Еволюція наукової думки щодо будови атома

 

ЗМІСТ


ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА

1.1 Відкриття субатомних частинок

.2 Рентгенівські промені

.3 Радіоактивність

РОЗДІЛ 2. ЕВОЛЮЦІЯ НАУКОВОЇ ДУМКИ ЩОДО БУДОВИ АТОМА

2.1 Перша модель атома Дж.Дж. Томсона

.2 Планетарна модель Резерфорда

.3 Атом Бора

.4 Квантово-механічна модель

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ


ВСТУП


На протязі всього існування цивілізації людство робило спроби систематизувати знання про будову матерії. Аристотель вважав, що кожне тіло в своїй основі має чотири стихії: Воду, Вогонь, Повітря і Землю. Властивості тіл залежать від кількості співвідношення цих стихій в кожному з них. Цей погляд на будову матерії проіснував практично без змін до часів середньовічних алхіміків. А доцільні відповіді на всі ці питання людство не отримало і до тепер.

Однак, за останні сто років вченим вдалося сформулювати декілька теорій будови атома, які, можливо, не далекі від істини. Філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». Деякі з них стверджували, що речовина складається з дрібних часток, названих атомами. Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені пізніше в роботах російського вченого М.В. Ломоносова, французьких хіміків Л. Лавуазьє і Ж. Пруста, англійського хіміка Д. Дальтона, італійського фізика А. Авогадро й інших дослідників.

Д.І. Менделєєв у своєму періодичному законі показав існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами. Наприкінці XIX століття були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення одних атомів в інші.

Вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 р., після того як була остаточно встановлена природа катодних променів, як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. З розвитком науки та техніки зроблені нові відкриття у галузі атомної фізики. Так звані нанотехнології основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями. Тому вчення про будову атома є актуальним і на сьогодні.

Метою курсової роботи є аналіз вивчення будови атома та його моделей в історичній концепції розвитку фізики.

Обєктом є атом та його будова.

Предметом - дослідження будови атома.

Завданнями курсової роботи є :

.Проаналізувати літературні джерела з теми дослідження;

2.Описати винаходи, що сприяли формулюванню гіпотези про складну будову атому;

.Розглянути основні моделі, які розкривають складну будову атома та межі їх застосувань.


РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА


.1 Відкриття субатомних частинок


Електрон був першою субатомною частинкою, що була відкрита. Сам термін «електрон» запровадив у 1894 році Джордж Джонстоун Стоуні. Він вперше сформулював ідею про те, що природа складається із заряджених частинок ще в 1874 році.

Експериментально відкрити електрон вдалося у 1897 році Джозефу Джону Томсону в експериментах з катодними променями у вакуумних лампах. Вчений першим довів, що проміння складається з заряджених часток та визначив відношення заряду частки до її маси. Визначена Томсоном маса була в тисячі разів меншою, ніж маса атома водню, що свідчило про те, що електрон є субатомною частинкою.

В 1927 році Девісон і Джермер, а також незалежно від них Томсон, продемонстрували явище дифракції електронів, довівши, що електрон має як корпускулярні, так і хвильові властивості.

Отже, електрон - це стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Він має негативний електричний заряд (е = ?1,6021892(46)×10-19 Кл) і масу ( me = 9,109554(906)×10?31 кг).[13,c.13]

Протон був відкритий Е. Резерфордом у 1919 році за допомогою експерементальної установки, схема якої показана на мал. 1. У герметичній посудині Э знаходилося джерело альфа - частинок К, перед джерелом розміщувався прозорий екран Ф, покритий сульфідом цинку. Коли із посудини відкачували повітря, альфа - частинки досягали екрана і спричиняли спалахи. Ці спалахи спостерігали за допомогою мікроскопа М.

Дослід Резерфорда


Якщо посудину заповнювати Нітрогеном, то альфа - частинки всю свою кінетичну енергію витрачають на іонізацію і збудження атомів Нітрогену і не можуть досягати екрана. Але рідкісні спалахи все ж спостерігались, отже, під час взаємодії альфа - частинки з атомами Нітрогену зявилися якісь заряджені частинки, які й викликали спалахи у кристалі сульфіду цинку. Досліджуючи дію електричних та магнітних полів на частинки, що вибивались із ядер Нітрогену, встановили, що ці частинки володіють позитивним елементарним зарядом е = 1,6×10-19 Кл. Їх назвали протонами. Потім була визначена і його маса. Вона дорівнює mр = 1,67×10?29 кг = 1,0072276 а. о. м.

