История атома: теории и модели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Елецкий государственный университет имени И.А.Бунина

ЕГУ им. И.А.Бунина

Институт математики естествознания и техники

Кафедра "Химии и биологии"

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Химия

на тему: История атома: теории и модели

Выполнил студент

Мамонтова Светлана Николаевна

Проверил преподаватель:

Петрищева Татьяна Юрьевна

Елец 2020



Содержание

Введение

История атома

Теории атома

Модели атома

Современная модель атома

Атом

Заключение



Введение

Атом играет важную роль в химии и физике. Его открытие послужило тому, что у молекулы есть свое строение. И оно начинается с атома. Следовательно, целью данного исследования будет: история атома, его теории и модели.

История атома началась ещё до нашей эры и продолжается по сей день. Впервые изучением "неделимого", а именно так переводится атом с греческого занялся Демокрид и его наставник Левкиппу, но само понятие и открытие атома произошло лишь в 19 веке Эрнестом Резерфордом. Но до его открытия существовали и другие теории и модели строения атома.

Основные моменты, что будут рассмотрены в дальнейшем включают в себя:

- Историю открытия атома

- Открытие электрона Томсоном

- Теория Н.борома

- Уровни электронов

- Модель Томсона

-Модель Резерфорда

- Модель Бора.

- Современная модель атома

- Уравнение Шрейдингера.

Данные темы помогут изучить и понять, что такое атом и какую роль он играет в мире.

"Химия - наука о веществах. Эта наука исследует строение, свойства и превращения веществ" вещества состоят из молекул, которые в свою очередь состоят из атома. Маленьких, но очень важных частиц в этом мире.

Благодаря знаниям о нём, ученые смогли далеко продвинутся в изучении и открытии многих вопросов. Следовательно, данная тема будет актуальна для тех, кто изучает химию и физику, т.к. атом там занимает одну из главных ролей.



История атома

Атом -- мельчайшая химически неделимая электронейтральная частица вещества, состоящая из положительного ядра и отрицательных электронов.

Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы - их размеры порядка.

10-10-10-9 м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10-15-10-14 м).

Историю возникновения самых общих представлений об атоме обычно ведут со времен греческого философа Демокрита (ок. 460 - ок. 370 до н. э.), много размышлявшего о наименьших частицах, на которые можно было бы поделить любое вещество. Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами. Греческий философ Эпикур (ок. 342-270 до н.э.) принял атомную теорию, и в первом веке до н.э. один из его последователей, римский поэт и философ Лукреций Кар, изложил учение Эпикура в поэме «О природе вещей», благодаря которой оно и сохранилось для следующих поколений. Аристотель (384-322 до н.э.), один из крупнейших ученых древности, атомистическую теорию не принимал, и его взгляды на философию и науку преобладали впоследствии в средневековом мышлении. Атомистической теории как бы не существовало до самого конца эпохи Возрождения, когда на смену чисто умозрительным философским рассуждениям пришел эксперимент.

Экспериментальные данные, связанные с образованием химических соединений, подтверждали существование «атомных» частиц и позволили судить о малых размерах и массе отдельных атомов. Однако реальная структура атомов, в том числе и существование еще меньших частиц, составляющих атомы, оставалась неясной до открытия Дж.Дж.Томсоном электрона в 1897. До той поры атом считался неделимым и различие в химических свойствах различных элементов не имело своего объяснения. У.Крукс (1832-1919), который установил, что характер разряда в трубке меняется в зависимости от давления, и разряд полностью исчезает при высоком вакууме. Более поздние исследования Ж.Перрена (1870-1942) показали, что вызывающие свечение «катодные лучи» представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Однако заряд и масса частиц оставались неизвестны и было неясно, одинаковы ли все отрицательные частицы. Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества.

Рис. 1. Трубка, использованная английским физиком Дж.Томсоном для определения отношения заряда к массе для катодных лучей.

Эти опыты привели к открытию электрона. Эксперименты Томсона показали, что электроны в электрических разрядах могут возникать из любого вещества. Поскольку все электроны одинаковы, элементы должны различаться лишь числом электронов. Кроме того, малая величина массы электронов указывала на то, что масса атома сосредоточена не в них.

