Основные этапы развития представлений о строении атомы и ядра. Квантово-механическая модель атома.

Английский физик Э.Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель строения атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра на значительном расстоянии от него вращаются электроны, образующие электронную оболочку атома. Размер всего атома около 10^-10 м, ядра – порядка 10^-15 м, т.е. по размеру ядро примерно в 100 000 раз меньше атома.

Атом в целом электронейтрален, поэтому суммарный заряд электронов должен быть равен заряду ядра. Дальнейшие исследования показали, что положительный заряд ядра атома численно равен порядковому номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

Положительный заряд ядра каждого атома, а также число движущихся в атоме электронов равны атомному номеру элемента.

Ядро атома водорода – элементарная частица, которую называют протоном. В настоящее время в ядре атома открыты различные элементарные частицы. Важнейшими из них являются протоны (р) и нейтроны (n).

Частица	Символ	Масса покоя	Заряд
г	а.е.м.
Протон	р	1,679*10-24	1,007	+1
Нейтрон	n	1,675*10-24	1,008
Электрон	e	9,108*10-28	0,0005	-1

Советские ученые Иваненко и Гапон создали протонно-нейтронную теорию строение ядра (1932 г.). Согласно этой теории, ядра всех атомов, кроме ядра атома водорода, состоят из Z протонов и (А- Z) нейтронов, где Z – атомный номер элемента; А – массовое число.

Массовое число А равно сумме числа протонов Z и нейтронов N в ядре атома, т.е. А= Z+ N.

Силы, удерживающие протоны и нейтроны в атоме называются ядерными.

Разновидности атомов одного элемента, обладающие одинаковыми зарядами ядер, но разными атомными массами, называются изотопами.

Каждый изотоп характеризуется двумя величинами: атомной массой (записывается вверху слева от химического знака) и зарядом ядра (записывается внизу слева от химического знака).

Атомная масса элемента равна среднему значению масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности в природе.

Атомная масса элемента зависит от состава ядра. Заряд ядра, численно равный порядковому номеру элемента, определяет состав атома, число электронов в электронной оболочке атома, ее строение, а тем самым и свойства химического элемента. Именно заряд ядра, а не атомная масса является самой главной характеристикой атома, а значит, и элемента.

Химический элемент – это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Билет

Электронное облако — это наглядная модель, отражающая распределение электронной плотности в атоме или молекуле. В качестве наглядной модели состояния электрона в атоме в химии принят образ облака, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности обнаружить там электрон. Электронное облако рисуется наиболее плотным (там, где наибольшее число точек) в областях наиболее вероятного обнаружения электрона. Так как электрон несет отрицательный заряд, то его орбиталь представляет собой определенное распределение заряда, которое получило название электронного облака.

Волновая функция:

Вероятность нахождения электрона в определённой области пространства описывается волновой функцией, которая характеризует амплитуду волны, как функцию координат электрона. В наиболее простом случае эта функция зависит от трёх пространственных координат и называется орбиталью. В соответствии с определением волновой функции, орбиталью называется область околоядерного пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона.

Билет

Квантовые числа:

Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое.

Главное квантовое число п определяет энергию и размеры электронных орбиталей, принимает значения 1,2,3,4… и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше п, тем выше энергия. Оболочки (уровни) имеют буквенные обозначения:K (n=1), L (n=2), M (n=3), N (n=4), Q (n=5).

Орбитальное l – определяет форму атомной орбитали. Электронные оболочки расщеплены на подоболочки, поэтому орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные кв. числа принимают целочисленные значения от 0 до (п -1). Подоболочки также обозначаются буквами: подоболочка (подуровень).

Электроны с орбитальным кв. числом 0 называются s- электронами, имеют сферическую форму.

Электроны с орбитальным кв. числом 1 называются р- электронами, форма, напоминающая гантель.

Электроны с орбитальным кв. числом 2 называются d- электронами, форма сложнее чем р- орбитали.

Электроны с орбитальным кв. числом 2 называются f - электронами, форма сложнее чем d- орбитали.

Магнитное кв. число т₁ характеризует ориентацию орбитали в пространстве. Принимает целые значения от -1 до +1, включ 0.

Спиновое кв.число т_s характеризует собственное вращательное движение электрона вокруг собственной оси, т.е. показывает величину и ориентацию спина, имеет только 2 значения +1/2 и -1/2.

Билет

При заполнении атомных орбиталей электронами облюдаются три основные правила.

Заселение атомных орбиталей электронами определяется правилом минимума энергии, принципом Паули и правилом Хунда.

Электроны заселяют атомные орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией. В этом состоит правило минимума энергии. Последовательность в нарастании энергии подуровней акова: 1 s < 2 s < 2 p < 3 s < 3 p < 4 s ≤ 3 d < 4 p < 5 s и так далее …

Правило Клечковского. Заполнение уровней и подуровней происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел. Если для двух орбиталей эта сумма будет одинакова, то электрон идет в ту орбиталь, где n меньше.

 

1 s < 2 s < 2 p < 3 s < 3 p < 4 s < 3 d...

Принцип Паули. На одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами и с набором всех 4-х квантовых чисел.

Правило Гунда. Суммарный спин электронов на подуровне должен быть максимален, т.е. электроны стремятся занять максимальное число свободных квантовых состояний.

Билет

Емкость – максимальное число энергетического уровня, определяющееся по формуле , где n – номер уровня. Емкость подуровня , где l – орбитальное квантовое число характеризующееся для данного подуровня.