Строение атома и периодический закон Д.И. Менделеева

Большинство ученых признавали реальное существование атомов, но придерживались метафизических взглядов (атом самая мельчайшая неделимая частица вещества).

В конце XIX было установлено сложное строение атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. Первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны.

Было известно, что при сильном накаливании и при освещении УФЛ с поверхности металлов отрицательное электронных и металлы заряжаются положительно. В выяснении природы этого электричества большое значение имели работы русского ученого А.Г. Столетова и английского ученого У. Крукса. В 1879 г. Крукс исследовал явления электронных лучей в магнитном и электрическом полях под действием электрического тока высокого напряжения. Свойство катодных лучей приводить в движение тела и испытывать отклонения в магнитном и электрическом полях дало возможность сделать вывод, что это материальные частицы, несущие наименьший отрицательный заряд.

В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) исследовал эти частицы и назвал их электронами. Так как электроны могут быть получены независимо от вещества, из которого состоят электроды, то это доказывает, что электроны входят в состав атомов любого элемента.

В 1896 г. А. Беккерель (Франция) открыл явление радиоактивности. Он обнаружил, что соединения урана обладают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу.

В 1898 г., продолжая исследования Беккереля, М. Кюри-Складовская и П. Кюри открыли в урановой руде два новых элемента – радий и полоний, обладающие очень большой активностью излучения.

+ -

β α

радиоактивный элемент

Свойство атомов различных элементов самопроизвольно превращаться в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием альфа -, бета - и гамма – лучей, не видимых невооруженным глазом, называется радиоактивностью.

Следовательно, явление радиоактивности является прямым доказательством сложного строения атомов.

Электроны являются составной частью атомов всех элементов. Но электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены в 1911 г. Э. Резерфордом (Англия), который предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра, очень малого по размерам. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом электронейтрален, следовательно, суммарный заряд электронов должен быть равен заряду ядра.

Исследования Г. Мозли (Англия, 1913 г.) показали, что положительный заряд атома численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Итак, порядковый номер элемента указывает число положительных зарядов ядра атома, а так же число движущихся в поле ядра электронов. В этом заключается физический смысл порядкового номера элемента.

Согласно ядерной модели наиболее просто устроен атом водорода: ядро несет один элементарный положительный заряд и массу, близкую к единице. Оно называется протоном («простейший»).

В 1932 г. физик Д.Н. Чедвик (Англия) установил, что лучи, испускаемые при бомбардировке атома альфа-частицами, обладают огромной проницательной способностью и представляют собой поток электронейтральных частиц – нейтронов.

На основании изучения ядерных реакций Д.Д. Иваненко (физик, СССР, 1932 г.) и одновременно В.Гейзенберг (Германия) сформулировали протонно-нейтронную теорию строения ядер атомов, согласно которой ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц-протонов и нейтральных частиц-нейтронов ( ¹Р) - протон имеет относительную массу 1 и относительный заряд + 1. ¹

( ¹n) – нейтрон имеет относительную массу 1 и заряд 0.

¹

Таким образом, положительный заряд ядра определяется числом протонов в нем и равен порядковому номеру элемента в ПС; массовое число – А(относительная масса ядра) равно сумме протонов (Z) нейтронов (N) :

A = Z + N; N = A- Z

Изотопы

Атомы одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра и разное массовое число – изотопы. У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Изотопы водорода:

¹Н ² Н ³Н ^{3 – массовое число}

^{1 1 1 3}Н

¹

^{1 - заряд ядра}

^{протий дейтерий тритий}

Z = 1 Z = 1 Z =1

N = 0 N = 1 N = 2

^{1протон 1 протон 1 протон}

^{0 нейтронов 1 нейтрон 2 нейтрона}

Изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства и обозначаются одним химическим символом, занимают одно место в П.С. Так как масса атома практически равна массе ядра (масса электронов ничтожно мала), то каждый изотоп элемента характеризуется, как и ядро, массовым числом, а элемент атомной массой. Атомная масса элемента – это среднее арифметическое между массовыми числами изотопов элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа в природе.

Предложенная Резерфордом ядерная теория строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Согласно классической электродинамике электрон должен излучать энергию и двигаться не по окружности, а по спиралевидной кривой и в итоге упасть на ядро.

В 20 – х годах XX в. ученые установили, что электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами волны и частицы.

Масса электрона равна 1___ массы водорода, относительный заряд

равен (-1) . Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента. Электрон движется по всему объему атома, создавая электронное облако с неравномерной плотностью отрицательного заряда.

Представление о двойственной природе электрона привело к созданию квантово-механической теории строения атома (1913 г. , датский ученый Н. Бор). Главный тезис квантовой механики – микрочастицы имеют волновую природу, а волны – свойства частиц. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Область наиболее вероятного нахождения электрона в атоме ( ≈ 90%) называется атомной орбиталью.

Принято изображать только границы этой области.

, ∞

Исходя из квантовой теории Н. Бор теоретически обосновал модель атома водорода.

В основу своей теории Бор положил следующие постулаты: электрон может двигаться вокруг ядра атома не по любым орбитам, а только по вполне определенным, дозволенным.

Схемы атомов по Бору:

1Н 2He 3 Li 11Na

Каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек их атомов.