Развитие учения о строении атомов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие учения о строении атомов

План

1. Основные положения современной теории о строении атомов

2. Явление радиоактивности

1. Основные положения современной теории о строении атомов

Доминирующей современной теорией электронов и других микрообъектов, обладающих очень малой массой, является квантовая механика. Оказалось, что законы движения микрообъектов принципиально отличаются от таковых для макрообъектов, к числу которых относятся все предметы, видимые в оптический микроскоп и невооруженным глазом. Квантовая механика изучает движение микрообъектов в микрополях атомов, молекул и кристаллов. Из этого определения становятся очевидными роль и значение квантовой механики для современной химии. Не будет преувеличением сказать, что она синтезировала воедино наиболее актуальные проблемы физики и химии.

Главной особенностью квантовой механики является ее вероятностный статистический характер: она дает возможность на ходить вероятность того или иного значения некоторой физической величины. Объясняется это волново-корпускулярным дуализмом микромира, т. е. микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

Не представляет труда обосновать объективность волново-корпускулярного дуализма для световых квантов - фотонов. Так, фотоэффект Столетова и эффект Комптона доказывают корпускулярную природу видимых и рентгеновских лучей, а их интерференция и дифракция -- волновую природу света. Потому для фотонов легко по казать единство волны и корпускулы. Действительно, из формул следует Е = с²m = hн, откуда с учётом н = с/л получаем

с²m = h (с/л)

или

л = h / mc = h/р,

где л -- длина волны; р -- количество движения или импульс фотона.

В 1924 г. французский ученый де Бройль высказал идею, что волново-корпускулярный дуализм присущ не только фотонам, но и всем микрообъектам. Поэтому, по де Бройлю, их движение связано с распространением волны, т. е. движение микрообъекта можно рассматривать как волновой процесс, при котором справедливо соотношение

Л = h/ m₀х

аналогичное для фотона. Формула связывает важнейшую характеристику вещественной формы существования матери (количество движения m₀х) с характеристикой материального пол (длина волны л) через постоянную Планка. Это и есть волново-корпускулярный дуализм.

Волновые свойства электронов, а вместе с ними идея де Бройля нашли экспериментальное подтверждение в опытах по рассеянию дифракции электронов, проведенных в 1927 г. в США, Великобритании и СССР. В Советском Союзе блестящие опыты по дифракции электронов были проведены в Ленинградском политехническом институте проф. Тартаковским П.С. Впоследствии опытным путем была обнаружена дифракция нейтронов, протонов, атоме гелия, молекул водорода других микрообъектов. В настоящее время волновые свойства материальных частиц широко применяются в методах исследования строения вещества -- электронографии нейтронографии и др.

Однако идея де Бройля послужила только началом создания квантовой механики. Она рассматривала поведение микрообъекта, свободного от силового поля. В действительности же материальные частицы, например электроны, всегда находятся в поле действия определенных сил. С этой точки зрения электроны в атоме движутся в центрально- симметричном поле, для которого потенциальная энергия зависит только от расстояния до ядра. Законы движения в поле центральных сил образуют основу атомной механики: решение общей задачи о движении электронов в атоме опирается на результаты, относящиеся к движению одной частицы в поле центральных сил. атом микрообъект квантовый радиоактивность

Рисунок 1. Распространение волны вдоль оси Х

На основе гипотезы де Бройля австрийский ученый Шрёдингер (1925--1926) интуитивно использовал волновое уравнение классической механики в качестве модели для описания поведения электрона в атоме. Из учения о колебаниях и волнах известно, что распространение волны вдоль координатной оси х (рисунок) описывается дифференциальным уравнением в частных производных второго порядка

где А -- амплитуда волны; с -- скорость перемещения волны; t --время перемещения волны.

Но по Шрёдингеру, атомная система замкнутая, а потому поведение электрона, его движение подобно стоячей волне (рисунок). А математическое уравнение, описывающее стоячую волну, значительно проще, так как не содержит скорости и времени. Только атомная система в отличие от стоячей волны является трехмерной, а потому в уравнение для описания атомной стоячей волны Шрёдингер вводит все три аргумента: координаты х, у и z:

где ш --трехмерный аналог величины А.

Рисунок 2. Стоячая волна

Теперь в выражение вместо л подставим значение длины волны де Бройля, тогда получим

Полная энергия системы Е равна сумме потенциальной энергии U и кинетической (m₀х²/2), т. е.