У 1930 році німецькі фізики В. Ботте і Г. Беккер обстрілювали альфа - частинками ядра атомів Берилію і одержали випромінювання невідомої природи, яке було здатне проходити через товсті шари свинцю з меншим послабленням, ніж рентгенівські промені. Спочатку вважали, що це випромінювання є ? - променями.

У 1932 році англійський фізик - експериментатор Д. Чедвік, співробітник Е. Резерфорда, виконав досліди з вивчення властивостей випромінювання, яке виникає під час опромінення Берилію альфа - частинками, і, застосувавши до реакції закони збереження енергії та імпульсу, встановив, що це випромінювання є потоком нейтральних частинок з масою, яка приблизно дорівнює масі протона. Це і були нейтрони, які ще за 12 років до цього передбачив Е. Резерфорд. Досліди Д. Чедвіка і є експериментальним доказом існування нейтронів. Сучасні виміри показали, що маса вільного нейтрона дорівнює mп = 1,67×10?27 кг = 1,0086649 а. о. м.

Атомне ядро складається із протонів і нейтронів. Оболонкову протонно - нейтронну модель ядра запропонували незалежно один від одного радянський вчений Д. Д. Іваненко і німецький вчений В. Гейзенберг у 1932 році, коли був відкритий нейтрон. Згідно з їхньою ідеєю протони і нейтрони ( ще їх називають нуклонами) розміщуються в ядрі певними групами і утворюють ядерні оболонки. Число протонів у ядрі дорівнює зарядовому числу Z. Тому зарядове число Z ще називають протонним числом. А загальне число нуклонів (протонів і нейтронів) дорівнює масовому числу:


(1)


де N - число нейтронів.

Таким чином, протони, як і електрони, існують в природі у вільному стані, наприклад у космічних променях. Нейрони відсутні у природі у вільному стані. Їх немає ні в повітрі, ні в земних породах. Причиною відсутності в природі значної кількості вільних нейтронів є їхня нестабільність. Нейтрон, який звільнився з атомного ядра, через декілька хвилин самочинно розпадається на протон, електрон і електронне нейтрино.[14, c.12]

Однією з основних проблем в ядерній фізиці 20-30-х років ХХ століття була проблема бета-розпаду: спектр електронів, що утворюються при ?-розпаді, виміряний англійським фізиком Джеймсом Чедвіком ще в 1914 р. має неперервний характер, тобто, з ядра вилітають електрони самих різних енергій.

Розвиток квантової механіки призвів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення було висловлене австрійським фізиком Лізою Мейтнер у 1922. Тобто, спектр частинок, що вилітають при розпаді ядра повинен бути дискретним, і показувати енергії, рівні різницям енергій рівнів, між якими при розпаді відбувається перехід. Таким, наприклад, є спектр альфа - частинок при альфа - розпаді.

Таким чином, неперервність спектру електронів ?-розпаду ставила під сумнів закон збереження енергії. Аналізуючи його, у 1931 - 1933 рр. В. Паулі передбачив існування нейтральної частинки, маса спокою якої дорівнює нулю. Цю частинку було названо нейтрино.[6, c.90]

Відкриття на рубежі ХІХ-ХХ ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини і встановлення того факту, що молекули побудовані із атомів, дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових - атомів. Виявлення в подальшому наявності складових атомів - електронів і ядер, встановлення їх складної природи, які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів), дало можливість передбачити, що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями - елементарними частинками, або же іноді називають - «субатомними частинками». До тих пір, поки їхня кількість була не дуже велика, існувала думка, що вони відіграють фундаментальну роль в будові речовини, тому їх відносили до елементарних частинок . Зростання кількості субатомних частинок, виявлення у багатьох із них складної будови показало, що вони, як правило, не мають властивості елементарності, але традиційна назва «елементарні частинки» за ними все ж таки збереглась.


.2 Рентгенівські промені.


