Какую модель строения атома предложил резерфорд. Планетарная модель атома

Одна из первых моделей строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1904 г. Атом представлялся как «море положительного электричества» с колеблющимися в нем электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов электронейтрального атома приравнивался его суммарному положительному заряду.

Опыт Резерфорда

Для проверки гипотезы Томсона и более точного определения строения атома Э. Резерфорд организовал серию опытов по рассеянию α -частиц тонкими металлическими пластинками - фольгой. В 1910 г. студенты Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден проводили эксперименты по бомбардировке α -частицами тонких металлических пластинок. Они обнаружили, что большинство α -частиц проходят через фольгу, не изменяя своей траектории. И это было неудивительно, если принять правильность модели атома Томсона.

Источник α -излучения помещали в свинцовый кубик с просверленным в нем каналом, так что удавалось получить поток α -частиц, летящих в определенном направлении. Альфа-частицы являются двукратно ионизированными атомами гелия (Не 2+ ). Они имеют положительный заряд +2 и массу, почти в 7350 раз превышающую массу электрона. Попадая на экран, покрытый сульфидом цинка, α -частицы вызывали его свечение, причем в лупу можно было увидеть и подсчитать отдельные вспышки, возникающие на экране при попадании на него каждой α -частицы. Между источником излучения и экраном помещали фольгу. По вспышкам на экране можно было судить о рассеянии α -частиц, т.е. об их отклонении от первоначального направления при прохождении через слой металла.

Оказалось, что большинство α -частиц проходит через фольгу, не изменяя своего направления, хотя толщина фольги соответствовала сотням тысяч атомных диаметров. Но некоторая доля α -частиц все же отклонялась на небольшие углы, а изредка α -частицы резко изменяли направление своего движения и даже (примерно 1 из 100000) отбрасывались назад, как бы натолкнувшись на массивное препятствие. Случаи такого резкого отклонения α -частиц можно было наблюдать, перемещая экран с лупой по дуге.

Из результатов этого эксперимента можно было сделать следующие выводы:

1. В атоме есть некоторое «препятствие», которое было названо ядром.
2. Ядро имеет положительный заряд (иначе положительно заряженные α -частицы не отражались бы назад).
3. Ядро имеет очень маленькие размеры по сравнению с размерами самого атома (лишь незначительная часть α -частиц изменяла направление движения).
4. Ядро имеет большую массу, по сравнению с массой α -частиц.

Результаты опыта Резерфорд объяснил, предложив «планетарную» модель атома , уподоблявшую его солнечной системе. Согласно планетарной модели в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100000 раз меньше размеров самого атома. Это ядро заключает в себе почти всю массу атома и несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, число которых определяется зарядом ядра. Внешняя траектория движения электронов определяет внешние размеры атома. Диаметр атома - величина порядка 10 -8 см, а диаметр ядра - порядка 10 -13 ÷10 -12 см.

Чем больше заряд атомного ядра, тем сильнее будет отталкиваться от него α -частица, тем чаще будут встречаться случаи сильных отклонений α -частиц, проходящих через слой металла, от первоначального направления движения. Поэтому опыты по рассеянию α -частиц дают возможность не только обнаружить существование атомного ядра, но и определить его заряд. Уже из опытов Резерфорда следовало, что заряд ядра (выраженный в единицах заряда электрона) численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Это было подтверждено Г. Мозли , установившим в 1913 г. простую связь между длинами волн определенных линий рентгеновского спектра элемента и его порядковым номером, и Д. Чедвиком , с большой точностью определившим в 1920 г. заряды атомных ядер ряда элементов по рассеянию α -частиц.

Был установлен физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе: порядковый номер оказался важнейшей константой элемента, выражающей положительный заряд ядра его атома. Из электронейтральности атома следует, что и число вращающихся вокруг ядра электронов равно порядковому номеру элемента.

Это открытие дало новое обоснование расположению элементов в периодической системе. Вместе с тем оно устраняло и кажущееся противоречие в системе Менделеева - положение некоторых элементов с большей атомной массой впереди элементов с меньшей атомной массой (теллур и йод, аргон и калий, кобальт и никель). Оказалось, что противоречия здесь нет, так как место элемента в системе определяется зарядом атомного ядра. Было экспериментально установлено, что заряд ядра атома теллура равен 52, а атома йода - 53; поэтому теллур, несмотря на большую атомную массу, должен стоять до йода. Точно так же заряды ядер аргона и калия, никеля и кобальта полностью отвечают последовательности расположения этих элементов в системе.

Итак, заряд атомного ядра является той основной величиной, от которой зависят свойства элемента и его положение в периодической системе. Поэтому периодический закон Менделеева в настоящее время можно сформулировать следующим образом:

Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов

Определение порядковых номеров элементов по зарядам ядер их атомов позволило установить общее число мест в периодической системе между водородом, имеющим порядковый номер 1, и ураном (порядковый номер 92), считавшимся в то время последним членом периодической системы элементов. Когда создавалась теория строения атома, оставались незанятыми места 43, 61, 72, 75, 85 и 87, что указывало на возможность существования еще неоткрытых элементов. И действительно, в 1922 г. был открыт элемент гафний, который занял место 72; затем в 1925 г. - рений, занявший место 75. Элементы, которые должны занять остальные четыре свободных места таблицы, оказались радиоактивными и в природе не найдены, однако их удалось получить искусственным путем. Новые элементы получили названия технеций (порядковый номер 43), прометий (61), астат (85) и франций (87). В настоящее время все клетки периодической системы между водородом и ураном заполнены. Однако сама периодическая система не является завершенной.