Е = U + (m₀х²/2),

откуда х² = 2 ( Е - U) /m₀. Подставив это значение х² , получим

или, введя оператор Лапласа* ² (набла в квадрате), запишем

Где

Выражение, а также есть волновое уравнение Шрёдингера для стационарного состояния, когда энергия системы не зависит от времени. В большинстве случаев задачи сводятся именно к нахождению стационарных состояний. Уравнения и не выводятся из более общих законов, а являются следствием эмпирического выбора уравнения стоячей волны в качестве модели для описания поведения электрона в атоме с учетом волны де Бройля. Правомерность такого вывода уравнения Шрёдингера доказывается тем, что его решение приводит к значениям энергии Е, точно соответствующим опытным данным из атомных спектров.

Функция ш в уравнении Шрёдингера называется волновой функцией. Физический смысл имеет величина ш²dх*, равная вероятности нахождения электрона в элементарном объеме dх = dxdydz. Таким образом, квантовая механика дает лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте атомной системы. Поэтому такие понятия, как траектория частицы (например, электронная орбита), в квантовой механике не имеют смысла.

В соответствии с физическим смыслом ш² сама волновая функция должна удовлетворять определенным условиям, которые называются стандартными условиями. Согласно последним волновая функция должна быть: 1) непрерывной, так как состояние квантовой системы в пространстве меняется непрерывно; 2) конечной, т. е. она не должна обращаться в бесконечность ни при каких значениях аргументов;

3) однозначной, ибо по смыслу ш есть амплитуда вероятности, а потому для любой данной точки она может иметь только одно значение; 4) обращаться в нуль на бесконечности. Так, при рассмотрении поведения электрона в атоме ш должна быть равной нулю на бесконечно большом расстоянии от ядра.

2. Явление радиоактивности

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. известным французским физиком Анри Беккерелем. Беккерель установил, что металлический уран, а также его минералы и соединения испускают невидимое излучение. Воздух по соседству е препаратами становится хорошим проводником электричества и разряжает электроскоп. Излучение вызывало почернение фотографической пластинки, завернутой в черную бумагу или закрытой непрозрачными предметами. Излучательная способность не зависела от температуры урансодержащего препарата, от его агрегатного состояния, а определялась только содержанием урана. Беккерель из этих наблюдений сделал заключение, что способность к излучению является свойством атомов урана и не зависит от того, входит ли уран в состав соединения.

Вскоре было обнаружено, что излучательной способностью обладает и торий, а в 1898 г. супругами Марией и Пьером Кюри были открыты два новых химических элемента -- радий и полоний. Излучательная активность радия вместе с элементами, образующимися и» него, оказалась в миллион раз больше активности урана. Мария Кюри предложила термин радиоактивность для обозначения способности элементов к самопроизвольному излучению. В последующие годы были открыты еще некоторые радиоактивные элементы -- актиний, эманации радия, тория и актиния (названные радоном, тороном, актиноном) и многие другие. При этом каждое из выделенных радиоактивных простых тел рассматривалось как самостоятельный химический элемент. Количество подобных «элементов» превосходило число клеток в Периодической системе и некоторые из них обладали тождественными химическими свойствами с уже известными. Введение понятия изотопа уменьшило их число. Оказалось, что радон, торон, актинон являются разными изотопами одного и того же элемента. Поэтому они должны занимать одну клетку в Периодической системе. В дальнейшем изотопия стала важнейшим свойством для большинства химических элементов.

В 1913 г. Фаянс и Содди независимо друг от друга формулируют правила радиоактивного смещения:

1. При б-распаде возникает изотоп элемента, смещенного на две клетки от исходного к началу Периодической системы и имеющий на 4 единицы меньше массовое число.

2. в-Распад приводит к возникновению изотопа элемента, смещенного на одну клетку от исходного к концу Периодической системы с тем же массовым числом. Эти правила в еще большей степени способствовали правильной расстановке радиоактивных элементов в Периодической системе и пониманию их химического поведения.

В том же 1913 г. Мозли дает в руки исследователей рентгеноспектральный метод определения положительного заряда ядра элемента, а следовательно, его места в Периодической системе. Это способствовало поиску новых радиоактивных элементов и исправлению численных значений порядковых номеров элементов. Была установлена правильная последовательность превращений одних радиоактивных изотопов в другие, открыты пропущенные звенья в цепи генетически связанных элементов -- радиоактивных рядах.

В это время радиохимия как наука о химических и физико-химических свойствах радиоактивных элементов разрабатывает свои специфические методы исследования. В ее задачу входит широкий круг вопросов, связанных с проблемами разделения, очистки, концентрирования радиоактивных элементов.

