Состав атомных ядер и атомов

Модели строения атома

В 1903 г., вскоре после открытия электрона, англ. физик Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, которая получила название «капельная» или «арбуз». Томсон полагал, что положительный заряд и масса атома равномерно распределены по его объему. Внутри атома электроны расположены хаотично подобно семечкам в арбузе. Электроны могут колебаться относительно центра сферы, при этом атом излучает свет.

Ошибочность модели Томпсона вскоре показал английский физик Эрнест Резерфорд. В 1908 - 1911 годах под его руководством были выполнены опыты по рассеянию альфа-частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Большинство альфа-частиц двигалось по прямолинейному пути, небольшая часть их отклонялась на различные углы от первоначального направления, но некоторые, очень немногие альфа-частицы отклоняются очень сильно и даже отбрасываются назад. Такое резкое изменение направление движения альфа-частиц можно объяснить только тем, что они, проникая во внутренние области атомов, наталкиваются на одноимённый, т.е. положительный, заряд и относительно большую массу. Эти опыты убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объёме - атомном ядре, диаметр которого примерно в 10 000 раз меньше диаметра атома.

Опыты Резерфорда послужили основой для создания им в 1911 г. ядерной (планетарной) модели строения атома. Она напоминает нашу солнечную систему, где планеты вращаются вокруг Солнца. Резерфорд предположил, что атом представляет собой сложную микросистему, состоящую из находящихся в движении частиц.

Суть планетарной модели строения атома (Э.Резерфорд, 1911 г.) 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 (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).

3. Вокруг ядра на относительно больших расстояниях непрерывно вращаются электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атом электронейтрален, число электронов равно положительному заряду ядра и порядковому номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

Однако данная модель имела несколько недостатков:

1. Согласно закону классической электродинамики ускоренное движение электронов требует расхода энергии и соответственно расчетам через
10^-8 с электрон должен упасть на ядро, атом перестанет существовать. Однако, атом очень устойчивая система.

2. Изменение скорости электронов должно сопровождаться излучением, которое содержит все возможные длины волн (спектр сплошной), однако спектр излучения любого атома линейчатый и является его качественной и количественной характеристикой. Например, спектр паров калия состоит из 3 линий: 2-х красных и 1-й фиолетовой, в определенной области видимого спектра.

В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил модель строения атома водорода, которая объединила " планетарную" модель и квантовую механику. Основные положения теории Бора сформулированы в виде постулатов (утверждение без доказательства):

1) электрон в атоме может вращаться вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Каждой стационарной орбите соответствует определенная энергия, поэтому говорят об энергетическом уровне электрона в атоме;

2) если электрон движется по стационарной орбите, то он не выделяет и не поглощает энергии. Если электрон находится на первой стационарной орбите, его связь с ядром максимальна, а энергия минимальна и такой атом называется невозбужденным. Если атому сообщить энергию извне, то электрон перескакивает на более дальнюю орбиту и такой атом называется возбужденным;

3) при перескоке электрона с более отдаленной орбиты на более близкую орбиту, избыток энергии выделяется в виде света определенной частоты или определенной длины волны. При этом получаются спектры.

 

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. 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.

2. Для электрона невозможно одновременно точно определить его координату и скорость (принцип неопределенности Гейзенберга, открытый в 1927 г.). Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот.

3. Электроны вращаются по стационарным орбитам. Орбиту электрона называют энергетическим уровнем или квантовым слоем. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО).

 

Квантовые числа

Состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

1. Главное квантовое число (n) характеризует с точки зрения квантовой механики энергетический уровень электрона и размеры электронного облака. Главное квантовое число принимает целочисленные значения n = от 1….. Электроны с одинаковым значением n обладают одинаковой энергией и образуют один и тот же энергетический уровень.

2. Согласно квантово-механическим расчетам электронные облака отличаются не только размерами, но и формой. Форму электронного облака и расщепление энергетического уровня на так называемые энергетические подуровни характеризует орбитальное (азимутальное) квантовое число (l).

Орбитальное квантовое число принимает целочисленные значения от 0 … до (n – 1).