Атомные спектры

Планетарная модель была крупным шагом в теории строения атома. Однако в некоторых отношениях она противоречила твердо установленным фактам. Рассмотрим два таких противоречия.

Во-первых, теория Резерфорда не могла объяснить устойчивости атома. Электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, должен, подобно колеблющемуся электрическому заряду, испускать электромагнитную энергию в виде световых волн. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, что приводит к нарушению равновесия между центробежной силой, связанной с вращением электрона, и силой электростатического притяжения электрона к ядру. Для восстановления равновесия электрон должен переместиться ближе к ядру. Таким образом, электрон, непрерывно излучая электромагнитную энергию и двигаясь по спирали, будет приближаться к ядру. Исчерпав всю свою энергию, он должен «упасть» на ядро, и атом прекратит свое существование. Этот вывод противоречит реальным свойствам атомов, которые представляют собой устойчивые образования, и могут существовать, не разрушаясь, чрезвычайно долго.

Во-вторых, модель Резерфорда приводила к неправильным выводам о характере атомных спектров. При пропускании через стеклянную или кварцевую призму света, испускаемого раскаленным твердым или жидким телом, на экране, поставленном за призмой, наблюдается так называемый сплошной спектр, видимая часть которого представляет собой цветную полосу, содержащую все цвета радуги. Это явление объясняется тем, что излучение раскаленного твердого или жидкого тела состоит из электромагнитных волн всевозможных частот. Волны различной частоты неодинаково преломляются призмой и попадают на разные места экрана. Совокупность частот электромагнитного излучения, испускаемого веществом, и называется спектром испускания. С другой стороны, вещества поглощают излучение определенных частот. Совокупность последних называется спектром поглощения вещества.

Для получения спектра вместо призмы можно воспользоваться дифракционной решеткой. Последняя представляет собой стеклянную пластинку, на поверхности которой на очень близком расстоянии друг от друга нанесены тонкие параллельные штрихи (до 1500 штрихов на 1 мм). Проходя сквозь такую решетку, свет разлагается и образует спектр, аналогичный полученному при помощи призмы. Дифракция присуща всякому волновому движению и служит одним из основных доказательств волновой природы света.

При нагреве вещество испускает лучи (излучение). Если излучение имеет одну длину волны, то оно называется монохроматическим. В большинстве же случаев излучение характеризуется несколькими длинами волн. При разложении излучения на монохроматические компоненты получают спектр излучения, где отдельные его составляющие выражаются спектральными линиями.

Спектры, получающиеся при излучении свободными или слабо связанными атомами (например, в газах или парах), называются атомными спектрами.

Излучение, испускаемое твердыми телами или жидкостями, всегда дает сплошной спектр. Излучение, испускаемое раскаленными газами и парами, в отличие от излучения твердых тел и жидкостей, содержит только определенные длины волн. Поэтому вместо сплошной полосы на экране получается ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Число и расположение этих линий зависят от природы раскаленного газа или пара. Так, пары калия дают - спектр, состоящий из трех линий, - двух красных и одной фиолетовой; в спектре паров кальция несколько красных, желтых и зеленых линий и т.д.

Излучение, испускаемое твердыми телами или жидкостями, всегда дает сплошной спектр. Излучение, испускаемое раскаленными газами и парами, в отличие от излучения твердых тел и жидкостей, содержит только определенные длины волн. Поэтому вместо сплошной полосы на экране получается ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Число и расположение этих линий зависят от природы раскаленного газа или пара. Так, пары калия дают спектр, состоящий из трех линий, - двух красных и одной фиолетовой; в спектре паров кальция несколько красных, желтых и зеленых линий и т.д.

Такие спектры называются линейчатыми. Было установлено, что свет, испускаемый атомами газов, имеет линейчатый спектр, в котором спектральные линии могут быть объединены в серии.

В каждой серии расположение линий соответствует определенной закономерности. Частоты отдельных линий могут быть описаны формулой Бальмера :

Тот факт, что атомы каждого элемента дают вполне определенный, присущий только этому элементу спектр, причем интенсивность соответствующих спектральных линий тем выше, чем больше содержание элемента во взятой пробе, широко применяется для определения качественного и количественного состава веществ и материалов. Этот метод исследования называется спектральным анализом .

Планетарная модель строения атома оказалась неспособной объяснить линейчатый спектр испускания атомов водорода и тем более объединение линий спектра в серии. Электрон, вращающийся вокруг ядра, должен приближаться к ядру, непрерывно меняя скорость своего движения. Частота испускаемого им света определяется частотой его вращения и, следовательно, должна непрерывно меняться. Это означает, что спектр излучения атома должен быть непрерывным, сплошным. Согласно данной модели частота излучения атома должна равняться механической частоте колебаний или быть кратной ей, что не согласуется с формулой Бальмера. Таким образом, теория Резерфорда не смогла объяснить ни существования устойчивых атомов, ни наличия у них линейчатых спектров.

