Модели строения атома

Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью (А. Беккерель, 1896 г.). Последовавшее за этим установление природы α-, β- и γ-лучей, образующихся при радиоактивном распаде и открытие ядер атомов позволили Э. Резерфорду (1911 г.) предложить одну из первых моделей строения атома.

Планетарная модель Резерфорда.Суть планетарной модели строения атома можно свести к следующим утверждениям:

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.

3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но обнаружила и свои недостатки.

Теория Бора. В 1913 г. Н. Бор предложил свою теорию строения атома, в основу положено два необычных постулата:

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.

2. При движении по стационарным орбитам электрон не излучает и не поглощает энергии.

Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется законам классической физики. Согласно Бору, излучение или поглощение энергии определяется переходом из одного состояния в другое, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую.

Квантовая модель строения атома. Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом. В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную природу (корпускулярно-волновой дуализм). Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость υ связаны соотношением де Бройля: λ = h / тυ,где т – масса электрона (9,1∙10–19 г или 0,00055 а.е.м., заряд –1).

2. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот.

Вероятностное нахождение электрона в определенном положении в любой момент времени соответствует принципу неопределенности Гейзенберга: положение и момент электрона не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью.

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.

Орбиталь – совокупность положений электрона в атоме, т.е. область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название – нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а числе протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

Протон(р) – элементарная частица, с массой 1,00728 а.е.м. и положительным зарядом, нейтрон (n) – тоже элементарная частица, с массой 1,00867 а.е.м., не обладающая зарядом.

Число нейтронов равняется разности между массовым числом и порядковым номером: 20381Tl (81р, 122n); талий 20581Tl (81р, 124n).

Число нейтронов в ядрах всех элементов может быть различным. Атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойствами), но разным числом нейтронов называются изотопами (3517Cl, 3717Cl).

Каждый элемент представляет собой совокупность нескольких изотопов. Этим и объясняются дробные значения атомных масс: так, изотоп 35Cl в природе составляет 75,5%, а 37Cl – 24,5%; в результате средняя атомная масса хлора равна 35,5%.

Изобары – химические элементы с одинаковыми массовыми числами, по разным зарядам ядер (4018Ar, 4019K, 4020Ca).

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, – квантовой механики. Наибольший вклад в развитие этой теории внесли Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак.

В соответствии с квантовой механикой движение электрона вокруг ядра атома нельзя рассматривать просто как механическое перемещение. Сложность и своеобразие такого движения детально и описывается уравнением Шредингера (иногда это уравнение называют волновым).

Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то его движение можно описать с помощью так называемой волновой функции, обозначаемой греческой буквой ψ. Физический смысл волновой функции (х, у, z) таков, что квадрат абсолютного значения волновой функции |ψ(х,у,z)|2 пропорционален вероятности нахождения электрона в какой-либо точке пространства с координатами x, у, z.

Наиболее важным следствием из квантовой механики является то, что вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, главным п, побочным l, магнитным ml, спиновым ms.