Новий період у розвитку питання про будову речовини почався з відкриття німецьким фізиком В. Рентгеном так званих х- променів.

Свій дослід вчений проводив з катодними променями, тобто потоками електронів. Випадково він помітив, що кристали, розташовані поруч з повністю захищеним апаратом для вивчення катодних променів, почали світитись. Унеможлививши вплив інших джерел і переконавшись у тому, що апарат є дійсно захищеним, Рентген дійшов висновку, що кристали були «збуджені» новим типом випромінювання, загадковими променями, які виходять саме з апарату. Щоб підкреслити їх невідоме походження, він назвав їх саме х- променями.

Так у 1895 - 1898рр. вчений опублікував три повідомлення під назвою «Про новий вид променів», в яких дав вичерпний опис їх властивостей, зокрема показав, що рентгенівські промені викликають фотографічну дію, іонізують повітря; відкрив закони поглинання цих променів і звязок поглинання з густиною, дав оцінку жорсткості - проникної здатності залежно від поглинання і т. д.

В 1912 р. німецький фізик М. Лауе вперше висловив припущення про наявність у рентгенівських променів хвильових властивостей і висловив думку про можливість їх інтерференції та дифракції в просторовій решітці кристала. Досліди, здійснені в тому ж році німецьким фізиком В. Фрідріхом і П. Кніппінгом блискуче підтвердили це бачення М. Лауе, чим і була доведена хвильова природа рентгенівських променів. Вони мають таку саму фізичну природу, як і видиме або ультрафіолетове проміння. Тобто може одночасно проявляти як хвильові, так і корпускулярні властивості. Відмінність лише в тому, що рентгенівське проміння характеризується дуже короткими довжинами хвиль (? - 10 - 10-2нм). Установлено такі межі для нього умовно. Реально відбувається неперервний перехід від видимого, ультрафіолетового до рентгенівського і ?- випромінювання, хоч механізм виникнення кожного з них, взагалі кажучи, інший.[7, c.153]

Рентгенівські промені володіють сильною проникною здатністю і можуть викликати почорніння фотографічної пластинки і світіння деяких речовин. Майже одразу після їх відкриття Рентгену вдалося зробити знімок скелету руки своєї дружини, з обручкою на безіменному пальці (мал.1.2). [13, c.14]

Велику роль вони відіграють у надаванні біохімічної дії на живі клітини. Всі ці властивості х- променів використовуються у науці та техніці для просвічування непрозорих предметів з метою виявлення дефектів в них аж до сталевих злитків в декілька десятків сантиметрів товщиною, для просвічування хворих, лікуванні злоякісних пухлин, для дослідження хімічного складу речовини, стимулюванню росту рослин, боротьби з шкідниками сільського господарства тощо.[9, c.255]

Таким чином, рентгенівське проміння відіграє важливу роль у вивченні будови і властивостей атома. Так, його спектри дають змогу точно визначити атомні номери елементів, тобто визначити заряди їхніх ядер. За допомогою рентгенівського випромінювання вдалося найбільш точно оцінити величину сталої Авогардо та сприяти точному вивченню заряду і маси електрона.

Серед українських учених, що сягнули вершин європейської і світової науки, одне з почесних місць належить Іванові Пулюєві. Своєю науковою і технічною діяльністю він заслужив широке міжнародне визнання, але залишився майже невідомим в Україні, для кращого майбутнього якої невтомно працював далеко поза її межами протягом всього життя.

В січні 1896 р., тобто відразу після перших повідомлень (грудень 1895 р.) про відкриття Рентгеном Х - променів, Пулюй відновив свої дослідження з газорозрядними приладами з метою вивчення властивостей нових променів та можливостей їх застосування. Це відкриття мало епохальне значення для становлення сучасної фізики і, крім того, стало сенсацією для широкої громадськості - адже воно вперше дало змогу «бачити» предмети за непрозорими для видимого світла стінками і створило принципово нові можливості в медицині.

