Модель атома Резерфорда і Бора

Інститут управління природними ресурсами

Кафедра фундаментальних
дисциплын

Реферат

з концепції сучасного природознавства

на тему:

Модель атома Резерфорда і Бора

Виконала: Петрик Н.

Група М-12

Перевірив: Миго В.М.

Коломия –2001

Зміст.

Зміст...................................................................................................... 2

Вступ.................................................................................................... 3

1. Досліди Резерфорда ...................................................................... 4

1.1. Відкриття субатомних частинок............................................... 4

1.2. Модель атома Резерфорда..................................................... 6

2. Модель атома Бора......................................................................... 9

2.1. Планетарна модель атома........................................................ 9

2.2. Модель Бора........................................................................... 10

2.3. Основні положення квантової механіки............................... 11

2.4. Постулати Бора....................................................................... 12

3. Будова атома.................................................................................. 15

3.1. Орбіталі................................................................................... 15

3.2.Квантові числа......................................................................... 16

3.3. Сучасні уявлення про будову ядра........................................ 17

Висновок......................................................................................... 19

Література...................................................................................... 20

Вступ

На протязі всього існування цивілізації людство робило спроби систематизувати знання про будову матерії. Аристотель вважав, що кожне тіло в своїй основі має чотири стихії: Воду, Вогонь, Повітря і Землю. Властивості тіл залежать від кількості співвідношення цих стихій в кожному з них. Цей погляд на будову матерії проіснував практично без змін до часів середньовічних алхіміків. А докладні відповіді на всі питання люд­ство не отримало і до тепер.

Однак, за останні сто років вченим вдалося сформу­лю­вати декілька теорій будови атома, які, можливо, не далекі від істини. Вже в далекому минулому філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». Деякі з них стверджували, що речовина складається з дрібних часток, названих атомами. Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені пізніше в роботах російського вченого М.В. Ломоносова, французьких хіміків Л. Лавуазьє і Ж. Пруста, англійського хіміка Д. Дальтона, італійського фізика А. Авогадро й інших дослідників.

Періодичний закон Д.І. Менделєєва показує існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами. Це говорить про те що в основі всіх атомів лежить щось загальне. До кінця XIX століття в хімії панувало переконання, що атом є найменша неподільна частка простої речовини. Вважалося, що при всіх хімічних перетвореннях руйнуються і створюються тільки молекули, атоми ж залишаються незмінними і не можуть дробитися на частини. І нарешті наприкінці XIX століття були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення одних атомів в інші.

Вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 р., після того як була остаточно встановлена природа катодних променів, як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. Факт виділення електронів найрізноманітнішими речовинами приводив до висновку, що електрони входять до складу всіх атомів. Але атом, як відомо, електрично нейтральний, з цього випливало, що в його сполуку повинна була входити ще одна складова частина, що врівноважувала суму негативних зарядів електронів. Ця позитивно заряджена частина атома була відкрита в 1911 р. Резерфордом
при дослідженні руху a- частинок у газах і інших речовинах.

Першим сучасну атомістичну теорію висунув Джон Дальтон. Він допустив, що кожен хімічний елемент складається з атомів, однакових за розмірами та масою. В 1895році Вільгельм Рентген відкрив х-промені (отримав за це відкриття Нобелівську премію), яким потім була дана назва рентгенівського випромінення. А в наступному році Антуан Анрі Беккерель показав, що сіль урану самовільно випромінює непомітне випромінення. Це явище отримало назву радіоактивність. Ці та інші дослідження підготували грунт для відкриття субатомних частинок.

1. Досліди Резерфорда .

1.1. Відкриття субатомних частинок.

Електрон був першою субатомною частинкою, що була відкрита. В 1897 році Джозеф Джон Томсон відкрив електрон і визначив його питомий заряд та відносну масу.

Заряд: е =1,602*10^-19
Кл., m_е
= 9,110*10^-28
г.

Після відкриття електрона Томсон запропонував модель атома в якій електрони знаходяться всередині атома. Ця модель отримала назву “сливовий періг” і була дуже далека від реального стану речей. Вона відображала тільки кількісний склад атома, але не положення електронів та ядра в атомі.

Протон був другим в черзі відкритих частинок.

В 1899р. Ернест Резерфорд відкрив радіоактивне a- і b-випромінення.