Квантовая теория света

В 1900 г. М. Планк показал, что способность нагретого тела к лучеиспусканию можно правильно количественно описать, только предположив, что лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями - квантами. При этом энергия Е каждой такой порции связана с частотой излучения соотношением, получившим название уравнения Планка :

Сам Планк долгое время полагал, что испускание и поглощение света квантами есть свойство излучающих тел, а не самого излучения, которое способно иметь любую энергию и поэтому могло бы поглощаться непрерывно. Однако в 1905 г. Эйнштейн , анализируя явление фотоэлектрического эффекта, пришел к выводу, что электромагнитная (лучистая) энергия существует только в форме квантов и что, следовательно, излучение представляет собой поток неделимых материальных «частиц» (фотонов), энергия которых определяется уравнением Планка .

Фотоэлектрическим эффектом называется испускание металлом электронов под действием падающего на него света. Это явление было подробно изучено в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым . Если поместить установку в вакуум и подать на пластинку М отрицательный потенциал, то тока в цепи наблюдаться не будет, поскольку в пространстве между пластинкой и сеткой нет заряженных частиц, способных переносить электрический ток. Но при освещении пластинки источником света гальванометр обнаруживает возникновение тока (называемого фототоком), носителями которого служат электроны, вырываемые светом из металла.

Оказалось, что при изменении интенсивности освещения изменяется только число испускаемых металлом электронов, т.е. сила фототока. Но максимальная кинетическая энергия каждого вылетевшего из металла электрона не зависит от интенсивности освещения, а изменяется только при изменении частоты падающего на металл света. Именно с увеличением длины волны (т.е. с уменьшением частоты) энергия испускаемых металлом электронов уменьшается, а затем, при определенной для каждого металла длине волны, фотоэффект исчезает и не проявляется даже при очень высокой интенсивности освещения. Так, при освещении красным или оранжевым светом натрий не проявляет фотоэффекта и начинает испускать электроны только при длине волны, меньшей 590 нм (желтый свет); у лития фотоэффект обнаруживается при еще меньших длинах волн, начиная с 516 нм (зеленый свет); а вырывание электронов из платины под действием видимого света вообще не происходит и начинается только при облучении платины ультрафиолетовыми лучами.

Эти свойства фотоэлектрического эффекта совершенно необъяснимы с позиций классической волновой теории света, согласно которой эффект должен определяться (для данного металла) только количеством энергии, поглощаемой поверхностью металла в единицу времени, но не должен зависеть от типа излучения, падающего на металл. Однако эти же свойства получают простое и убедительное объяснение, если считать, что излучение состоит из отдельных порций, фотонов, обладающих вполне определенной энергией.

В самом деле, электрон в металле связан с атомами металла, так что для его вырывания необходима затрата определенной энергии. Если фотон обладает нужным запасом энергии (а энергия фотона определяется частотой излучения), то электрон будет вырван, фотоэффект будет наблюдаться. В процессе взаимодействия с металлом фотон полностью отдает свою энергию электрону, потому что дробиться на части фотон не может. Энергия фотона будет частично израсходована па разрыв связи электрона с металлом, частично на сообщение электрону кинетической энергии движения. Поэтому максимальная кинетическая энергия выбитого из металла электрона не может быть больше разности между энергией фотона и энергией связи электрона с атомами металла. Следовательно, при увеличении числа фотонов, падающих на поверхность металла в единицу времени (т.е. при повышении интенсивности освещения), будет увеличиваться только число вырываемых из металла электронов, что приведет к возрастанию фототока, но энергия каждого электрона возрастать не будет. Если же энергия фотона меньше минимальной энергии, необходимой для вырывания электрона, фотоэффект не будет наблюдаться при любом числе падающих на металл фотонов, т.е. при любой интенсивности освещения.

Квантовая теория света , развитая Эйнштейном , смогла объяснить не только свойства фотоэлектрического эффекта, но и закономерности химического действия света, температурную зависимость теплоемкости твердых тел и ряд других явлений. Она оказалась чрезвычайно полезной и в развитии представлений о строении атомов и молекул.

Из квантовой теории света следует, что фотон неспособен дробиться: он вза-модействует как целое с электроном металла, выбивая его из пластинки; как целое он взаимодействует и со светочувствительным веществом фотографической пленки, вызывая ее потемнение в определенной точке, и т. д. В этом смысле фотон ведет себя подобно частице, т.е. проявляет корпускулярные свойства. Однако фотон обладает и волновыми свойствами: это проявляется в волновом характере распространения света, в способности фотона к интерференции и дифракции. Фотон отличается от частицы в классическом понимании этого термина тем, что его точное положение в пространстве, как и точное положение любой волны, не может быть указано. Но он отличается и от «классической» волны - неспособностью делиться на части. Объединяя в себе корпускулярные и волновые свойства, фотон не является, строго говоря, ни частицей, ни волной - ему присуща корпускулярно-волновая двойственность.