Першим завданням Пулюя була перевірка гіпотези Рентгена щодо місця виникнення Х - променів та їх просторового розподілу. Провівши спеціальні досліди, він підтвердив висновок Рентгена про те, що х - промені утворюються у тих місцях стінок газорозрядних трубок, куди попадають катодні промені . Реєстрував Пулюй нові промені, спостерігаючи викликану ним фосфоресценцію, або фотографічним методом. Особливого успіху досяг він у виготовленні рентгенограм, якість яких завдяки великій інтенсивності Х - променів була набагато кращою від рентгенових, а тривалість експозиції різко зменшилася. Це дозволило йому виготовити низку знімків окремих частин тіла і навіть цілого скелету мертвонародженої дитини, встановити різноманітні патологічні зміни в тілах пацієнтів і тим самим підняти на радикально новий рівень не тільки хірургію (наприклад, встановити точне положення чужорідних предметів у тілі), але й діагностику різних захворювань.[5, c.9]

Пулюєві належать такі нові (у порівнянні з Рентгеном) результати:

.Провів більш докладне дослідження просторового розподілу Х - променів та зробив строге експериментальне доведення їх утворення у твердих тілах під час бомбардування їх катодними променями, тобто негативно зарядженими частинками.

2.Виявив іонізаційну здатність Х - променів.

.Пояснив близько до сучасних уявлень мікроскопічний механізм утворення Х - променів та їх фізичну природу.

.Використав сконструйовану ще 14 роками раніше свою фосфоресцентну лампу як джерело нових променів, що дозволило одержати найкращі на той час результати щодо їх застосування до «просвічування» непрозорих обєктів та отримання фотографій із зображенням їх внутрішньої структури.

.Запропонував, вперше у світовій практиці, в конструкції своєї лампи антикатод, обовязковий електрод різних типів сучасних рентгенівських трубок, бомбардування якого катодними променями приводило до утворення слаборозбіжної вязки рентгенівських променів великої інтенсивності.

.Сформував відповідні висновки щодо перспективи використання Х - променів у медицині.

Великі заслуги Пулюя в дослідженні та практичному використанні самих Х - променів, і це дає підстави вважати його співзасновником рентгенології у широкому сенсі цього поняття - як наука про невидимі Х - промені, їхню природу і сфери застосування. Він домігся найвищої на той час якості Х - променевих фотографій, опублікованих у європейській пресі. А виконана у США одним з Пулюєвих електровакуумних апаратів рентгенограма вперше у світі зафіксувала перелом людської кінцівки.[2, c.45]

У 2005 р. виповнилося 160 років від дня народження видатного вченого та громадського діяча Івана Пулюя. За часів радянської влади його ім'я замовчувалося. Втім, хоча зараз він і повертається до рідної країни, багато наших співвітчизників навіть не уявляють, наскільки вагомою була його постать наприкінці XIX - на початку XX століття. На відміну від нас світова наукова громада вже давно знає Івана Пулюя як теоретика й експериментатора, автора багатьох оригінальних наукових праць та винаходів, фахівця зі спорудження електростанцій, а також як знавця стародавніх мов.


.3 Радіоактивність


Відкриття В. Рентгена спонукало фізиків зайнятися пошуками нових видів випромінювання. Саме шукаючи такі нові види випромінювання в люмінесціюючих тілах, французький фізик А. Беккерель відкрив у 1896 р. явище радіоактивності. Він експериментально встановив, що солі урану діють на фотоплівку навіть у тому випадку,коли вони попередньо не опромінювалися світлом. А це означало, що випромінювання викликається не люмінесценцією, а що його джерелом є сам уран.

Пізніше, за пропозицією Марії Складовської - Кюрі, цю властивість атомів урану й інших речовин випускати випромінювання було названо радіоактивністю. Тобто, під радіоактивністю слід розуміти самовільне (спонтанне) перетворення одних атомних ядер у інші, яке супроводжується випусканням елементарних частинок. Таких перетворень зазнають тільки не стабільні ядра. Радіоактивність, яка спостерігається в ядер у природних умовах, називають природною. Радіоактивність ядер,утворених за допомогою ядерних реакцій, називають штучною. Між штучною і природною радіоактивністю немає принципової відмінності.

Відкриття радіоактивності поставило питання: чи тільки уран має таку властивість, чи немає інших радіоактивних елементів? Першу відповідь на це питання дали дослідження М. Складовської - Кюрі і П. Кюрі.

