Строение атома

 «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова» 

 

 

 

 

 

 

 

Тема реферата:

Строение  атома

Дисциплина: Физика

 

 

 

 

 

Выполнила: Чугайнова П.И

Группа  Твб – 15б

Проверил: Кузнецов Ф. М.

 

Пермь 2013

 

Содержание

1. Введение
2. Строение атома по Томсону.
3. Строение атома по Резерфорду.
4. Постулаты Бора.
5. Строение многоэлектронных атомов.
6. Спектры испускания и поглощения света атомами.
7. Радиоактивность.

 

1. Введение

Первые представления  о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появилось  в глубокой древности. В древней  Индии признавалось не только существование  первичных неделимых частиц вещества, но и их способность соединяться  друг с другом, образуя новые частицы. Древнегреческий ученый Аристотель писал, что причинами всех вещей  являются определенные различия в атомах, а именно: форма, порядок и положение. Позднее древнегреческий философ  – материалист ввел понятие о  массе атомов и их способности  к самопроизвольному отклонению во время движения. Французский ученый Пьер Гассенди ввел понятие о молекуле, под которой он понимал качественно  новое образование, составленное путем  соединения нескольких атомов.

По мысли  английского ученого Р. Бойля, мир  корпускул (молекул), их движение и «сплетение»  очень сложны. Мир в целом и  его мельчайшие части – это  целесообразно устроенные механизмы. Великий русский ученый М. В. Ломоносов  развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и  активное начало – способность к  движению и взаимодействию.

Английский  ученый Дж. Дальтон рассматривал атом как мельчайшую частицу химического  элемента, отличающуюся от атомов других элементов, прежде всего массой.

Большой вклад  в атомно-молекулярное учение внесли французский ученый Ж. Гей-Люссак, итальянский  ученый А. Авогадро, русский ученый Д. И. Менделеев. В 1860 году в г. Карлсруэ состоялся международный конгресс химиков. Благодаря усилиям итальянского ученого С. Канниццаро были приняты  следующие определения атома  и молекулы: молекула – «количество  тела, вступающее в реакции и определяющее химические свойства»; атом – «наименьшее  количество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений.

Установленные С. Канниццаро атомные массы элементов  послужили Д. И. Менделееву основной при открытии периодического закона.

 

2. Строение атома по Д. Д. Томсону

Первой научной  гипотезой о строении атома, опирающейся  на новые открытия, была модель, предложенная Томсоном. Обращение к построению атома было вызвано открытием  электрона, являющегося составной  частью всех атомов. Кроме того, явление  радиоактивности говорило о том, что оно зависит от "изменений, происходящих в атомах радиоактивных  веществ". В своей модели Томсон развивает теорию строения атома, предложенную в 1902 г. Уильямом Томсоном в статье "Эпинус авторизированный". У Томсона атом представляет собой сферу, равномерно заряженную положительным электричеством, в центре которой помещен электрон. Томсон опирается на эту модель и предлагает свою.

Модель Томсона  представляла собой равномерно заряженную положительным зарядом сферу, в  которой вращались или покоились  электроны (корпускулы, как их называл  Томсон). Поскольку атом в целом  нейтрален, то общий заряд электронов равен положительному заряду сферы. Объем сферы гораздо больше объема корпускулы. Электроны вращаются  по круговым орбитам, расположенным  на различных расстояниях от центра сферы, зависящих от скорости электронов. При некоторой скорости корпускулы достигают поверхности сферы, а  дальнейшее увеличение скорости заставляет их покидать сферу. Это означает, что  атом распался. Томсон заключает, что  атом устойчив тогда, когда кинетическая энергия корпускул не превышает некоторой предельной величины.

Модель Томсона  не была свободна от недостатков. Главным  из них был вопрос о распределении  положительного заряда в атоме, размерах положительно заряженной сферы. Томсон знал об этом слабом месте своей модели.