В 1903 году английским ученым Томсоном была предложена модель атома, которую в шутку назвали «булочкой с изюмом». По его версии атом представляет собой сферу с равномерным положительным зарядом , в которой как изюминки вкраплены отрицательно заряженные электроны.

Однако дальнейшие исследования атома показали, что эта теория несостоятельна. И через несколько лет другой английский физик – Резерфорд провел серию опытов. На основе результатов им была выстроена гипотеза о строении атома, которая до сих пор является всемирно признанной.

Опыт Резерфорда: предложение своей модели атома

В своих опытах Резерфорд пропускал пучок альфа-частиц сквозь тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано за пластичность, которая позволила создать очень тонкую фольгу, толщиной едва ли не в один слой молекул. За фольгой располагался специальный экран, подсвечивавшийся при бомбардировке попадающими на него альфа частицами. По теории Томсона альфа-частицы должны были беспрепятственно проходить сквозь фольгу, совсем немного отклоняясь в стороны. Однако, оказалось, что часть частиц так и вела себя, а совсем небольшая часть отскакивала назад, как будто ударившись во что-то.

То есть было установлено, что внутри атома существует нечто твердое и небольшое, от чего и отскакивали альфа-частицы. Тогда-то Резерфорд и предложил планетарную модель строения атома. Планетарная модель атома по Резерфорду объясняла результаты проведения как его экспериментов, так и опытов его коллег. До сего дня не предложено лучшей модели, хотя некоторые аспекты этой теории все равно не согласуются с практикой в некоторых очень узких областях науки. Но в основном, планетарная модель атома самая пригодная из всех. В чем же состоит эта модель?

Планетарная модель строения атома

Как следует из названия, атом сравнивается с планетой. В данном случае планету представляет из себя ядро атома. А вокруг ядра на довольно большом расстоянии вращаются электроны, как и вокруг планеты вращаются спутники. Только скорость вращения электронов в сотни тысяч раз превосходит скорость вращения самого быстрого спутника. Поэтому при своем вращении электрон создает как бы облако над поверхностью ядра. И существующие заряды электронов отталкивают такие же заряды, образованные другими электронами вокруг других ядер. Поэтому атомы не «слипаются», а располагаются на некотором расстоянии друг от друга.

И когда мы говорим о столкновении частиц, имеется в виду, что они подходят друг к другу на достаточно большое расстояние и отталкиваются полями своих зарядов . Непосредственного контакта не происходит. Частицы в веществе вообще расположены очень далеко друг от друга. Если бы каким-либо способом удалось схлопнуть вместе частицы какого-либо тела, оно бы уменьшилось в миллиарды раз. Земля стала бы меньше яблока размером. Так что основной объем любого вещества, как ни странно это звучит, занимает пустота, в которой расположены заряженные частицы, удерживающиеся на расстоянии электронными силами взаимодействия.

Первая модель строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1904 г., согласно которой атом – положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Несмотря на свое несовершенство томсоновская модель позволяла объяснить явления испускания, поглощения и рассеяния света атомами, а также установить число электронов в атомах легких элементов.

Рис. 1. Атом, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут легко «выбиваться» , оставляя ионизированный атом.

1. 2.2 Модель Резерфорда

Модель Томсона была опровергнута Э. Резерфордом (1911 г.), который доказал, что положительный заряд и практически вся масса атома сконцентрированы в малой части его объема – ядре, вокруг которого двигаются электроны (рис. 2).

Рис. 2. Эта модель строения атома известна как планетарная, т. к. электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам солнечной системы.

Согласно законам классической электродинамики, движение электрона по окружности вокруг ядра будет устойчивым, если сила кулоновского притяжения будет равна центробежной силе. Однако, в соответствии с теорией электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро. Однако атом устойчив.

К тому же при непрерывном излучении энергии у атома должен наблюдаться непрерывный, сплошной спектр. На самом деле спектр атома состоит из отдельных линий и серий.

Таким образом, данная модель противоречит законам электродинамики и не объясняет линейчатого характера атомного спектра.

2.3. Модель Бора

В 1913 г. Н. Бор предложил свою теорию строения атома, не отрицая при этом полностью предыдущие представления. В основу своей теории Бор положил два постулата.

Первый постулат говорит о том, что электрон может вращаться вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Находясь на них, он не излучает и не поглощает энергию (рис.3).

Рис. 3. Модель строения атома Бора. Изменение состояния атома при переходе электрона с одной орбиты на другую.

При движении по любой стационарной орбите запас энергии электрона (Е 1, Е 2 …) остается постоянным. Чем ближе к ядру расположена орбита, тем меньше запас энергии электрона Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . Энергия электрона на орбитах определяется уравнением:

где m – масса электрона, h – постоянная Планка, n – 1, 2, 3… (n=1 для 1-ой орбиты, n=2 для 2-ой и т.д.).

Второй постулат говорит о том, что при переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или выделяет квант (порцию) энергии.

