Атомы разных элементов взаимодействуют друг с другом в целочисленных отношениях с образованием более сложных частиц – молекул.

В конце 18, начале 19 века физики сделали ряд открытий, согласно которым атом перестал быть неделимой частицей. Росло число наблюдений и экспериментов, свидетельствующих о сложном строении атома. Какие это открытия?

В 1832 году М.Фарадей установил законы электролиза и тот факт, что электричество, как и вещество можно разложить на «атомы электричества». Эти кирпичики электричества были обнаружены в опытах английского физика В. Крукса, который открыл катодные лучи – поток частиц (впоследствии названных электронами), проходящий под действием разности потенциалов через вакуум от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду). Дж.Дж.Томпсон измерил соотношение между массой и зарядом электрона, а Р.С.Малликен измерил его массу и заряд и приписал ему знак (-). Масса электрона мала и составляет 1/1837 массы атома водорода. В химии принято выражать заряды ионов в единицах зарядов электронов с соответствующим знаком: Н⁺, Са²⁺, СО₃^2-. (см таблицу). Кроме катодных лучей в трубке Крукса с полым катодом в противоположном электронам направлении распространялись положительно заряженные лучи. Масса частиц, из которых состояли эти лучи зависела от природы газа в трубке. Масса самой легкой из частиц была равна массе атома водорода. В 1920 году эта частица была названа протоном с зарядом, равным численно заряду электрона, но с противоположным знаком (+). Дальнейшая информация о строении атома связаны с открытием радиоативности. Было установлено, что излучение радия и других радиоактивных элементов по поведению в электрическом и магнитном полях может быть разделено на три составляющие:

- альфа ( поток положительно заряженных частей атомов гелия Не²⁺ с массой 4а.е.м. и зарядом +2;

- бета-лучи (поток электронов);

- гамма-лучи, идентичные рентгеновским лучам.

С точки зрения современной науки было установлено, что атом – это сложная микросистема, находящихся в движении элементарных (фундаментальных) частиц.

В настоящее время нас, как химиков интересует только три частицы: электрон, протон и нейтрон. Известно в настоящее время уже более 300 частиц, из которых истинно элементарными, т. е. неделимыми являются электрон, кварк и лептон. Существует 18 типов кварков (по 3 кварка, которые удерживаются сильным взаимодействием, обусловленным самыми загадочными частицами – глюонами, которые трудно себе представить с точки зрения человеческого восприятия). Элементарные частицы имеют точечный заряд, (например, электрон, фотон), фундаментальные частицы – это частицы, имеющие конечные размеры (протон и нейтрон) -10^-6 нм (1нм = 10^-9м).

Первая модель строения атома, на основе новейших достижений была представлена Джозефом Джоном Томпсоном – «модель сливового пудинга»: атом – сфера положительного электричества одинаковой плотности размером 1А (10^-8см), в которой свободно плавают электроны, нейтрализуя положительный заряд.

Но опыты Эрнеста Резерфорда доказали несостоятельность этой модели атома. Обстреливая тонкую золотую фольгу (толщина порядка 1000 атомов) сфокусированным пучком альфа-частиц, Резерфорд обнаружил, что лишь одна из 100000(ста тысяч) альфа-частиц резко (более, чем на 90%) отклонялись от своего первоначального направления. На этом основании был сделан вывод, что основная масса атома сосредоточена в очень малой части его объема; эта часть атома была названа ядром.

Планетарная модель атома (1906-1911гг.) Э.Резерфорда.Электроны с большой скоростью движутся по круговым орбитам вокруг ядра, подобно планетам по отношению к Солнцу, причем кулоновская сила притяжения между отдельным электроном и ядром точно компенсируется центробежной силой отталкивания: Ze²/r² = mv²/r, где Z – заряд ядра; е – заряд электрона; m и v– его масса и скорость. Однако с точки зрения классической механики электрон, движущийся по круговой орбите, с радиусом порядка 10^-8см , должен излучать электромагнитные волны, теряя энергию. В результате такой атом не мог бы существовать более 10^-8сек. Кроме того, модель Резерфорда не объясняла линейчатые спектры атомов.

Более совершенная модель атома была предложена датским физиком Нильсом Бором в 1913 году (лауреат Нобелевской премии 1922г.). Бор опирался на идею Макса Планка о квантовании энергии. Планк установил, что, хотя свет, испускаемый раскаленным телом, кажется сплошным. Световая энергия (Е) поглощается или испускается раскаленными телами отдельными порциями – квантами, пропорциональными частоте (n = c/l) светового электромагнитного колебания Е = hn, где l -длина волны, h = 6,625х10^-34Дж/с – коэффициент пропорциональности, названный постоянная Планкаи характеризующая размерность энергии в микромире. Таким образом, в науку было введено понятие кванта света, или некоторого светового пакета – фотона– неделимой материальной частицы (по определению Эйнштейна в исследовании фотоэффекта – испускании металлами электронов при облучении их УФ), отражающее не только волновую, но и корпускулярную природу света (частица и волна). Бор объяснил противоречия в модели Резерфорда, предложив два постулата, которые легли в основу его модели строения атома.