В книге "Корпускулярная модель вещества" он писал: "В каком  виде положительное электричество  пребывает в атоме - это вопрос, относительно которого мы в настоящее  время осведомлены весьма мало..." За отсутствием определенных сведений о том, в каком виде положительное  электричество находится в атоме, мы рассмотрим такое распределение  положительного электричества, которое  представляет собой случай, наиболее доступный для математического  вычисления, именно когда это электричество  представляет собой шар постоянной плотности..." Для простоты Томсон предполагал, что электроны в его модели размещаются в одной плоскости. Эти слабости его модели проявились при объяснении различных физических и химических явлений. Так, Томсоновская модель атома позволяла объяснить линейчатый спектр атомов, однако закономерности в спектрах не удалось объяснить. Не удалось полностью объяснить и периодическую систему, хотя, безусловно, модель Томсона обнаруживала сходство с законом Менделеева.

Модели атома  Томсона был нанесен удар исследованиями Резерфорда и его учеников по рассеянию  а- частиц. Суть этих исследований заключалась  в следующем. Поток а-частиц, испускаемых  радием, пропускался через маленькое  отверстие в трубку с откаченным из нее воздухом. На небольшом расстоянии от отверстия находился сернистоцинковый экран. При ударе о него а-частиц получалось изображение светлого пятна. При закрывании отверстия тонкой металлической пластинкой изображение  светлого пятна на экране несколько  размывалось, т.е. а-частицы рассеивались веществом металлической пластинки. Изучение рассеяния показало, что  небольшое число а-частиц (примерно 1/8000) отклонялось на угол больше 90°. Модель Томсона не допускала таких  больших отклонений. Математический расчет показывал, что такие большие  отклонения могут происходить, если а-частицы попадают под влияние  сильных электрических полей, существующих вокруг зарядов, сконцентрированных в  очень малом объеме. Электрическое  поле, создаваемое положительно заряженной, размытой по всему объему атома сферой, не могло оказывать такого сильного влияния на а-частицу, и ее столкновение с электроном не могло повлиять на траекторию движения, поскольку масса  а-частицы почти в 8000 раз больше массы электрона. Поэтому Резерфорд  приходил к выводу, что почти вся  масса атома сосредоточена в  положительно заряженном ядре. Вокруг него, как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны.

 

3. Строение атома по Э. Резерфорду

Резерфорд, продолжая свою работу над магнитным  детектором, вместе с тем заинтересовался  исследованиями Томсона по электропроводимости  газов. В 1896 году появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении  электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В 1897 году выходит в свет заключительная статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических  волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает  свои силы на исследовании нового разряда. В том же, 1897 году появляется его  новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских  лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами». Вероятно, Резерфорд и Томсон вообще были одними из первых ученых, проявивших интерес  к рентгеновским лучам и считавших  открытие Рентгена исключительно важным и многообещающим.

В воскресенье 1 марта 1896 года Анри Беккерель обнаружил, что уран непрерывно испускает проникающее  излучение неизвестной природы, которая оказалась совершенно отличной от природы рентгеновских лучей. Тем самым он обнаружил существование радиоактивности, начавшее новую эпоху в истории науки и человечества. Сообщение об открытии Беккерелем радиоактивности произвело большой эффект в Кавендишской лаборатории, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением этих загадочных лучей. Сначала ему казалось, что существует какая-то связь между урановыми и рентгеновскими лучами. Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, производило ионизацию воздуха. Такое сходство в воздействии излучений на окружающую среду привело Резерфорда к мысли об опытном сравнении рентгеновских и беккерелевых лучей, что могло дать наиболее достоверные и точные сведения об их физических свойствах. Результатом этого явилась большая статья «Излучение урана и созданная им электропроводность». Опыты продолжались почти год. Они показали, что сходства между двумя исследовавшийся излучениями, несмотря на их одинаковое ионизирующее действие, нет. Резерфорд также смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми ошибочно. Излучение урана вопреки заявлению Беккереля (правда, не подкрепленному опытами) не обнаружило свойств, характерных для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации. В результате этих работ Резерфорда были открыты a-частицы. Резерфорд поместил радиоактивный источник в магнитное поле и получил три вида излучений, испускаемых ураном: a-, b-частицы и g-лучи.