Если подвергнуть атомы воздействию (нагреванию, облучению и др.), то электрон может поглотить квант энергии и перейти на более удаленную от ядра орбиту (рис. 3). В этом случае говорят о возбужденном состоянии атома. При обратом переходе электрона (на более близкую к ядру орбиту) энергия выделяется в виде кванта лучистой энергии – фотона. В спектре это фиксируется определенной линией. На основании формулы

,

где λ – длина волны, n = квантовые числа, характеризующие ближнюю и дальнюю орбиты, Бор рассчитал длины волн для всех серий в спектре атома водорода. Полученные результаты соответствовали экспериментальным данным. Стало ясным происхождение прерывистых линейчатых спектров. Они – результат излучения энергии атомами при переходе электронов из возбужденного состояния в стационарное. Переходы электронов на 1-ю орбиту образуют группу частот серии Лаймана, на 2-ю – серию Бальмера, на 3-ю серию Пашена (рис. 4,табл. 1).

Рис. 4. Соответствие между электронными переходами и спектральными линиями атома водорода.

Таблица 1

Проверка формулы Бора для серий водородного спектра

Однако, теория Бора не смогла объяснить расщепление линий в спектрах многоэлектронных атомов. Бор исходил из того, что электрон – это частица, и использовал для описания электрона законы, характерные для частиц. Вместе с тем накапливались факты, свидетельствующие о том, что электрон способен проявлять и волновые свойства. Классическая механика оказалась не в состоянии объяснить движение микрообъектов, обладающих одновременно свойствами материальных частиц и свойствами волны. Эту задачу позволила решить квантовая механика – физическая теория, исследующая общие закономерности движения и взаимодействия микрочастиц, обладающих очень малой массой (табл. 2).

Таблица 2

Свойства элементарных частиц, образующих атом

Исторические модели1 атома отражают уровни знаний, соответствующие опреде­лённому периоду развития науки.

Первый этап развития моделей атома характеризовался отсутствием экспериментальных данных о его строении.

Объясняя явления микромира, учёные искали аналогии в макромире, опираясь на законы класси­ческой механики.

Дж. Дальтон – создатель химической атомистики (1803 г.), предполагал, что атомы одного и того же химического элемента представляют собой одинаковые шарообразные мельчайшие, а следовательно, неделимые частицы.

Французский физик Жан Батист Перрен (1901 г.) предложил модель, фактически предвосхитившую "плане­тарную" модель. Согласно этой модели в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которо­го движутся по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны. Модель Перрена не привлекла внимания учёных, так как давала только ка­чественную, но не количественную характеристику атома (на рис. 7 это показано несоответствием заряда ядра атома числу элек­тронов).

В 1902 г. английский физик Уильям Томсон (Кельвин) разработал представле­ние об атоме как о положительно заряженной сферической частице, внутри которой совершают колебания (излучая и поглощая энергию) отрицательно заряженные электроны. Кельвин обратил внима­ние на то, что число электронов равно положительному заряду сферы, поэтому в целом атом не имеет электрического заряда (рис. 7).

Годом позже немецкий физик Филипп Ленард предложил модель, согласно которой атом – полая сфера, внутри которой находят­ся электрические диполи (динамиды). Объём, занимаемый этими диполями, значительно меньше объёма сферы, и основная часть атома оказывается незаполненной.

По представлениям японского физика Гонтаро (Хантаро) Нагаоки (1904 г.), в центре атома находится положительно заряженное ядро, а электроны движутся в пространстве вокруг ядра в плоских кольцах, напоминающих кольца планеты Сатурн (эта модель называлась "сатурнианским" атомом). Большинство учёных не об­ратили внимания на идеи Нагаоки, хотя они в какой-то мере перекли­каются с современным представлением об атомной орбитали.

Ни одна из рассмотренных моделей (рис. 7) не объясняла, каким образом свойства химических элементов связаны со строением их атомов.

Рис. 7. Некоторые исторические модели атома

В 1907 г. Дж. Дж. Томсон предложил статическую модель строения атома, представлявшую атом как заряженную положительным электричеством шарообразную частицу, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны (модель "пудинга ", рис. 7).

Математичес­кие расчёты показали, что электроны в атоме должны находиться на концентри­чески расположенных кольцах. Томсон сделал весьма важный вывод: причина периодического изменения свойств химических элементов связана с осо­бенностями электронного строения их атомов. Благодаря этому, модель атома Томсона была высоко оценена современниками. Однако она не объясняла некоторых явлений, например, рассеяния α-частиц при прохождении их через металлическую пластину.

На основании своих представлений об атоме Томсон вывел формулу для рас­чёта среднего отклонения α-частиц, и этот расчёт показал, что вероятность рассеяния таких частиц под большими углами близка к нулю. Однако экспе­риментально было доказано, что приблизительно одна из восьми тысяч падающих на золотую фольгу α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Это противоречило модели Томсона, которая предполагала отклонения только на малые углы.

Эрнест Резерфорд, обобщая экспериментальные данные, в 1911 г. предложил "планетарную" (её иногда называют "ядерной") модель строения атома, согласно которой 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком ядре, а отрицательно заряженныеэлектроны, число которых равно заряду ядра, вращаются вокруг него, подобно планетам Солнечной системы1 (рис. 7).