Е. Резерфорд народився в Новій Зеландії 1871р. в двадцять сім років став професором фізики в Університеті Мак-Гілла в Монреалі. В 1907р. Резерфорд переїхав до Англії. В 1908 р. ним отримана Нобелівська премія за дослідження радіоактивності. В 1914 р. за англійським звичаєм був посвячений в рицарі, а в 1931 р. отримав звання пера. Помер в 1937 р. Резерфорд, без сумніву, є одним з видатніших вчених ХХст.

В 1910 р. учні Резерфорда Ханс Гейгер і Ернест Марсден провели експеримент, який дозволив пояснити існування ядра в атомі. Вони бомбардували тонкі листки золотої фольги a-частинками. Після цього досліду Резерфорд передбачив існування і природу протона.

Нейтрон. Експериментально був відкритий у 1932 р. Дж. Чедвіком, але його існування було передбачене Резерфордом, ще в 1920 р. Нейтрон не має заряду, чому і завдячує своєю назвою.

Після відкриття субатомних частинок Резерфорд запропонував свою модель будови атома..

1.2. Модель атома Резерфорда.

При вивченні α-часток Резерфорд, виходячи з моделі Томсона, підрахував, що розсіювання α-часток не може давати великих кутів відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.

7 березня 1911 року Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь “Розсіювання α і β-променів і будова атома”. У доповіді він, зокрема, говорив: “Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, що складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої α і β-частки, коли вони проходять на близькій відстані від центра атома, отримують великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала”. Бомбардування золотої фольги α-частинками проводили на такому пристрої.

Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, що Резерфорд поклав рівним ±Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. “Точне значення заряду центрального ядра не було визначено,- писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду”. З наступних досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, що почали перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро, як стійку частину атома, що несе в собі майже всю масу атома й позитивним зарядом (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним). При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.

Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: ”Із самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом...”

Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора
, у яких вчення про будову атома нерозривно пов’язується з вченням про походження спектрів.

Лінійні спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими газами чи парами. Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Більшість металів дає дуже складні спектри, що містять величезне числоліній (у заліза до 5000), але зустрічаються і порівняно прості спектри.

Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.

Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи “Про серійний спектр водню” і “Про квантову теорію випромінювання в структурі атома”. У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.

У 1936 році Бор виступив зі статтею “Захоплення нейтрона і будова ядра”, у якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказується краплинною моделлю, поки на початку 1939 р. не був відкритий розподіл урану.

2. Модель атома Бора

2.1. Планетарна модель атома.

Найпростіший атом водню складається з позитивно зарядженого ядра з зарядом +е (протона) і знаходиться на якійсь орбіті негативно зарядженого електрона -е (тут е - абсолютна величина елементарного заряду, рівна 1,6 ·10^-19
Кл). Будемо вважати, що протон спочиває, а електрон масою m робитьрух по круговій орбіті радіусом r.

Відповідно до теореми Віріала,

Таким чином, повна енергія електрона на орбіті в атомі водню дорівнює половині потенційної енергії:

Підкреслимо, що потенційна енергія електрона негативна, що відповідає тяжінню. Повна енергія також негативна, що відповідає зв'язаному стануелектрона. Чим менше радіус орбіти електрона, тим більше по абсолютній величині повна енергія електрона.

Більш складні атоми хімічних елементів складаються з позитивно заряджених ядер, причому заряд Z відповідає номеру елемента в періодичній таблиці елементів Д. И. Менделєєва. Навколо ядра по орбітах обертаються Z електронів, так що в цілому будь-який атом у нормальному стані електрично нейтральний.

Описана планетарна модель атома зовсім неприйнятна з погляду законів класичної фізики. Справа в тім, що, як випливає з законів електродинаміки Максвелла, будь-який заряд, що прискорено рухається випромінює електромагнітні хвилі. Тому електрон, рухаючись з центробіжним прискоренням v²
/r по орбіті, поступово повинен втрачати енергію і колись упасти на ядро. Можна підрахувати час життя атома водню до моменту падіння електрона на ядро. Виявляється, що атом проіснував би усього близько 10^-10
с.

2.2. Модель Бора.

.