Уже в липневому випуску доповідей Паризької академії наук 1898 р. - через шість місяців після початку досліджень явища радіоактивності - зявилась стаття «Про нову радіоактивну речовину», в якій подружжя Кюрі повідомило про відкриття нового елемента - полонію, радіоактивність якого була більшою від радіоактивності урану приблизно в 400 разів, а в грудні 1898 р. в статті «Про нову сильну радіоактивну речовину,яка є в урановій смоляній руді» - про відкриття третього радіоактивного елемента - радію, активність якого була незмірно більшою від активності урану та полонію.

Явище радіоактивності привернуло до себе увагу дослідників багатьох країн . І одним з перших питань було те, що являють собою радіоактивні промені, яка їх природа. Першу відповідь на це питання дав англійський фізик Е. Резерфорд, який в 1899 р. встановив, що радіоактивне випромінювання неоднорідне і складається з двох компонентів з різною проникною здатністю.

Промені з малою проникною здатністю були названі Е. Резерфордом ?-променями, а промені з більшою проникною здатністю - ? - променями.

В 1900 р. французький фізик П. Віллард виявив третій компонент радіоактивного випромінювання, який дістав назву ? - променів. Гамма - промені відзначаються великою проникною здатністю.

В тому ж 1900 р. Е. Резерфорд встановив, що ? - промені позитивно заряджені, відхиляються в магнітному полі, а в 1902 р. після обчислення заряду ? - частинок і дослідження відхилення їх в електричному полі Е. Резерфорд прийшов до думки, що ? - частинки - це іонізовані ядра гелію. Одночасно було встановлено сильне відхилення в магнітному полі ? - частинок, що свідчило про їх незначну масу порівняно з ?- частинками.

Після відкриття радіоактивного випромінювання Е. Резерфорд разом зі своїм співробітником англійським фізиком Ф. Содді у працях «Причина і природа радіоактивності» (1902), «Порівняльне вивчення радіоактивності радію і торію» (1903), «Радіоактивне перетворення» (1903) та інших запропонували теорію радіоактивного розпаду, згідно з якою радіоактивність є наслідком самовільного перетворення елементів, що супроводжується випромінюванням, енергія якого береться з самого атома. Ними був знайдений закон спонтанного радіоактивного розпаду, який аналітично записують так:


(2)


де N0 - вихідна кількість атомів радіоактивного елемента в момент t =0,

? - стала радіоактивного розпаду, N - кількість атомів у тому самому обємі, які розпадаються за час t. [7, c.156]

Іншими словами, відносна кількість радіоактивної речовини, що перетворюється в одиницю часу, є величина стала. Резерфорд і Содді назвали її радіоактивною сталою і висловили думку, що всякий радіоактивний процес є перетворення елементів. На основі цих робіт вони прийшли до двох фундаментальних висновків. По - перше, передбачили існування нових радіоактивних елементів, які можуть бути виявлені за їх радіоактивністю, навіть якщо вони є в нескінченно малих кількостях. Це передбачення Резерфорда і Содді блискуче виправдалось, а розроблені ними і подружжям М. Складовською - Кюрі та П. Кюрі методи радіохімії стали могутнім знаряддям у відкритті нових елементів. По - друге, Резерфорд і Содді вперше підрахували енергію ? - частинок,випромінюваних радієм, і прийшли до висновку, що вона в мільйони разів перевищує енергію будь - якого молекулярного перетворення.[8, c.178]

Таким чином, важливі відкриття В. Рентгена і А. Беккереля, фундаментальні дослідження явища радіоактивності, виконані подружжям Кюрі, сформульована Е. Резерфордом і Ф. Содді теорія радіоактивного розпаду, поряд з іншими відкриттями у фізиці кінця ХІХ - початку ХХ ст., зробили революційний переворот в уявленнях про атом. Атом став розглядатись як досить складне утворення, здатне до змін і перетворень. І перед фізикою постало нове важливе завдання - зясувати внутрішню структуру атома.