Масс-спектрограф Томсона. Вскоре и оставшуюся часть атома с положительным зарядом удалось наблюдать с помощью той же, хотя и модифицированной, разрядной трубки, позволившей открыть электрон. Уже первые эксперименты с разрядными трубками показали, что если катод с отверстием помещается посередине трубки, то через «канал» в катоде проходят положительно заряженные частицы, вызывая свечение люминесцентного экрана, расположенного в противоположном от анода конце трубки. Эти положительные «каналовые лучи» тоже отклонялись магнитным полем, но в направлении, противоположном электронам.Томсон решил измерить массу и заряд этих новых лучей, также используя для отклонения частиц электрическое и магнитное поля. Его прибор для изучения положительных лучей, «масс-спектрограф», схематически изображен на рис. 2. Он отличается от прибора, представленного на рис. 1, тем, что электрическое и магнитное поля отклоняют частицы под прямым углом друг к другу, а потому «нулевое» отклонение получить не удается. Положительно заряженные атомы на пути между анодом и катодом могут потерять один или несколько электронов, и по этой причине могут ускоряться до различных энергий.

Рис. 2. МАСС-СПЕКТРОГРАФ, использовавшийся Томсоном для определения относительных значений массы различных атомов по отклонению положительных лучей в магнитном и электрическом полях.

Другие доказательства сложной структуры атома. В то самое время, когда Томсон и другие исследователи экспериментировали с катодными лучами, открытие рентгеновского излучения и радиоактивности принесло дополнительные доказательства сложной структуры атома. В 1895 В.Рентген (1845-1923) случайно обнаружил таинственное излучение («Х-лучи»), проникавшее сквозь черную бумагу, которой он оборачивал трубку Крукса при исследовании зеленой люминесцирующей области электрического разряда. Х-лучи вызывали свечение удаленного экрана, покрытого кристаллическим платиноцианидом бария. Рентген выяснил, что различные вещества разной толщины, введенные между экраном и трубкой, ослабляют свечение, но не гасят его полностью. Это свидетельствовало о чрезвычайно высокой проникающей способности Х-лучей. Рентген установил также, что эти лучи распространяются прямолинейно и не отклоняются под действием электрических и магнитных полей. Возникновение такого невидимого проникающего излучения при бомбардировке электронами различных материалов было чем-то совершенно новым. Было известно, что видимый свет от трубок Гейсслера состоит из отдельных «спектральных линий» с определенными длинами волн и, значит, связан с «колебаниями» атомов, имеющими дискретные частоты. Существенная особенность нового излучения, отличавшая его от оптических спектров, помимо высокой проникающей способности, состояла в том, что оптические спектры элементов с последовательно возраставшим числом электронов полностью отличались друг от друга, тогда как спектры X-лучей очень незначительно изменялись от элемента к элементу.

Еще одним открытием, имеющим отношение к строению атома, было то, что атомы некоторых элементов могут спонтанно испускать излучение. Это явление было обнаружено в 1896 А.Беккерелем (1852-1908). Беккерель открыл радиоактивность, используя соли урана в процессе изучения люминесценции солей под действием света и ее связи с люминесценцией стекла в рентгеновской трубке. В одном из опытов наблюдалось почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу и находившейся около урановой соли в полной темноте. Это случайное открытие стимулировало интенсивные поиски других примеров естественной радиоактивности и постановку опытов по определению природы испускаемого излучения. В 1898 П.Кюри (1859-1906) и М.Кюри (1867-1934) обнаружили еще два радиоактивных элемента - полоний и радий. Э.Резерфорд (1871-1937), исследовав проникающую способность излучения урана, показал, что имеются два типа излучений: очень «мягкое» излучение, которое легко поглощается веществом и которое Резерфорд назвал альфа-лучами, и более проникающее излучение, которое он назвал бета-лучами. Бета-лучи оказались тождественными обычным электронам, или «катодным лучам», возникающим в разрядных трубках. Альфа-лучи, как выяснилось, имеют такие же заряд и массу, как и атомы гелия, лишенные двух своих электронов. Третий тип излучения, названный гамма-лучами, оказался сходен с X-лучами, но обладал еще большей проникающей способностью.