Розвиваючи ядерну теорію Резерфорда, учені прийшли до думки, що складна структура лінійчатих спектрів обумовлена коливаннями електронів, що відбуваються усередині атомів. По теорії Резерфорда, кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила притягання ядра врівноважується центробіжною силою, що виникає при обертанні електрона. Обертання електрона зовсім аналогічно його швидким коливанням і повинне викликати випромінення електромагнітних хвиль. Тому можна припустити електрон, що повертається випромінює світло визначеної довжини хвилі, що залежить від частоти обертання електрона по орбіті. Але, випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії, в наслідок чого порушується рівновага між ним і ядром; для відновлення рівноваги електрон повинний поступово пересуватися ближче до ядра, причому так само поступово буде змінюватися частота обертання електрона і характер світла, що випускається їм. Зрештою, вичерпавши всю енергію, електрон повинний "упасти" на ядро, і випромінювання світла припиниться. Якби насправді відбувалася така безупинна зміна руху електрона, то і спектр виходив би завжди безупинний, а не з променями визначеної довжини хвилі. Крім того, "падіння" електрона на ядро означало б руйнування атома і припинення його існування. Таким чином, теорія Резерфорда була неспроможна пояснити не тільки закономірності в розподілі

ліній спектра, ні саме існування лінійчатих спектрів. У 1913 р. Н. Бор запропонував теоретичне пояснення моделі атома Резерфорда, засноване на відмові від ряду класичних уявлень, насамперед, на відмові від ствердження про безперервність класичних величин типу енергії і моменту імпульсу. Цим Бор заклав основи квантової теорії. Надалі багато в чому непослідовна модель Бора була замінена строгими законами квантової механіки

2.3. Основні положення квантової механіки

У запропонованій Бором теорії будови атома йому удалося з великим мистецтвом погодити спектральні явища з ядерною моделлю атома, застосувавши до останнього так називану квантову теорію випромінювання, введену в науку німецьким ученим-фізиком Планком. Сутність теорії квантів зводиться до того, що промениста енергія випускається і поглинається не безупинно, як приймалося раніш, а окремими малими, але цілком визначеними порціями - квантами енергії. Запас енергії випромінюючого тіла змінюється стрибками, квант за квантом; дробове число квантів тіло не може ні випускати, ні поглинати. Величина кванта енергії залежить від частоти випромінювання: чим більше частота випромінювання, тим більше величина кванта. Кванти променистої енергії називаються також фотонами.

Всі елементи поглинають або випускають випромінення з фіксованими довжинами хвиль. Бор встановив відповідність між лініями атомного спектра і енергіями електронів в атомах. Значення енергій Бор назвав квантовими рівнями. Згідно цієї теорії електрон може перескакувати з одного Е- рівня на другий, випромінюючи або поглинаючи квант енергії.

D Е=Е2-Е1

D Е=h*n,

n - відповідає лінія спектра

2.4. Постулати Бора

Застосувавши квантові уявлення до обертання електронів навколо ядра, Бор поклав в основу своєї теорії дуже сміливі припущення, або постулати. Хоча ці постулати і суперечать законам класичної електродинаміки, але вони знаходять своє виправдання в тих разючих результатах, до яких приводять, і в тій цілковитій згоді, що проявляється між теоретичними результатами і величезним числом експериментальних фактів.

Постулати Бора полягають у наступному: Електрон може рухатися навколо не по будь-яких орбітах, а тільки по таких, котрі задовольняють визначеним умовам, що випливають з теорії квантів. Ці орбіти одержали назви стійких чи квантових орбіт.

Коли електрон рухається по одній з можливих для нього стійких орбіт, то він не випромінює. Перехід електрона з вилученої орбіти на більш близьку супроводжується втратою енергії. Загублена атомом при кожнім переході енергія перетворюється в один квант променистої енергії. Частота випромінюваного при цьому світла визначається радіусами тих двох орбіт, між якими відбувається перехід електрона. Чим більше відстань від орбіти, на якій знаходиться електрон, до тієї, на яку він переходить, тим більше частота випромінювання. Найпростішим з атомів є атом водню; навколо ядра якого обертається тільки один електрон.

Виходячи з приведених постулатів, Бор розрахував радіуси можливих орбіт для цього електрона і знайшов, що вони відносяться, як квадрати натуральних чисел: 1:2:3 : ... n Величина n одержала назву головного квантового числа. Радіус найближчої до ядра орбіти в атомі водню дорівнює 0,53 ангстрема. Обчислені звідси частоти випромінювань, що супроводжують переходи електрона з однієї орбіти на іншу, виявилися в точності співпадаючими з частотами, знайденими на досліді для ліній водневого спектра. Тим самим була доведена правильність розрахунку стійких орбіт, а разом з тим і можливість застосувати постулати Бора для таких розрахунків. Надалі теорія Бора була поширена і на атомну структуру інших елементів, хоча це було пов'язано з деякими проблемами через її новизну.