 

n
l		0, 1	0, 1, 2	0, 1, 2, 3

 

Кроме числового значения орбитальное квантовое число обозначается и буквами,: l = 0 – s-подуровень, l = 1 – p-подуровень, l = 2 – d-подуровень, l = 3 – f-подуровень.

3. Пространственную ориентацию электронных облаков характеризует магнитное квантовое число (m_l). Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от – l через 0 до + l. Магнитное квантовое число показывает, на сколько энергетических ячеек делится энергетический подуровень. Число энергетических ячеек на подуровне = (2 l+ 1). Максимальная емкость энергетической ячейки = 2е

Квантовые числа n, l, m_l – характеризуют движение электрона в около ядерном пространстве. Состояние электрона в атоме, описываемое значениями трех квантовых чисел n, l, m_l называют энергетической ячейкой или атомной электронной орбиталью. Атомная орбиталь – это трехмерный объект, пространство вокруг ядра атома, в котором находится электрон.

4. Это движение электрона вокруг собственной оси характеризует спиновое квантовое число или спин (S). Если электрон движется по часовой стрелке, то S = +1/2. Если против часовой стрелки то S = –1/2. Набор четырех квантовых чисел определяет положение электрона в атоме. Электрон, находящийся на орбитале один, называется неспаренным.

 

Свойства нейтральных атомов

Модели строения атома

В 1903 г., вскоре после открытия электрона, англ. физик Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, которая получила название «капельная» или «арбуз». Томсон полагал, что положительный заряд и масса атома равномерно распределены по его объему. Внутри атома электроны расположены хаотично подобно семечкам в арбузе. Электроны могут колебаться относительно центра сферы, при этом атом излучает свет.

Ошибочность модели Томпсона вскоре показал английский физик Эрнест Резерфорд. В 1908 - 1911 годах под его руководством были выполнены опыты по рассеянию альфа-частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Большинство альфа-частиц двигалось по прямолинейному пути, небольшая часть их отклонялась на различные углы от первоначального направления, но некоторые, очень немногие альфа-частицы отклоняются очень сильно и даже отбрасываются назад. Такое резкое изменение направление движения альфа-частиц можно объяснить только тем, что они, проникая во внутренние области атомов, наталкиваются на одноимённый, т.е. положительный, заряд и относительно большую массу. Эти опыты убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объёме - атомном ядре, диаметр которого примерно в 10 000 раз меньше диаметра атома.

Опыты Резерфорда послужили основой для создания им в 1911 г. ядерной (планетарной) модели строения атома. Она напоминает нашу солнечную систему, где планеты вращаются вокруг Солнца. Резерфорд предположил, что атом представляет собой сложную микросистему, состоящую из находящихся в движении частиц.

Суть планетарной модели строения атома (Э.Резерфорд, 1911 г.) 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 (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).

3. Вокруг ядра на относительно больших расстояниях непрерывно вращаются электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атом электронейтрален, число электронов равно положительному заряду ядра и порядковому номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

Однако данная модель имела несколько недостатков:

1. Согласно закону классической электродинамики ускоренное движение электронов требует расхода энергии и соответственно расчетам через
10^-8 с электрон должен упасть на ядро, атом перестанет существовать. Однако, атом очень устойчивая система.

2. Изменение скорости электронов должно сопровождаться излучением, которое содержит все возможные длины волн (спектр сплошной), однако спектр излучения любого атома линейчатый и является его качественной и количественной характеристикой. Например, спектр паров калия состоит из 3 линий: 2-х красных и 1-й фиолетовой, в определенной области видимого спектра.

В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил модель строения атома водорода, которая объединила " планетарную" модель и квантовую механику. Основные положения теории Бора сформулированы в виде постулатов (утверждение без доказательства):

1) электрон в атоме может вращаться вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Каждой стационарной орбите соответствует определенная энергия, поэтому говорят об энергетическом уровне электрона в атоме;

2) если электрон движется по стационарной орбите, то он не выделяет и не поглощает энергии. Если электрон находится на первой стационарной орбите, его связь с ядром максимальна, а энергия минимальна и такой атом называется невозбужденным. Если атому сообщить энергию извне, то электрон перескакивает на более дальнюю орбиту и такой атом называется возбужденным;

3) при перескоке электрона с более отдаленной орбиты на более близкую орбиту, избыток энергии выделяется в виде света определенной частоты или определенной длины волны. При этом получаются спектры.