Все эти открытия ясно показали, что атом не является «неделимым». Он не только состоит из более мелких частей (электронов и более тяжелых положительных частиц), но эти и другие субчастицы, по-видимому, самопроизвольно испускаются при радиоактивном распаде тяжелых элементов. Кроме того, атомы не только испускают излучение в видимой области с дискретными частотами, но и могут так возбуждаться, что начинают испускать более «жесткое» электромагнитное излучение, а именно X-лучи.

Теория атома

Предложенная Н. Бором планетарная модель атома, согласно которой электроны в атоме движутся вокруг его ядра по строго заданным круговым орбитам была в процессе изучения свойств элементарных частиц и строения материи развита и дополнена. Квантовая механика рассматривает атом как совокупность электронных оболочек вокруг ядра атома. Согласно квантовомеханической теории рассматривается не траектория движения электрона вокруг ядра, а некоторая область, вероятность нахождения электрона в которой имеет наибольшую величину. Каждой оболочке соответствует строго определенное значение энергии электрона, характеризуемое главным квантовым числом. В зависимости от числа n в атоме различают оболочку K при n = 1, оболочку L при n = 2, оболочку M при n = 3. Энергии электронов, находящихся в соседних оболочках отличаются на энергию кванта:

, (2)

где h -- постоянная Планка; и -- энергии электронов в оболочках при n = 1 и n = 2. Это означает, что для перемещения электрона из одной оболочки в другую, более удаленную от ядра атома, необходимо затратить энергию, равную энергии кванта. И наоборот, при переходе электрона на более низкий энергетический уровень происходит выделение энергии в виде электромагнитного кванта с частотой

Рисунок 1. Энергетическое состояние электрона в атоме

Момент количества движения электрона в орбитали характеризует его энергетическое состояние в атоме:

p = m[vr], (3)

Его можно выразить через квантовое число l:



, (4)

Следует заметить, что энергетическое состояние электрона в атоме является условным изображением, не связанным с реальной формой орбитали электрона. Формы орбиталей электрона s, p и d показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Формы электронных облаков электрона

Тем не менее, с некоторой долей упрощения можно утверждать, что в атоме присутствуют энергетические уровни, на которых может находиться несколько электронов. Самый нижний уровень, соответствующий водороду и гелию, называется K оболочкой. На этом уровне может находиться до 2 электронов с разными спинами. Следующий уровень, соотвествующий элементам от лития до неона, получил название L. Он расщепляется на два подуровня s и p. На подуровне s, как и в предыдущем случае, может находиться два электрона, а на подуровне p -- уже шесть электронов. Энергетические уровни атома приведены на рисунке 3.



Рисунок 3. Энергетические уровни атома

Наиболее распространенный в настоящее время полупроводник кремний (14 электронов) занимает еще два подуровня M атома. Там у него находится 4 электрона. При его возбуждении внешним квантом энергии его валентные электроны могут переходить на подуровень d.

Модели атома

Модель Томпсона ("сливовый пудинг" или "булочка с изюмом").

До 1897 г атом считался мельчайшей неделимой частицей (элементарной). Именно этот год считается датой открытия электрона, первой субатомной частицы. Во второй половине 19 в. многие физики занимались исследованием так называемых «катодных лучей» - лучей, исходящих с поверхности катода при пропускании электрического разряда между катодом и анодом в стеклянной трубке с сильно разреженным газом. В своих опытах по отклонению катодных лучей в электрических и магнитных полях, Томсон убедительно показал, что эти лучи представляют собой поток заряженных частиц, а самое главное, ему удалось измерить удельный заряд (e/m) этих частиц. (Он оказался примерно в 2000 раз меньше удельного заряда иона водорода, известного из опытов по электролизу.) Томсон сразу же предположил, что электроны входят в состав атомов - откуда еще им было взяться? Дальнейшие работы ученых-физиков подтвердили это предположение. Таким образом, к концу 19 века электрон считался элементарной заряженной частицей, масса которой в 2000 раз меньше массы атома водорода.

