Будова атома

 

 

Початкові теорії будови атома

До кінця ХIХ ст. атоми вважалися неподільними. Проте протягом останнього десятиліття ХIХ ст. було встановлено ряд фактів, які свідчили про складну будову атомів і про можливість перетворень одних атомів в інші. Насамперед, це було відкриття електрона  англійським фізиком Дж.Дж.Томсоном у 1897р і радіоактивності в 1896 р. французьким фізиком А.Беккерелєм.

Електрон–елементарна частинка, яка має найменший негативний електричний заряд, що існує в природі–1,602.10-19 Кл.Заряд електрона був прийнятий за одиницю елементарного електричного заряду. У цих одиницях заряд електрона – 1. Маса електрона дорівнює 9,105.10-31 кг. Було встановлено, що електрони є в атомах усіх елементів. Але атоми електронейтральні, отже, в атомах мають бути ще і позитивно заряджені частинки.

З’являється перша модель атома, запропонована в 1903р. Дж.Дж.Томсоном, згідно з якою атом складається з позитивно зарядженої сфери, в яку вкраплені  від’ємні  електрони. Однак у 1911 р. Резерфорд на основі дослідів із розсіювання α-частинок запропонував ядерну теорію будови атома. За цією теорією, подібно до того, як у Сонячний системі навколо Сонця обертаються планети, так навколо ядра на різних відстанях обертаються електрони. Сумарний від’ємний заряд електронів чисельно дорівнює додатному заряду ядра. Маса електронів надзвичайно мала, тому майже вся маса атома зосереджена в його ядрі. Розміри ядра в десятки тисяч разів менші за розміри атома. Діаметр атома – величина порядку 10-8 см, а діаметр ядра – порядку 10-13–10-12 см. Однак  планетарна  модель  Резерфорда  суперечила  факту стійкого існування  атома.  У  результаті  руху електрона по замкнутій орбіті витрачається енергія його електростатичної взаємодії з ядром, і електрон, відповідно до розрахунків, через 10-8с має впасти на ядро.

Згідно з моделлю Резерфорда енергія атома повинна зменшуватися безперервно за рахунок випромінювання, утворюючи суцільний спектр. Проте експериментально встановлено, що всі атомні спектри мають дискретний (лінійчастий) характер.

Для пояснення особливостей спектрів нагрітих тіл німецьким вченим М.Планком (1900 р.) було запропоновано теорію, засновану на припущенні, що енергія випромінюється окремими порціями - квантами, величина яких залежить від частоти випромінювання світла, а саме

 

E=h•ν,

 

де Е–енергія кванта, h - стала Планка, яка дорівнює 6,626.10-34 Дж .с, ν - частота коливань, що дорівнює відношенню швидкості світла С до довжини хвилі.

Це рівняння називається рівнянням Планка. Випромінюючи квант світла, атом переходить з одного енергетичного стану в інший.

На основі моделі Резерфорда і квантової теорії випромінювання Планка датським фізиком Нільсом Бором у 1913 р. було запропоновано теорію будови атома Гідрогену. Ця теорія дозволила пояснити властивості атома і походження ліній спектра. Бор припустив, що рух електрона в атомі обмежений індивідуальною стійкою орбітою. Поки електрон знаходиться на цій орбіті, він не випромінює енергії. Умова стійкості кругової орбіти з радіусом r така:

 

nλ=2πrn , n=1,2,3,...,

 

де rn-радіус орбіти, на довжині якої укладається n довжин хвиль. Ціле число n одержало назву квантового числа. Підставивши значення λ (довжина хвилі електрона), можна визначити значення rn. Радіус найближчої до ядра орбіти атома Гідрогену називають боровським радіусом і позначають a0. При цьому a0=r1=0,053 нм. Радіуси інших орбіт визначають за допомогою співвідношення rn=n2a0.

Різним дозволеним орбітам відповідають різні рівні енергії електрона. При переході електрона з верхнього рівня на нижчий виділяється енергія

 

EП−EK=hν,

 

де EП-енергія в початковому стані, EK-енергія в кінцевому стані, ν- частоти випромінювання, h - стала Планка.

Отже, при переході електрона з одного стану в інший виділяється енергія у вигляді випромінювання. Це пояснює походження атомних спектрів. Але теорія Бора виявилася неспроможною пояснити будову складних атомів і передбачити поведінку атома Гідрогену в магнітному полі. Виникла необхідність розроблення  нової теорії для пояснення поведінки мікрочастинок, які не підпорядковуються законам макроскопічних тіл. Такою теорією виявилась квантова, або хвильова механіка.

Першим кроком на шляху до створення квантової, або хвильової механіки були умови квантування і дискретності енергетичних станів електрона в атомі, введені Н.Бором. Наступним етапом стало рівняння Луї де Бройля і принцип невизначеності В.Гейзенберга.

У 1924 р. французький фізик де Бройль висловив припущення, що електрон, як і фотон, має як корпускулярні, так і хвильові властивості, і запропонував рівняння, тобто електрону з масою m, який рухається з швидкістю ν, відповідає хвиля довжиною λ; h - стала Планка.

Отже, з одного боку, електрон-це матеріальна частинка з дуже малою масою, яка рухається навколо ядра з дуже великою швидкістю, приблизно 300000 км/с. З другого боку, електрон утворює електромагнітні хвилі, які розподіляються по усьому об’єму, в якому рухається електрон.

Дуже велика швидкість електрона і дуже  малий об’єм, в якому він рухається, призводить до того, що електрон ніби «розмазується» в усьому об’ємі атома. Німецький фізик В.Гейзенберг у 1927 р. сформулював принцип невизначеності: точне визначення координати частинки і її кількості руху (імпульсу) є неможливим у даний момент часу.

Отже, положення електрона в просторі є невизначеним. Уявлення про електронну орбіту замінюється у хвильовій механіці уявленням про електронну хмару.

Електронна хмара – це область простору навколо ядра атома, в якій зосереджено приблизно 90% маси і заряду електрона і де імовірність знаходження електрона є максимальною.

Електронна хмара–це квантово-механічна модель руху електрона в атомі.

Густина електронної хмари нерівномірна. Максимальна густина відповідає найбільшій ймовірності знаходження електрона в певній ділянці атомного простору.