Резерфорд вместе со своими учениками поставил опыты, позволившие исследовать строение атома (рис. 8). На поверхность тонкой металлической (золотой) фольги 2 от источника радиоактивного излучения 1 направлялся поток положительно заряженных частиц (α-частицы). На их пути был установлен флуоресцирующий экран 3, позволяющий наблюдать за направлением дальнейшего движения α-частиц.

Рис. 8. Опыт Резерфорда

Было установлено, что большинство α-частиц проходило сквозь фольгу, практически не меняя своего направления. Лишь отдельные частицы (в среднем одна из десяти тысяч) отклонялись и летели почти в обратном направлении. Был сделан вывод, что бóльшая часть массы атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, поэтому α-частицы так сильно отклоняются (рис. 9).

Рис. 9. Рассеивание α-частиц атомным ядром

Движущиеся в атоме электроны в соответствии с законами электромагнетизма должны излучать энергию и, теряя её, притягиваться к противоположно заряженному ядру и, следовательно, "падать" на него. Это должно приводить к ис­чезновению атома, но так как этого не происходило, был сделан вывод о неадекватности этой модели.

В начале XX века немецкими физиком Максом Планком и физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном была создана квантовая теория света. Согласно этой теории лучистая энергия, например свет, испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). При­чём величина кванта энергии неодинакова для разных излуче­ний и пропорциональна частоте колебаний электромагнитной волны: Е = hν, гдеh – по­стоянная Планка, равная 6,6266·10 –34 Дж·с, ν – частота излучения. Эту энергию несут частицы света – фотоны .

Пытаясь искусственно соединить зако­ны классической механики и квантовой теории, датский физик Нильс Бор в 1913 г. дополнил модель атома Резерфорда двумя постулатами о скачкообразном (дискретном) изменении энергии электронов в атоме. Бор считал, что электрон в атоме водорода может находиться лишь на впол­не определённых стационарных орбитах , радиусы которых отно­сятся друг к другу как квадраты натуральных чисел (1 2: 2 2: 3 2: ... : п 2 ). Электро­ны движутся вокруг атомного ядра по стационарным орбитам. Атом пребывает в устойчивом состоянии, не поглощая и не излучая энергию, – это первый постулат Бора. Согласно второму постулату излучение энергии происходит только при переходе электрона на более близкую к атомному ядру орбиту. При переходе электрона на более отдалённую орби­ту энергия атомом поглощается. Эта модель была усовершенствована в 1916 г. немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, указавшим на движение электронов по эллиптическим орбитам .

Планетарная модель, благодаря своей наглядности и постулатам Бора, долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме, устойчивость и свойства атома, в отличие от движения планет и устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­сать законами классической механики. В основе этой механики лежат законы Ньютона, и предметом её изучения является движение макроскопических тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Для описания строения атома необходимо применять представления квантовой (волновой) механики о двойственной корпускулярно-волновой природе микрочастиц, которые сформулировали в 1920-е годы физики-теоретики: француз Луи де Бройль, немцы Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, англичанин Поль Дирак и др.

В 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу о наличии у электрона волновых свойств (первый принцип квантовой механики) и предложил формулу для вычисления его длины волны. Стабильность атома объясняется тем, что электроны в нём движутся не по орбитам, а в неких областях пространства вокруг ядра, называе­мых атомными орбиталями. Электрон занимает практически весь объём атома и не может "упасть на ядро", находящееся в его центре.

В 1926 году Шрёдингер, продолжая развитие идей Л. де Бройля о волно­вых свойствах электрона, эмпирически подобрал математическое уравнение, похожее на уравне­ние колебания струны, с помощью которого можно вычислять энергии связи элек­трона в атоме на разных энергетических уровнях. Это уравнение стало основным уравне­нием квантовой механики.

Открытие волновых свойств электрона показало, что распространение знаний о макромире на объекты микромира неправомерно. В 1927 г. Гейзенберг установил, что невозможно определить точное положение в пространстве электрона, имеющего определённую ско­рость, поэтому представления о движении электрона в атоме носят ве­роятностный характер (второй принцип квантовой механики).

Квантово-механическая модель атома (1926 г.) описывает состояние атома посредством математических функций и не имеет геометричес­кого выражения (рис. 10). В такой модели не рассматриваются динамический характер устройства атома и вопрос о размере электрона как частицы. Считается, что электроны занимают определённые энергетические уровни и излучают или поглощают энергию при переходах на другие уровни. На рис. 10 энергетические уровни изобра­жены схематически в виде концентрических колец, расположенных на разных расстояниях от атомного ядра. Стрелками показаны переходы электронов между энергетическими уровнями и излучение фотонов, сопровождающих эти переходы. Схема показана качественно и не отражает реальных расстояний между энергетическими уровнями, которые могут отличаться между собой в десятки раз.

В 1931 году американским учёным Гилбертом Уайтом впервые были предложены гра­фическое представление атомных орбиталей и "орбитальная" модель атома (рис. 10). Модели атомных орбиталей используются для отражения понятия "электронная плотность" и демонстрации распределения отрицательного заряда вокруг ядра в атоме или системы атомных ядер в молекуле.