РОЗДІЛ 2. ЕВОЛЮЦІЯ НАУКОВОЇ ДУМКИ ЩОДО БУДОВИ АТОМА


.1 Перша модель атома Дж. Дж. Томсона


На початку ХХ ст. було запропоновано кілька різних схем внутрішньої структури атома. Зокрема, у 1903 році Джозеф Джон Томсон запропонував одну з перших моделей. Згідно з якою атом уявляли як рівномірно заповнену позитивною електрикою кулю, де всередині «вкраплено» електрони (мал.2.1).

Загальний позитивний заряд цієї кулі повинен дорівнювати заряду всіх електронів, тому атом в цілому електрично нейтральний.

В своїй праці «Корпускулярна теорія речовини» (1907 р.) Дж. Томсон не тільки пояснив умови рівноваги електронів всередині позитивно зарядженої кулі і випромінювання ними променевої енергії, а й дав у першому наближенні деякі пояснення періодичним закономірностям, тобто здійснив реальну спробу знайти фізичне пояснення хімічним властивостям атомів і періодичному закону Д. І. Менделєєва. Разом з тим модель Дж. Томсона виявилася цілком безпорадною при поясненні закономірностей у спектрах елементів. Вона не могла пояснити найпростішу з них - формулу Бальмера для водню.

У 1885 р. швейцарський учений І. Бальмер (1825 - 1898) емпірично одержав формулу, що встановлювала певний звязок ліній в лінійчастому спектрі водню. Ця формула мала вигляд:


(3)


де ? - частота; R - стала Рідберга; n - ряд цілих чисел (n = 3,4,5,6,…). Пізніше було показано, що подібні серії існують у спектрах інших елементів.[7, c.158]

Модель Томсона мала дещо штучний характер і була недосконалою:

1.Структура атома вважалася статичною, його частинки - нерухомими, що суперечить рухові, як формі існування матерії.

2.Позитивним і негативним зарядам приписувалася різна природа:негативні існували у вигляді окремих частинок - електронів; позитивні розподілялися в межах набагато більших обємів зі сталою густиною.

.Залишався незрозумілим і той факт, що позитивні заряди не розлітаються під дією кулонівського відштовхування.

Проте, незважаючи на ці недоліки, протягом 10 років модель Томсона мала загальне визнання.[11, c.14]

У 1903 р. В. Кельвін і Х. Нагаока висунули ідею про планетарну модель атома, вважаючи, що позитивний заряд розміщений у центрі атома, а навколо нього знаходяться електрони.

Питання про те, яка модель відповідає дійсності, могло бути розвязане тільки експериментально. Незабаром виявилося, що нові досліди спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі. Ці факти були відкриті Резерфордом. У першу чергу слід зазначити відкриття ядерної будови атома.[3, c.97]

Таким чином, не зважаючи на те, що вже невдовзі була виявлена обмеженість моделі Томсона, з неї був запозичений цілий ряд ідей, і перш за все ідея про шарувате розміщення електронів у атомі і пояснення на її основі періодичної системи хімічних елементів.


.2 Планетарна модель Резерфорда


Е. Резерфорд народився в Новій Зеландії 1871р. в двадцять сім років став професором фізики в Університеті Мак - Гілла в Монреалі. В 1907р. Резерфорд переїхав до Англії. В 1908 р. ним отримана Нобелівська премія за дослідження радіоактивності. В 1914 р. за англійським звичаєм був посвячений в рицарі, а в 1931 р. отримав звання пера. Помер в 1937 р. Резерфорд, без сумніву, є одним з видатніших вчених ХХ ст.[10, c.38]

Вперше ядерна модель атома була запропонована Е. Резерфордом у 1911 році в результаті дослідів, які виконав він і його співробітники з розсіювання швидких альфа - частинок при їх проходженні через тонкі шари речовини. Було встановлено, що альфа - частинки (вони мають позитивний заряд і досить велику масу) проникають через тонкі металеві пластинки майже без відхилення. Разом з тим невелика їх кількість зазнавала відхилень на значно більші кути, а окремі альфа - частинки (в середньому одна із 8000) розсіювалася у напрямі, протилежному початковому руху.

Вчений припустив, що розсіювання цих частинок на великі кути пояснюється тим, що позитивний заряд не розподілений рівномірно в атомі радіусом 10-10 м, як це вважалося в моделі Томсона, а зосереджений у центральній частині атома в області значно менших розмірів, тобто у ядрі.

