрона в атоме характеризуется еще тремя другими квантовыми числами: l,m,s.
2) Побочное (азимутальное) квантовое число l характеризует момент количества движения электрона относительно центра орбиты. Оно определяет форму электронного облака (форму орбиты), его сплошность или разрывы и его вытянутость. (s,p,d орбитали)
3) Магнитное квантовое число m определяет положение плоскости орбиты электрона в пространстве или, согласно представления волновой механики, то направление, в котором вытянуто электронное облако. Равно по модулю l.
4) Спиновое квантовое число s определяет направление вращения электрона. может принимать только два значения.
На основании анализа спектров и учета положения элементов в периодической системе физиком
Паули был найден общий принцип, позволяющий избрать те сочетания квантовых чисел, которые отвечают реальной действительности. Согласно этому принципу два электрона в атоме не могут иметь четыре одинаковых квантовых числа.