Строение атома

Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе, наталки­вает на мысль о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее, что все они находятся в близком родстве друг с другом.

Однако до конца XIX в. в химии господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи.

При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же оста­ются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части.

Только отдельные ученые понимали односторонность и огра­ниченность такого рода представлений.

Так, например, А. М. Бут­леров в 1886 г. писал: «…так называемые ныне «атомы» некото­рых элементов в сущности, быть может, способны подвергаться химическому делению, т. е. они не неделимы по своей природе, а неделимы только доступными нам ныне средствами и… могут быть разделены в процессах, которые будут открыты в послед­ствии».

Аналогичные мысли почти одновременно с Бутлеровым высказывались Н. А. Морозовым. «Можно ли предположить, — писал он, — что атомы не распадаются никогда на более перво­начальные частицы при каких-либо иных космических условиях.

Вроде тех небесных пожаров, которые обнаруживаются время от времени при спектральном исследовании внезапно вспыхнувших звезд.

Конечно, нет! Есть много данных, что атомы химических элементов совершают свою эволюцию в бесконечной истории мироздания».

Но все эти предположения в то время еще не могли быть под­тверждены какими-либо экспериментальными данными.

Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атомов и возможность их разрушения при известных условиях с образованием других атомов.

На основе этих откры­тий начало быстро развиваться учение о строении атома.

Что такое атомная теория Дальтона?

Английский химик Джон Дальтон выдвинул теорию, согласно которой любая материя состоит из неделимых и неразрушимых атомов. Постулаты теории Дальтона приведены в следующем:

• Вся материя состоит из атомов.

• Атомы неделимы и неразрушимы.

• Каждый атом имеет свою собственную постоянную массу, которая отличается от элемента к элементу.

• Во время химической реакции атомы перестраиваются.

• Нет ни сотворения, ни разрушения атомов, возможна только трансформация из одной формы в другую. Законы химических реакций были успешно объяснены атомной теорией Дальтона, которая включает в себя Закон сохранения массы, Закон постоянных свойств, Закон кратных пропорций и Закон взаимных пропорций.

Недостатки атомной теории Дальтона

• Существование изотопов не было объяснено теорией.

• Соответствующее объяснение структуры атома отсутствовало.

• Позже открытие присутствия частиц внутри атома доказало, что атомы делимы.

Какова была атомная модель Томсона?

Английский химик сэр Джозеф Джон Томсон был более известен своим открытием электронов, за которое он получил Нобелевскую премию. Им был проведен следующий эксперимент по изобретению электрона:

Электронно-лучевой эксперимент

Берется стеклянная трубка с двумя отверстиями, одно для вакуумного насоса, а другое для впуска, через которое закачивается газ.

Частичный вакуум поддерживается вакуумным насосом внутри стеклянной камеры.

Высоковольтный источник питания соединен с помощью электродов, то есть катод и анод помещены внутри стеклянной трубки.

Наблюдения

• Были лучи, передаваемые от катода к аноду при подключении источника питания высокого напряжения. «Флуоресцентные пятна», присутствующие на экране ZnS, подтверждают вышеупомянутый факт. Эти лучи были названы ‘Катодными лучами’.

• Катодные лучи отклоняются в сторону положительного электрода при проецировании внешнего электрического поля. Но они находятся на прямой линии в отсутствие электрического поля.

• Кажется, что они вращаются, когда лопасти ротора закреплены на пути катодных лучей. Факт составления катодных лучей частицами определенной массы был доказан этим фактом.

• Собрав все доказательства, Томсон пришел к выводу, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, называемых ‘электронами’.

• Отношение заряда к массе (e/m) было найдено путем воздействия электрического и магнитного полей на катодный луч (электроны). (e/m) для электрона: 1,758820 x 10¹¹ e / bg Малликен нашел заряд электрона с помощью этого соотношения в эксперименте с каплей масла. Заряд e^— = 1,6 x 10^-16 C и масса e^— = 9,1093 x 10^-31 кг

На основе своего эксперимента Томсон описал структуру атома как положительно заряженную сферу, в которой закрепились отрицательно заряженные электроны.

Популярное название модели Томсона — “модель сливового пудинга”, потому что ее можно рассматривать как блюдо для сливового пудинга, где пудинг означает положительно заряженный атом, а кусочки сливы — электроны.

Недостатки модели Томсона

Резерфорд изобрел другую субатомную частицу под названием ‘ядро’, изменив атомную структуру Дж. Томсона. Он провел эксперимент по рассеянию альфа-лучей:

Строительство

• Берется очень тонкая золотая фольга толщиной 1000 атомов.

• Предполагается, что золотая фольга подвергается бомбардировке альфа-лучами (двухзарядный гелий He2 +).

• Экран ZnS расположен за золотой фольгой.

Атомная структура Резерфорда

Примерно в 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд провел знаменитый эксперимент с золотой фольгой, чтобы понять структуру атома.

В эксперименте он использовал источник альфа-частиц, атом и детектор.

Его первый вывод состоял в том, что большая часть пространства внутри атома пуста.

Это происходит потому, что большее количество альфа-частиц может легко пройти через атом и попасть прямо в детектор.

Теперь, если большая часть пространства внутри атома, то положительный заряд не может быть найден. Это объясняется во втором заключении.

Согласно Резерфорду, положительный заряд компактно упакован в крошечную частицу, занимающую чрезвычайно малое пространство внутри атома.

Именно так на протяжении многих лет постулировалась структура атома. Появление новых теорий и объяснений привело к появлению нынешней модели атомов, которую мы изучаем.

Выводы которые сделал Резерфорд

• Резерфорд пришел к выводу, что максимальная часть атома пуста, потому что большинство лучей прошло через него.

• Немногие лучи отражались, так как могло произойти отталкивание его положительного заряда от какого-то другого положительного заряда внутри атома.

• Было замечено, что 1/1000 часть лучей резко отклоняется в результате очень сильного положительного заряда в центре атома. Этот положительный заряд был назван ‘ядром’.

Первые указания на сложную структуру атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах.

Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в кото­рую впаяны два металлических электрода, выкачивают по воз­можности весь воздух и затем пропускают сквозь нее ток высокого напряжения.

При таких условиях от катода трубки перпен­дикулярно к его поверхности распространяются «невидимые»катодные лучи, вызывающие яркое зеленоватое свечение стекла трубки в том месте, куда они падают.

Рис. 2. Отклонение катодных лучей в магнитном поле.

Катодные лучи обладают способностью приводить в движение помещенные на их пути легкоподвижные тела и отклоняются от своего первоначального направления в магнитном (рис. 2) и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заря­женной пластинки).

Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо и они не выходят из трубки наружу.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, заряженных отрицательным электричеством и летящих со скоростью, дости­гающей половины скорости света.

Особыми приемами удалось определить массу катодных частиц и величину их заряда. Оказа­лось, что масса каждой частицы равняется 0,00055 кислородной единицы, что составляет всего 1/1840 часть массы атома водо­рода, самого легкого из всех атомов.

Заряд катодной частицы равняется 1,60 · 10^-19 кулона, или 4,80 · 10^-10 электростатических единиц.

Масса частиц и величина их заряда не зависят ни от природы газа, остающегося еще в ка­тодной трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта.

Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих за­рядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, так сказать, самую сущность их природы.

Эти частицы получили название электронов.