Таким образом, открытие явления радиоактивности было важной вехой на пути познания окружающего мира. Изучение же радиоактивности дало неопровержимые доказательства сложности структуры атома. Оно стало основным фактом, опровергающим представления о неизменности атомов, и показало, что в определенных условиях одни атомы разрушаются, превращаясь в другие.

В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение элементов. Под действием б-частиц азот был превращен в кислород. В дальнейшем процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других (или с элементарными частицами), при которых образовывались ядра новых элементов, стали называть ядерными реакциями. Чаще всего ядерные реакции представляют собой процессы взаимодействия ядер с частицами сравнительно небольшой массы (б-частицами, протонами, нейтронами, дейтеронами и т. д.). Обозначения, которые применяются при записи ядерных реакций, аналогичны обозначениям, принятым при написании уравнений химических реакций. Символы ядер элементов, вступающих в реакцию, записываются слева, а образующихся продуктов -- справа. Над символом слева вверху указывается массовое число изотопа, а слева внизу его порядковый номер. Сумма верхних индексов с левой стороны равенства должна равняться их сумме справа. Это требование относится и к сумме нижних индексов. Реакция первого искусственно вызванного ядерного превращения, осуществленного Резерфордом, записывается так:

Нередко используется более короткая запись: символы легких частиц (бомбардирующих и образующихся), записывают в скобках между символами исходного и конечного ядер. Тогда уравнение приведенной реакции запишется: .

В ядерных процессах энергию относят к превращению одного ядра и выражают в электронвольтах. Энергетический эффект ядерных процессов неизмеримо больше тепловых эффектов обычных химических реакций. Так, например, реакция имеет ДН = - 1,19МэВ, или --2,74 ? 10¹⁰ кал/г-атом. Эта величина по крайней мере в 100 000 раз больше самых высоких значений тепловых эффектов химических реакций.

Ядерные реакции могут идти как с выделением, так и с поглощением энергии. Одним из наиболее известных примеров экзотермического ядерного превращения является реакция деления урана, сопровождающаяся выделением 180 МэВ. Для других ядерных процессов энергетические эффекты не столь значительны. Кроме того, надо иметь в виду, что ядерные реакции по сравнению с химическими представляют собой очень редкое событие. По-видимому, одной из причин этого является малый размер ядер, что делает маловероятными эффективные ядерные соударения. Установлено, что скорость радиоактивного распада пропорциональна наличному числу ядер:

dN / dф = - лN,

где dN/dф -- количество ядер, распадающихся в единицу времени, т. е. скорость распада; N -- число имеющихся в данный момент радиоактивных ядер. Коэффициент пропорциональности К называется постоянно и радиоактивного распада. Она равна доле ядер, распадающихся за единицу времени. Для каждого радиоактивного изотопа л имеет определенное значение и не зависит от температуры, давления, электрического и магнитного полей, химического состояния радиоактивного изотопа, его концентрации.

Литература

1. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа./ Под ред. О.М.Петрухина. - М., 2005

2. Артеменко А.И. Органическая химия.- М., 2006

3. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М., 2003

4. Биологическая химия./Под ред.Ю.Б.Филипповича,Н.И.Ковалевская,Г.А.Севастьяновой . - М., 2005

5. Биохимия./Под редакцией В.Г.Щербакова. - СПб., 2003

6. Вольхин В.В. Общая химия. Избранные главы. - СПб, М, Краснодар., 2008

7. Вольхин В.В. Общая химия. Основной курс. - СПб, М, Краснодар., 2008

8. Гельфман М.И., Юстратов В.П. Химия. - СПб, М, Краснодар., 2008

9. Глинка Н.Л. Общая химия. - М., 2005

10. Говарикер В.Р., Васванатхан Н.В., Шридхар Дж.М. Полимеры. - М., 2000

11. Гранберг И.И. Органическая химия. - М., 2002

12. Дорохова Е.Н., Прохорова К.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы. - М., 2004

13. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. - М., 1990

14. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия.- М., 2003

15. Зимон А.Д. Физическая химия.- М., 2003

16. Ипполитов Е.Г., Артемов А.В., Батраков В.В. Физическая химия.- М., 2005

17. Ким А.М. Органическая химия. - Новосибирск, 2007

18. Коржуков Н.Г. Общая и неорганическая химия. - М., 2004

19. Коровин И.В. Общая химия. - М., 2005

20. Кругляков П.М.,Лещенко Н.Ф. Физическая и коллоидная химия. - М., 2007

21. Нейланд О.Я. Органическая химия.- М., 1990

22. Никольский А.Б.,Суворов А.В. Химия. - СПб., 2005

23. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. - СПб., 2006

Размещено на Allbest.ru