Теорія Бора дозволила розв’язати дуже важливе питання про розташування електронів в атомах різних елементів і установити залежність властивостей елементів від будови електронних оболонок їхніх атомів. В даний час розроблені схеми будови атомів усіх хімічних елементів. Однак, всі ці схеми це лише більш-менш достовірна гіпотеза, що дозволяє пояснити багато фізичних і хімічнихвластивостей елементів. Як раніш уже було сказано, число електронів, що обертаються навколо ядра атома, відповідає порядковому номеру елемента в періодичній системі. Електрони розташовані по шарах, тобто кожному шару належить визначене число електронів, що заповнюють чи насичують його. Електрони того самого шару характеризуються майже однаковим запасом енергії, тобто знаходяться приблизно на однаковому енергетичному рівні. Вся оболонка атома розпадається на кілька енергетичних рівнів. Електрони кожного наступного шару знаходяться на більш високому енергетичному рівні, чим електрони попереднього шару. Найбільше число електронів N, що можуть знаходитися на даному енергетичному рівні, дорівнює подвоєному квадрату номера шару:

N=2n*n,

де n-номер шару. Крім того, установлено, що число електронів у зовнішньому шарі для всіх елементів, крім паладію, не перевищує восьми, а в передостанньому - вісімнадцятьох. Електрони зовнішнього шару, як найбільш віддалені від ядра і, отже, найменш міцно зв'язані з ядром, можуть відриватися від атома і приєднуватися до інших атомів, входячи до складу зовнішнього шару останніх. Атоми, що позбавилися одного чи декількох електронів, стають заряджені позитивно, тому що заряд ядра атома перевищує суму зарядів електронів, що залишилися. Навпаки атоми що приєднали електрони, стають заряджені негативно. Утворені таким шляхом заряджені частки, якісно відмінні від відповідних атомів називаються іонами. Багато іонів у свою чергу можуть чи втрачати чи приєднувати електрони, перетворюючи при цьому чи в електронейтральні атоми, чи в нові іони з іншим зарядом.

3. Будова атома

Сусна теорія будови атомів базується на моделі Бора та дослідах Резерфорда, але тільки сучасні методи досліджень дозволяють пояснити будову атома більш докладно.

3.1. Орбіталі

Розглянемо просторове розташування електронів в атомі. У відповідності до принципу невизначеності Гейзенберга, положення та швидкість електрона не піддаються одночасному визначенню з певною точністю. Однак, не дивлячись на неможливість точного визначення положення електрона, можна вказати ймовірність знаходження електрона в певному положенні в любий момент часу. Частина простору, в якій дуже висока імовірність знаходження електрона, називається орбіталлю.

3.2.Квантові числа.

Уважний розгляд атомних спектрів показує, що лінії, обумовлені переходом між квантовими енергетичними рівнями, насправді розщеплені на більш тонкі, тобто на підоболонки, кожна з своїм енергетичним рівнем. Ці електронні підоболонки отримали назву за виглядом відповідних ліній в атомному спектрі:

s- підоболонка названа за”різкою” (sharp) s-лінією

р-підоболонка - за “головною” (principal) р-лінією

d-підоболонка - за ”дифузною” (diffuse) d-лінією

f-підоболонка - за “фундаментальною” (fundamental) f-лінією

s- підоболонка складається з однієї s-орбіталі.

Р-підоболонка складається з трьох р-орбіталей

d-підоболонка складається з п’яти d-орбіталей

f-підоболонка складається з семи f-орбіталей

Наявність у електрона особливої властивості - спіна,
також зумовлює розщеплення спектру. Таким чином, енергетичний рівень електрона в атомі визначається чотирма характеристиками: оболонкою, підоболонкою, орбіталлю та спіном. Кожній з цих характеристик відповідає певне квантове число.

Кожен електрон має свій індивідуальний набір квантових чисел, яким він відрізняється від інших електронів даного атома.

Електронна конфігурація елемента - це запис розподілу електронів в його атомах по оболонках, підоболонках та орбіталях. Для визначення конкретної електронної конфігурації елемента в стаціонарному стані є три правила:

Принцип заповнення. Електрони в стаціонарному стані атома заповнюють орбіталі у відповідності підвищення орбітальних енергетичних рівнів. Нижчі за енергією орбіталі завжди заповнюються першими.