Рис. 10. Исторические и современные модели атома

В 1963 году американский художник, скульптор и инженер Кеннет Снельсон предложил "кольцегранную модель" электронных оболочек атома (рис. 10), которая объясняет количественное распределение электронов в атоме по устойчивым электронным оболочкам. Каждый электрон моделируется кольцевым ма­гнитом (или замкнутым контуром с электрическим током, имеющим магнитный момент). Кольцевые магниты притягиваются друг к другу и образуют симметрич­ные фигуры из колец – кольцегранники . Наличие у магнитов двух полюсов накладывает ограничение на возможные варианты сборки кольцегранников. Модели устойчивых электронных оболочек – это наиболее симметричные фигуры из колец, составленные с учётом наличия у них магнитных свойств.

Наличие у электрона спина (см. раздел 5) является одной их основ­ных причин образования в атоме устойчивых электронных оболочек. Электроны образуют пары с противоположными спинами. Кольцегранная модель электронной пары, или заполненной атомной орбитали, – это два кольца, расположенных в параллельных плоскостях с противоположных сторон от атомного ядра. При расположении около ядра атома более одной пары электронов кольца-электро­ны вынужденно взаимно ориентируются, образуя электронную оболочку. При этом близко распо­ложенные кольца имеют разные направления магнитных силовых линий, что обозначается разным цветом колец, изображающих электроны.

Модель­ный эксперимент показывает, что самой устойчивой из всех возможных кольцегранных моделей является модель из 8 колец. Геометрически модель образована таким образом, как будто атом в виде сферы поделили на 8 частей (трижды разделив пополам) и в каждую часть поместили по одному кольцу-электрону. В кольцегранных моделях используют кольца двух цветов: красного и синего, которые отражают положительное и отрицательное значение спина электрона.

"Волногранная модель" (рис. 10) похожа на "кольцегранную" с тем отличием, что каж­дый электрон атома представлен "волновым" кольцом, которое содержит целое число волн (как это было предложено Л. де Бройлем).

Взаимо­действие электронов электронной оболочки на этой модели атома показано совпадением точек контакта синих и красных "волновых" колец с узлами стоячих волн.

Модели атома имеют право на существование и границы применения. Всякая модель атома – это прибли­жение, отражающее в упрощённой форме определённую часть знаний об атоме. Но ни одна из моделей не от­ражает полностью свойств атома или его составляющих частиц.

Многие модели сегодня представляют только исторический интерес. При построении моде­лей объектов микромира учёные опирались на то, что можно непо­средственно наблюдать. Так появились модели Перрена и Резерфор­да (аналогия со строением Солнечной системы), Нагаоки (некое подобие планеты Сатурн), Томсона ("пудинг с изюмом"). Некоторые идеи были отброшены (динамичная модель Ленарда), к другим через некоторое время вновь обращались, но уже на новом, более высоком теоретическом уровне: модели Перрена и Кельвина получили развитие в моделях Резерфорда и Томсона. Представления о строении атома постоянно совер­шенствуются. Насколько точ­на современная – "квантово-механическая" модель – покажет время. Именно поэтому в верхней части спирали, символизирующей путь познания, нарисован вопро­сительный знак (рис. 7).

Представление о том, что атомы являются мельчайшими частицами вещества, впервые возникло во времена Древней Греции. Однако только лишь в конце XVIII века благодаря работе таких ученых, как А. Лавуазье, М. В. Ломоносов и некоторых других, было доказано, что атомы действительно существуют. Однако в те времена никто не задавался вопросом о том, каким является их внутреннее строение. Ученые все еще расценивали атомы в качестве неделимых "кирпичиков", из которых состоит вся материя.

Попытки объяснить строение атома

Кто предложил ядерную модель первым из всех ученых? Первая попытка создать модель этих частиц принадлежала Дж. Томсону. Однако удачной в полном смысле этого слова назвать ее нельзя. Ведь Томсон полагал, что атом представляет собой шарообразную и электрически нейтральную систему. При этом ученый предполагал, что положительный заряд распределен равномерно по объему этого шара, а внутри него находится отрицательно заряженное ядро. Все попытки ученого объяснить внутреннее строение атома оказались неудачными. Эрнест Резерфорд - тот, кто предложил ядерную модель строения атома через несколько лет после того, как Томсон выдвинул свою теорию.

История исследований

При помощи исследования электролиза в 1833 году Фарадею удалось установить, что ток в растворе электролитов представляет собой поток заряженных частиц, или ионов. На основании этих исследований он смог определить минимальный заряд иона. Также немаловажную роль в развитии данного направления в физике сыграл отечественный химик Д. И. Менделеев. Именно он впервые поставил в научных кругах вопрос о том, что все атомы могут иметь одинаковую природу. Мы видим, что до того, как впервые была предложена ядерная модель строения атома Резерфорда, самыми разными учеными было проведено большое количество не менее важных экспериментов. Они продвинули атомистическую теорию строения вещества вперед.