Уже при проведении этих опытов Резерфорд предвидел, что a-частицы помогут исследовать  структуру атома в качестве мощных инструментов для проникновения  в атом. В сентябре 1898 года Резерфорд  был приглашен в университет  Мак-Гила в Монреале (Канада) в качестве профессора кафедры теоретической  физики. В Монреале он пробыл до 1907 года. Здесь он сделал фундаментальные  открытия: им была открыта эманация теория и разгадана природа так  называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный  распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность». В Монреале он начал тщательные исследования природы a-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по происхождению a-частиц через вещество. Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале принес ему славу первоклассного исследователя. Им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность». Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период в его жизни. Почти немедленно по прибытии в Манчестер Резерфорд начал систематические исследования рассеяния a-частиц веществом. Он установил, что каждая a-частица, попадая на экран из сернистого цинка, создает вспышку света. Поэтому для исследования рассеяния a-частиц был сконструирован прибор, изображенный схематически на рис.1 (стр. 18). С помощью свинцового коллиматора выделялся узкий конус a-частиц из радиоактивного источника. Испытав рассеивание в золотой фольге, a-частицы ударялись затем в экран из сернистого цинка и регистрировались с помощью небольшого микроскопа, в который можно было наблюдать вспышки света. Вращая детектор, можно было изменять относительное число a-частиц, рассеянных под различными углами q. Прибор помещался внутри откачанной камеры с целью устранить поглощение a-частиц в воздухе. Эти опыты были проведены Гейгером и Марсденом под руководством Резерфорда. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы. Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 году, – существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть a-частиц (примерно одна из восьми тысяч) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываешь таким образом обратно к источнику. Тонкая пластина (толщиной примерно 4•10-4 см) отбрасывала a-частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что a-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд по этому поводу говорил: «Это было самое невероятное событие, с которым мне когда-либо приходилось сталкиваться. Это было почти также невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».

Одно из возможных  объяснений аномального рассеяния  состояло в том, что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающегося  вещества. Согласно предложенной Томсоном модели атома, a-частицы должны были бы свободно проходить сквозь атомы  золота и только отдельные a-частицы  могли слегка отклоняться в кулоновском  поле электрона. И здесь Резерфорд  обратился к планетарной модели. Когда a-частица проходит мимо заряженного  ядра, то под воздействием кулоновской  силы, пропорциональной заряду ядра и  заряду a-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, оно  движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким  образом, искривляется, и она отклоняется  на угол рассеяния j.7 марта 1911 года Резерфорд  сделал в философском обществе в  Манчестере доклад «Рассеивание a- и b-лучей  и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеивание заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который  состоит из центрального электрического заряда, расположенного в точке и  окруженного однородным сферическим  распределением противоположного электричества  равной величины. При таком устройстве атома a- и b-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».

4. Постулаты Н. Бора

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел  к явлениям атомных масштабов. Она оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив всю энергию на излучение электромагнитных волн .

Следующий шаг  в развитии представлений об устройстве атома в 1913 году сделал выдающийся датский  физик Н. Бор. Проанализировав всю  совокупность опытных фактов, Бор  пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует  отказаться от многих представлений  классической физики. Он сформулировал  постулаты, которым должна удовлетворять  новая теория о строении атомов.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может  находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося  электрона может быть любой. Он находится  в противоречии и с электродинамикой, так как допускает возможность  ускоренного движения электронов без  излучения электромагнитных волн. Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется  системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному  стационарному состоянию. Механическая энергия электрона, движущегося  по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому  всем стационарным состояниям соответствуют  значения энергии En < 0. При En ≥ 0 электрон удаляется от ядра, т. е. происходит ионизация. Величина |E1| называется энергией ионизации. Состояние с энергией E1 называется основным состоянием атома.