Наприклад :
Водень ₁
H 1s¹

¯

Принцип заборони Паулі. На будь-якій орбіталі може знаходитись не більше двох електронів і лише в тому випадку, якщо в них різнонапрямлені спіни.

Наприклад:
1s 2s
Літій ₃
Li 1s²
2s¹
­¯¯

Правило Гунда. Заповнення орбіталей однієї підоболонки починається по одному електрону з паралельними спінами, і тільки після того, як неспарені електрони займуть всі орбіталі, може проходити заповнення орбіталей парами електронів з протилежними спінами.

Наприклад:
1s 2s 2p
Нітроген ₇
N 1s²
2s²
2p³
¯­¯­¯¯¯

3.3. Сучасні уявлення про будову ядра

1. Ядром називається центральна частина атома, у якій зосереджена практично вся маса атома і його позитивний електричний заряд. Всі атомні ядра складаються з елементарних часток: протонів і нейтронів, що вважаються двома зарядовими станами однієї частинки - нуклона. Протон має позитивний електричний заряд, що дорівнює по абсолютній величині заряду електрона. Нейтрон не має електричного заряду.

2. Зарядом ядра називається величина Z_е
, де е - величина заряду протона, Z - порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва, дорівнює числу протонів у ядрі. В даний час відомі ядра з Z від Z = 1 до Z = 107. Для всіх ядер, крім і деяких інших нейтронодефіцітних ядер N_і
, де N - число нейтронів у ядрі. Для легких ядер N/Z » 1; для ядер хімічних елементів, розташованих наприкінці періодичної системи, N/Z » 1,6.

3. Число нуклонів у ядрі A=N+Z називається масовим числом. Нуклонам (протону і нейтрону) приписується масове число, рівне одиниці, електрону - нульове значення А.

Ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. Ядра, що при однаковому А мають різні Z, називаються ізобарами. Ядро хімічного елемента позначається X, де Х - символ хімічного елемента.

Усього відомо близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів і більш 2000 природних і штучно отриманих радіоактивних ізотопів.

4. Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що має умовний зміст через розмитість границі ядра. Емпірична формула для радіуса ядра м, може бути пояснена як пропорційність об’єму ядра числу нуклонів у ньому.

Густина ядерної речовини складає 1017 кг/м³
і постійна для всіх ядер. Вона значно перевершує густину звичайних речовин.

5. Розподіл електричного заряду протонів по ядру в загальному випадку несиметрично. Мірою відхилення цього розподілу від сферично симетричного є квадрупольний електричний момент ядра Q. Якщо щільність заряду вважається скрізь однакової, то Q визначається тільки формою ядра.

Висновок

1. Уподібнення атома планетній системі робилося ще на початку XX століття. Але цю модель було важко сполучити з моделями електродинаміки, і вона була залишена, уступивши місце моделі Томсона. Однак зроблені у 1900-тих роках дослідження привели до підтвердження планетарної моделі.

2. Резерфорд запропонував свою схему будови атома: у центрі атома знаходиться позитивне ядро, навколо якого по різним орбіталям обертаються негативні електрони. Доцентрові сили, що виникають при їхньому обертанні утримують їх на своїх орбіталях і не дають їм відокремитись. Ця модель атома легко пояснює явище відхилення a- часток, якщо відомо що розміри ядра й електронів дуже малі в порівнянні з розмірами всього атома.

3. Теорія Бора зробила величезний вклад в розвиток сучасного уявлення про будову атома, підійшовши, з одного боку, до розкриття законів спектроскопії і поясненню механізму випромінювання, а з іншого боку - до з'ясування структури окремих атомів і встановленню зв'язку між ними. Однак залишалося ще багато явищ у цій області, пояснити які теорія Бора не могла.

... У далекому минулому філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». Завдяки великим ученим минулого століття, ми наближаємося до істинного розуміння будови матерії, але з чого насправді вона складається повністю ще невідомо нікому.

Література

1. М.Л. Глiнка. Загальна хiмiя. - К.:Вища школа, 1982.- 608с.


2. М.А. Тамаров. Неорганическая химия. - М.:Медицина, 1974.- 480 с.


3. В.В. Григор`єва та iн. Загальна хiмiя. - К.: Вища школа, 1991. - 431 с.


4. Ахметов Н.С. Неорганическая химия. - 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1975. – 670с.


5. Кемплбел Дж. Современная общая химия : В3-х т. –М.: Мир, 1991.