Первые опыты

Резерфорд является действительно гениальным ученым, ведь его открытия перевернули представление о строении вещества. В 1911 году он смог поставить эксперимент, при помощи которого исследователи смогли заглянуть в загадочные глубины атома, получить представление о том, каково его внутреннее строение. Первые опыты были проведены ученым при поддержке других исследователей, однако главная роль в открытии принадлежала все-таки Резерфорду.

Эксперимент

Используя естественные источники радиоактивного излучения Резерфорд смог построить пушку, которая испускала поток альфа-частиц. Это был ящик, сделанный из свинца, внутри которого находилось радиоактивное вещество. В пушке была прорезь, благодаря которой все альфа-частицы попадали на свинцовый экран. Вылетать они могли только через прорезь. На пути этого пучка из радиоактивных частиц стояло еще несколько экранов.

Они отделяли частицы, которые отклонялись от заданного ранее направления. К мишени попадал строго сфокусированный В качестве мишени Резерфорд использовал тонкий лист из золотой фольги. После того как частицы попадали на этот лист, они продолжали свое движение и в конечном счете попадали на люминесцентный экран, который был установлен позади этой мишени. При попадании альфа-частиц на этот экран регистрировались вспышки, по которым ученый мог судить, сколько частиц отклоняются от первоначального направления при столкновении с фольгой и какова величина этого отклонения.

Отличия от предыдущих опытов

Школьники и студенты, которые интересуются тем, кто предложил ядерную модель строения атома, должны знать: подобные эксперименты проводились в физике и до Резерфорда. Их главная идея состояла в том, чтобы по отклонениям частиц от первоначальной траектории собрать как можно больше информации о строении атома. Все эти исследования привели к накоплению определенного объема информации в науке, провоцировали на размышление о внутреннем строении мельчайших частиц.

Уже в начале XX века ученым было известно, что в атоме содержатся электроны, имеющие отрицательный заряд. Но среди большинства исследователей преобладало мнение, что атом изнутри больше похож на сетку, заполненную отрицательно заряженными частицами. Подобные опыты позволили получить немало информации - к примеру, определить геометрические размеры атомов.

Гениальная догадка

Резерфорд обратил внимание, что никто из его предшественников ни разу не пробовал определить, могут ли альфа-частицы отклоняться под очень большими углами от своей траектории. Прежняя модель, иногда называемая среди ученых «пудинг с изюмом» (поскольку согласно данной модели электроны в атоме распределены подобно изюминкам в пудинге), просто не допускала существования внутри атома плотных компонентов структуры. Никто из ученых и не озабочивался тем, чтобы рассмотреть и такой вариант. Исследователь попросил своего студента переоборудовать установку таким образом, чтобы фиксировались и большие отклонения частиц от траектории - только для того, чтобы исключить такую возможность. Каково же было удивление и ученого, и его студента, когда оказалось, что некоторые частицы разлетаются под углом 180 о.

Что внутри атома?

Мы узнали, кто предложил ядерную модель строения атома и в чем заключался опыт этого ученого. На тот момент эксперимент Резерфорда был настоящим прорывом. Он был вынужден сделать вывод, что внутри атома большая часть массы заключена в очень плотном веществе. Схема ядерной модели строения атома предельно проста: внутри находится положительно заряженное ядро.

Другие частицы, называемые электронами, вращаются вокруг этого ядра. Остальная же часть является на несколько порядков менее плотной. Расположение электронов внутри атома не является хаотичным - частицы располагаются в порядке возрастания энергии. Внутренние части атомов исследователь назвал ядрами. Названия, которые ввел ученый, используются в науке до сих пор.

Как подготовиться к уроку?

Те школьники, которые интересуются тем, кто предположил ядерную модель строения атома, могут блеснуть на уроке дополнительными знаниями. Например, можно рассказать о том, как Резерфорд, уже по прошествии длительного времени после своих экспериментов, любил приводить для своего открытия аналогию. В южноафриканскую страну доставляется контрабанда с оружием для повстанцев, которое заключено в тюках хлопка. Как таможенникам определить, где конкретно находятся опасные припасы, если весь поезд забит этими тюками? Таможенник может начать стрелять по тюкам, и там, где пули будут рикошетить, и находится оружие. Резерфорд подчеркивал, что именно так и было сделано его открытие.

Школьникам, которые готовятся к ответу по данной теме на уроке, желательно подготовить ответы на следующие вопросы:

1. Кто предложил ядерную модель строения атома?

2. В чем состоял смысл эксперимента?

3. Отличие ядерной модели от других моделей.

Значение теории Резерфорда

Те радикальные выводы, которые Резерфорд сделал из своих экспериментов, заставляли многих его современников сомневаться в истинности данной модели. Даже сам Резерфорд не был исключением - он опубликовал результаты своих исследований лишь через два года после открытия. Взяв за основу классические представления о том, как двигаются микрочастицы, он предложил ядерную планетарную модель строения атома. В целом атом обладает нейтральным зарядом. Вокруг ядра двигаются электроны - подобно тому, как вокруг Солнца вращаются планеты. Это движение происходит за счет кулоновских сил. В настоящий момент модель Резерфорда подверглась значительной доработке, однако открытие ученого не теряет своей актуальности и сегодня.