1. Из бесконечного числа орбит, возможных с точки зрения классической механики, допустимы лишь определенные, дискретные орбиты, по которым электрон движется, не излучая. Было введено понятие квантового числа – положительного числа n = 1,2,3,4… Если электрон располагается на ближайшей к ядру орбите, то атом обладает минимальной энергией, и такое состояние атома называется основным. Квантовое число изменяется дискретно или квантовано: n = 1,2,3,4… до бесконечности; характеризует орбиту электрона и энергию электрона на энергеическом уровне: Е₁, Е₂, Е₃…Орбиты устойчивы при условии равенства момента количества движения М целому n, кратному постоянной Планка:

М = n(h /2p)

h = h /2p - постоянная Дирака; по своему физическому смыслу это квант действия – та основная мера, которой измеряются все основные величины в микромире.

2. Атом излучает и поглощает энергию при переходе с одной орбиты на другую, при этом испускается или поглощается квант света, частота которого определяется уравнением: Е_n- Е_m = hn.Если m< n, то происходит переход атома из стационарного состояния с более высокой энергией на орбиту с меньшей энергией с выделением кванта лучистой энергии. При m> n наблюдается обратная картина с поглощением кванта света. В основном состоянии атомы могут только поглощать кванты света, переходя в возбужденное состояние. Возбужденный же атом может как поглощать, так испускать фотоны (рис.). Каждому такому переходу соответствует своя частота n.

Бор рассчитал скорость движения электрона в атоме водорода, энергию электрона и радиусы разрешенных орбит электрона в атоме. Важнейшей заслугой Бора явилось количественное обоснование экспериментального линейчатого спектра атома водорода.

Один из методов спектрального анализа основан на испускании света раскаленным образцом, который регистрируется специальными приборами - спектрометрами. Для получения спектров атома водорода пучок непрерывного излучения (белый свет) пропускают через раскаленный газообразный образец (водород). В пропущенном через образец пучке недостает излучения с определенными длинами волн l.На фотопленке, длины волн или частоты (n = c/l) поглощенного излучения обнаруживаются по темным линиям на фоне непрерывного спектра. Серии линий обнаружены в спектре атома водорода

- в УФ области спектра (l= 10-400нм) – серия Лаймена, соответствующая возвращению возбужденного электрона с высших энергетических уровне в основное состояние с квантовым число n = 1;

- в видимой области спектра (l= 400-700нм) – серия Бальмера, соответствующая возвращению электрона с различных высоко расположенных энергетических уровней в первое возбужденное состояние с n = 2;

- в ИК- области (l= 700 – 10⁶ нм) – серия Пашена, соответствующая возвращению электрона на уровень с n = 3.

Если атом получит большую энергию, то электрон оторвется от атома и превратиться в положительно заряженный ион Н⁺.

Произведем расчеты скорости движения электрона в атоме водорода, энергию электрона и радиуса разрешенных орбит электрона в атоме.Атом водорода ¹Нсостоит из ядра с одним протоном и одного электрона на орбите с n = 1.Существуют еще изотопы водорода –дейтерий ²Ни тритий ³Н, в ядре которых соответственно присутствуют один (у дейтерия) и два (у трития) нейтрона. О них речь не идет.

В состоянии с наименьшей энергией, так называемом основном состоянии, n = 1, r ₀ = 0, 053нм. Соответственно энергия основного состояния атома водорода равна -13,6 эВ. Такое количество энергии выделится (поэтому знак минус) при образовании атома водорода из протона и электрона, находящихся в бесконечном удалении друг от друга.

Из условия Е_m- Е_n = hn,выразим n:

Коэффициент перед скобками есть теоретическое выражение константы Ридберга R для описания линий спектра водорода в видимой области (серия Бальмера).

R =

Рассчитанная по формуле константа в этом уравнении хорошо совпадала с опытной величиной константы Ридберга, что явилось триумфом теории Бора.

Атом

ядро (+Z) электронная оболочка(-Z)

N_р = N_е = Z –заряд ядра

протоны нейтроны m_ат = m_яд = m_р = m_n

¹p ¹n

А (а.е.м.) = N_р + N_n = Z + N_n N_nор = Z

В таблице Менделеева атомные массы – дробные числа, т.к. А – это средние значения атомных масс всех известных изотопов данного элемента. Изотопы (нуклиды) - это атомы с одинаковым числом протонов, но разным количеством нейтронов: ⁴⁰Са, ⁴²Са, ⁴³Са.

Атомный номер – фундаментальное свойство атома – это число протонов. Физический смысл атомного номера элемента раскрыл Генри Мозли (1913г.). Он открыл закон, проводя эксперимент – бомбардировал металлы катодными лучами, и они испускали рентгеновское излучение. Закон Мозли: квадратный корень частоты характеристического рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому числу Z, которое совпадало примерно с половиной значения атомной массы.Тесная связь между рентгеновскими спектрами и порядковыми номерами указывала на то, что порядковый номер не просто регистрирует положение элемента в ПС, а имеет определенный физический смысл. Г.Мозли предсказал также существование трех элементов: технеция, прометия и рения. Вывод о том, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента был подтвержден в 1920 году английским физиком Чэдвиком путем измерения зарядов ядер атомов меди, серебра и платины.