После открытия электрона Томпсон предложил модель строения атома, которую обычно называют "сливовый пудинг" (или "пудинг с изюмом") или на русский манер "булочка с изюмом". Согласно Томпсону атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены (как изюм в булочке) отрицательно заряженные электроны.

Модель Резерфорда. Ядро атома.

Опыт заключался в бомбардировке тонкого листа золотой фольги пучком альфа-частиц, которые, как тогда уже было известно, представляют собой заряженные атомы гелия. Если бы модель Томсона была верна, то все альфа-частицы проходили бы через лист фольги, лишь немного отклоняясь от первоначального направления движения (рисунок а).

В действительности же результаты оказались удивительными: большинство альфа-частиц действительно отклонялось очень слабо, однако небольшая часть отклонялась на большие углы, а некоторые вообще отражались назад (рисунок b). Из результатов эксперимента Резерфорд сделал вывод, что «модель пудинга» была неверна, а в действительности же положительный заряд и подавляющая часть массы атома сосредоточены в небольшой области в центре атома, размеры которой значительно (более чем в тысячу раз) меньше размеров самого атома. Эта область позже получила название атомного ядра.

В 1917 Резерфордом был открыт протон - положительно заряженная элементарная частица. Тогда же он предположил и о существовании нейтрально заряженных частиц - нейтронов, чье существование и было экспериментально подтверждено позже Дж. Чэдвиком.

На основании полученных результатов Резерфордом была предложена следующая модель атома:. Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов вокруг него.

Модель Бора. Планетарная модель. Энергетические уровни.

В 1913 Нильсом Бором была предложена модель строения атома, известная как "планетарная модель". По Бору электроны вращаются по орбитам расположены на строго определенном удалении от атомного ядра, точно также как планеты Солнечной системы вращаются вокруг солнца (отсюда и название модели). Эти орбиты (сейчас всем известны как энергетические уровни)- стационарные и вне их электрон существовать не может. К сожалению, объяснить это утверждение Бору на тот момент не удалось. Кроме того, предложенная модель Бора противоречила законам физики:



В начале прошлого века на смену планетарной модели строения атома пришла волновая модель, которая разрешила возникшие противоречия и на сегодняшний момент считается общепринятой.

атом электрон химический

Современная модель атома

Атомная модель Шредингера.

Он был разработан Эрвином Шредингером в 1926 году. Это предложение называется квантово-механической моделью атома и описывает волновое поведение электрона..

Для этого выдающийся австрийский физик был основан на гипотезе Бройля, который заявил, что каждая движущаяся частица связана с волной и может вести себя так.

Шредингер предположил, что движение электронов в атоме соответствует дуальности волны и частицы, и, следовательно, электроны могут быть мобилизованы вокруг ядра в виде стоячих волн.

Шредингер, который был удостоен Нобелевской премии в 1933 году за вклад в атомную теорию, разработал одноименное уравнение для расчета вероятности того, что электрон окажется в определенной позиции.

Характеристики атомной модели Шредингера

-Описывает движение электронов как стоячих волн.

-Электроны движутся постоянно, то есть они не имеют фиксированного или определенного положения внутри атома.

-Эта модель не предсказывает местоположение электрона и не описывает маршрут, который он совершает внутри атома. Он только устанавливает зону вероятности для обнаружения электрона.

-Эти области вероятности называются атомными орбиталями. Орбитали описывают движение переноса вокруг ядра атома.

-Эти атомные орбитали имеют разные уровни и подуровни энергии и могут быть определены между электронными облаками.

-Модель не рассматривает стабильность ядра, а относится только к объяснению квантовой механики, связанной с движением электронов внутри атома.

Атомная модель Шредингера основана на гипотезе Бройля и предыдущих атомных моделях Бора и Зоммерфельда..

Для этого Шредингер опирался на эксперимент Юнга и на основе собственных наблюдений разработал математическое выражение, носящее его имя..

Следуя научным основам этой атомной модели:

Эксперимент Юнга: первая демонстрация волновой двойственности

Гипотеза Бройля о волнообразной и корпускулярной природе материи может быть продемонстрирована экспериментом Янга, также известным как эксперимент с двумя щелями..

