Будова Атома

Експериментальні докази складності будови атома

Рис.1. Катодні промені
Рис.2. Розщеплення пучка рентгенівського випромінювання в електричному полі
У. Крукс (1869) визначив значення відношення заряду елементарної частинки до маси:
В 1910 р. Міллікен експериментально визначив заряд електрону методом зрівноваження зарядженої краплі в електричному полі. Виявилось, що незалежно від походження заряду та матеріалу крапель повний їхній заряд завжди кратний значенню
Звідси легко обчислити масу електрона :
г.
Кл/г
Кл
тобто елементарному
заряду електрона
Суттєвий вклад провело відкриття явища радіоактивності – здатності деяких елементів випромінювати невидиме проміння, яке проникає крізь речовини іонізує гази, засвічує фотоплівку. Такі елементи називають радіоактивними.

Рис. 3. Модель Томсона
Чичерін (1888) розглядав атом як систему, що складається з позитивно зарядженої маси та негативних оболонок, які її оточують. Перрен (1901) уявляв атом складеним із позитивно зарядженого ядра, оточеного негативними електронами, які рухаються по певних орбітах.
Згодом на основі експериментальних даних У.Томсон (Кельвін) запропонував розглядати атом як хмарку позитивної електрики з вкрапленими в неї електронами .
Модель Томсона

Рис. 4. Дослід Резерфорда 1911р.
Було встановлено, що більшість α-частинок проникла крізь металеві пластинки не змінюючи напрямку свого руху, деякі з них відхилились від прямолінійного шляху на невеликі кути і тільки окремі (одна з 10 тис.) були відкинуті назад. Це суперечило моделі Томсона, тому Резерфорд запропонував планетарну модель будови атома, відповідно якій – в центрі атома міститься невеличке але масивне ядро, навколо якого на значній відстані по орбітах рухаються електрони, сумарний негативний заряд яких чисельно дорівнює позитивному заряду ядра.
Модель Резерфорда

Між ядром і електронами діють електростатичні (кулонівські) сили , зрівноважені відцентровими силами, що виникають внаслідок руху електрону:
де :
–заряд електрону,
–маса електрону,
– швидкість електрону,
– радіус орбіти по якій рухається електрон,
– кулонівська сила,
– відцентрова сила.
Відхилення α-частинок, повинно бути тим більшим, чим більший заряд ядра.
Рис. 5 Планетарна модель Резерфорда

За гіпотезою Ван ден Брука (1913), заряд ядра чисельно дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Атоми – електронейтральні, а тому кількість електронів в кожному з них рівна відповідному порядковому номеру елемента:
де:
– заряд ядра,
– сумарна кількість електронів в атомі,
– порядковий номер елемента.
Цю гіпотезу підтвердив Мозлі (1913), кількісно досліджуючи рентгенівське випромінювання.
Рентгенівські спектри поділяють на неперервні (гальмівні), які не залежать від матеріалу аноду, та лінійчасті (характеристичні), що складаються з невеликого числа серій ліній і залежать від матеріалу аноду. Частинка при гальмуванні може випромінювати довільну частину своєї енергії, тому спектр є неперервним. Рентгенівський спектр, що характеризує енергетичні переходи внутрішніх електронів атома є лінійчастим. Серії його ліній позначають літерами K, L, M, N, O, P відповідно до електронних шарів.

Мозлі, вивчивши рентгенівські спектри 38 хімічних елементів, помітив, що для однотипних ліній відповідних серій зі зростанням атомних номерів елементів зменшуються довжини хвиль. На цій підставі він сформулював закон:
- квадратний корінь із частоти певних ліній однакових серій характеристичного рентгенівського спектру пропорційний атомному номеру елемента:
де:
– змінний коефіцієнт пропорційності, особливий для кожної лінії спектра;
– поправка на екранування, яка залежить від лінії спектра і не змінюється від елемента до елемента
– частота хвилі власного випромінювання елемента з атомним номером
– швидкість світла,
– довжина хвилі.
Закон Мозлі давав змогу визначати точні значення порядкових номерів елементів, а також передбачати положення ще не відкритих елементів у періодичній системі. Для цього потрібно знайти частоту лінії випромінюючого елемента і порівняти її з графіком, одержаним для досліджених елементів.

Основний недолік планетарної моделі атома полягає в тому, що вона суперечить теорії руху електричних зарядів – класичній електродинаміці. Електрон що, обертається навколо ядра, повинен безперервно випромінювати електромагнітну енергію і по спіралі наближатися до ядра. Окрім цього, при безперервному випромінюванні енергії електроном спектр атома повинен бути суцільним а не лінійчастим.
Рис. 7. Нестабільність атома згідно класичної моделі

Модель Бора

Квантово-механічна модель атома – Хвиля де Бройля. Принцип невизначеності Гейзенберга. Рівняння Шредінгера.

Рис. 11. Просторове представлення орбіталей

– Розподіл електронів на енергетичних рівнях і підрівнях.

Рис.12. Характеристика енергетичних підрівнів за енергією
Послідовність заповнення:
Відповідно до цієї схеми послідовності заповнення енергетичних рівнів електронами змінюватиметься і енергія електронів. На кожному наступному рівні енергія електрона більша ніж на попередньому , а зв'язок з ядром відповідно слабший.

Сучасне вчення про будову атома

Висновки