 

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. 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.

2. Для электрона невозможно одновременно точно определить его координату и скорость (принцип неопределенности Гейзенберга, открытый в 1927 г.). Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот.

3. Электроны вращаются по стационарным орбитам. Орбиту электрона называют энергетическим уровнем или квантовым слоем. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО).

 

Состав атомных ядер и атомов

Важнейшими элементарными частицами являются:

1) протон – частица, несущая единичный положительный заряд;

2) нейтрон – частица, лишенная заряда.

Общее название этих частиц – нуклоны.

3) электрон – частица, несущая единичный отрицательный заряд

 

Основные положения протонно-нейтронной теории строения ядра:

1) ядра всех атомов, кроме ядра атома водорода, состоят из протонов и нейтронов; 2) число нейтронов равно (A – Z); 3) силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными; 4) в ядре сосредоточена почти вся масса атома; 5) свойства ядра определяются главным образом числом протонов и нейтронов.

Энергия, выделяющаяся при образовании ядра из протонов и нейтронов, называется энергией связи. Сумма всех протонов называется зарядным числом и равна порядковому номеру элемента в периодической системе. Сумма всех протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом.

Совокупность атомов с одинаковым количеством электронов или с одинаковым количеством протонов в ядре называется химическим элементом.

Различают 3 вида атомов:

1. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, а значит и тождественные свойства, но разное число нейтронов, а следовательно, разные массовые числа называются изотопами:

2. Атомы разных элементов, имеющие одинаковые массовые числа называются изобарами. В периодической системе с уществует 59 пар и 6 троек изобар:

3. Атомы разных элементов, имеющие одинаковое число нейтронов, называются изотонами:

атомы ⁵₂Не, ⁶₃Li, ⁷₄Be, ⁸₅В,

ядра данных атомов содержат 3 нейтрона. Из этих изотонов ⁵He распадается практически мгновенно, ⁶Li — стабилен, ⁷Be и ⁸B — радиоактивны с периодом полураспада соответственно 43 дня и 0,8 сек.

 

Квантовые числа

Состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

1. Главное квантовое число (n) характеризует с точки зрения квантовой механики энергетический уровень электрона и размеры электронного облака. Главное квантовое число принимает целочисленные значения n = от 1….. Электроны с одинаковым значением n обладают одинаковой энергией и образуют один и тот же энергетический уровень.

2. Согласно квантово-механическим расчетам электронные облака отличаются не только размерами, но и формой. Форму электронного облака и расщепление энергетического уровня на так называемые энергетические подуровни характеризует орбитальное (азимутальное) квантовое число (l).

Орбитальное квантовое число принимает целочисленные значения от 0 … до (n – 1).

 

n
l		0, 1	0, 1, 2	0, 1, 2, 3

 

Кроме числового значения орбитальное квантовое число обозначается и буквами,: l = 0 – s-подуровень, l = 1 – p-подуровень, l = 2 – d-подуровень, l = 3 – f-подуровень.

3. Пространственную ориентацию электронных облаков характеризует магнитное квантовое число (m_l). Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от – l через 0 до + l. Магнитное квантовое число показывает, на сколько энергетических ячеек делится энергетический подуровень. Число энергетических ячеек на подуровне = (2 l+ 1). Максимальная емкость энергетической ячейки = 2е

Квантовые числа n, l, m_l – характеризуют движение электрона в около ядерном пространстве. Состояние электрона в атоме, описываемое значениями трех квантовых чисел n, l, m_l называют энергетической ячейкой или атомной электронной орбиталью. Атомная орбиталь – это трехмерный объект, пространство вокруг ядра атома, в котором находится электрон.

4. Это движение электрона вокруг собственной оси характеризует спиновое квантовое число или спин (S). Если электрон движется по часовой стрелке, то S = +1/2. Если против часовой стрелки то S = –1/2. Набор четырех квантовых чисел определяет положение электрона в атоме. Электрон, находящийся на орбитале один, называется неспаренным.