Английский ученый Томас Янг заложил основы атомной модели Шредингера, когда в 1801 году он провел эксперимент, чтобы проверить волновую природу света.

Во время своих экспериментов Янг разделил излучение луча света, который проходит через небольшое отверстие через камеру наблюдения. Это разделение достигается за счет использования 0,2-миллиметровой карты, расположенной параллельно балке..

Дизайн эксперимента был сделан таким образом, чтобы луч света был шире, чем карточка, поэтому при размещении карточки горизонтально луч делился на две примерно равные части. Выход световых лучей направлялся зеркалом.

Оба луча света попали в стену темной комнаты. Там картина интерференции между обеими волнами была очевидна, с которой было продемонстрировано, что свет может вести себя так же, как частица, как волна.

Спустя столетие Альберт Эйнстен подкрепил идею принципами квантовой механики.

Уравнение Шредингера

Шредингер разработал две математические модели, дифференцируя происходящее в зависимости от того, изменяется ли квантовое состояние во времени или нет.

Для атомного анализа Шредингер опубликовал в конце 1926 года независимое от времени уравнение Шредингера, основанное на волновых функциях, которые ведут себя как стоячие волны..

Шредингер определил волны, которые описывают электроны как стационарные или орбитальные состояния и связаны, в свою очередь, с различными уровнями энергии.

Уравнение Шредингера, не зависящее от времени, выглядит следующим образом:

где:

Е: константа пропорциональности.

Ш: волновая функция квантовой системы.

З: Гамильтонов оператор.

Уравнение Шредингера показывает, что если у нас есть волновая функция Ш и на нее действует гамильтонов оператор, константа пропорциональности E представляет полную энергию квантовой системы в одном из ее стационарных состояний.

Применительно к атомной модели Шредингера, если электрон движется в определенном пространстве, существуют дискретные значения энергии, и если электрон движется свободно в пространстве, существуют непрерывные интервалы энергии.

С математической точки зрения, есть несколько решений для уравнения Шредингера, каждое решение предполагает различное значение для константы пропорциональности E.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно оценить положение или энергию электрона. Следовательно, ученые признают, что оценка местоположения электрона внутри атома является неточной.

Постулаты атомной модели Шредингера таковы:

-Электроны ведут себя как стоячие волны, которые распределены в пространстве в соответствии с волновой функцией Ш.

-Электроны движутся внутри атома при описании орбиталей. Это области, где вероятность обнаружения электрона значительно выше. Приведенная вероятность пропорциональна квадрату волновой функции Ш2.

Атом

Атом электронейтрален, поэтому число протонов N(p+) и электронов N(eЇ)в нем одинаково и равно порядковому номеру элемента (обозначается N):

N=N(eЇ)=N(p+)

Весь положительный заряд ядра создается протонами. Их общее число равно заряду ядра(обозначается Z). Во всех атомах одного и того же химического элемента число протонов всегда одинаково (и равно заряду ядра), а число нейтронов N(n0)бывает разным.

Сумму числа протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом атома (обозначается A):

A = Z + N,

То есть именно заряд ядра является основной характеристикой атома, отличающей атомы одного вида от атомов другого вида. Зная строение ядра атома, мы можем дать строгое определение понятию - Химический элемент - это вид атомов, составляющих физические тела, и характеризующийся одним и тем же зарядом ядра.



Заключение

Данное исследование помогло узнать что такое атом, как его открыли и что он значит в мире.

Различные модели и теории его строения со временем развивались и росли знания о нём. Так, мы знаем его историю с первых страниц, знаем его строение и какими методами он был открыт. В какие года, какие ученые и на основе чего делали те или иные выводы, открывали те или иные свойства и как это отразилось в будущем для квантовой механики и химических веществах. Какое положение занимает атом в химической таблице Менделеева и как с помощью него можно многое узнать об элементах. Из чего состоит атом, какого его строение. Электронные уровни, число нейтронов, протонов, электронов, порядковый номер, заряд нейтронов. Все это в дальнейшем ученые стали использовать для решения задач, для создания растворов, препаратов и лекарств.

Размещено на Allbest.ru

...