Розрахунки Резерфорда показали, що радіус ядра повинен дорівнювати приблизно 10-15 м, тобто бути в 105 разів меншим за радіусом атома.

Якщо альфа - частинка пролітає далеко від атомного ядра, то кулонівська сила між ядром і частинкою дуже мала, і альфа - частинки майже не відхиляються від прямолінійної траєкторії руху. Якщо частинка пролітає дедалі ближче до ядра, то за рахунок зростання напруженості електричного поля, яке створює ядро, частинки розсіюються на дедалі більші кути. Оскільки розміри ядра порівняно з розмірами атома малі, то таке розсіювання відбувається дуже рідко. Якщо альфа - частинки стикаються з електронами атома, то практично не розсіюються, оскільки їхня маса приблизно в 8000 разів більша за масу електрона.

На основі результатів експерименту Е.Резерфорд запропонував таку модель будови атома: усередині атома міститься позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони. [14, c.5]

У ядрі зосереджена практично вся маса атома. Позитивний заряд дорівнює чисельно загальному негативному заряду електронів, тому атом загалом є електронейтральний. Так, заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що він збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва.[12, c.258]

Будова атома, за Резерфордом, на перший погляд, схожа на будову Сонячної системи, в якій сили взаємного притягання планет замінені кулонівською взаємодією електронів і ядра. У звязку з цією аналогією вона дістала назву планетарної.

Проте ця подібність уявна:

.На противагу планетам, електрони відштовхуються один від одного.

2.Внутрішні електрони послаблюють вплив ядра на зовнішні електрони; вони ,як кажуть, екранують ядро.

.На противагу планетам, маси електронів і їх електричні заряди тотожні.

.Атомам, на відміну від планетарних систем, властива виняткова стабільність.[11, c.16]

Таким чином, у 1911 р. було встановлено, що будь - який атом складається із ядра і оточуючих його електронів. Цей рік можна вважати роком народження ядерної фізики, головним завданням якої є вивчення структури атомних ядер, процесів радіоактивного розпаду і механізмів ядерних реакцій.


.3 Атом Бора


Ядерну модель атома Е. Резерфорда доповнив у 1913 р. датський фізик Н. Бор (1885 - 1962), який на основні ідеї М. Планка про кванти енергії встановив відомі постулати, які визначали основні властивості електронної оболонки атома і лягли в основу квантової теорії будови атома. [7, c.159]

Постулати Бора:

1. Атом може знаходитися не у всіх станах, які допускає класична механіка, а тільки в деяких вибраних (квантових) станах, які характеризуються певними дискретними значеннями енергії Е1,Е2,Е3,… У цих станах, усупереч класичній електродинаміці, атом не випромінює світло. Тому вони називаються стаціонарними станами. Інакше цей постулат можна сформулювати так: електрони можуть рухатися в атомі тільки по цілком певних орбітах, перебуваючи на яких, вони не випромінюють і не поглинають енергії, хоча їхні рухи при цьому прискорені.

Ці орбіти відповідають стаціонарним станам електронів в атомі, і їх знаходять за формулою:



де mvr - момент кількості руху електрона по орбіті, n - номер відповідної орбіти, - стала Планка. Цю формулу називають правилом квантування орбіт.

2.Під час переходу із стаціонарного стану з більшою енергією Еn у стаціонарний стан з меншою енергією Еm відбувається випромінювання фотона з енергією


(5)


На основі другого постулату Бора знаходять частоту світла , що в цьому разі випромінюється.


(6)


де k=n+1, n+2,…

Таким чином, теорія Бора дала можливість зясувати фізичний зміст квантових чисел та виникнення спектральних серій. У останній формулі квантове число n визначає рівень, на який переходить атом, а квантове число k- рівень з якого він переходить. Тоді спектральні серії можна пояснити як переходи між рівнями атома водню.[9, c.302]


Спектральні лінії та електронні рівні


Розвиваючи ядерну теорію, Бор прийшов до думки, що складна структура лінійчатих спектрів обумовлена коливаннями електронів, що відбуваються усередині атомів. По теорії Резерфорда, кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила притягання ядра врівноважується центробіжною силою, що виникає при обертанні електрона. Обертання електрона зовсім аналогічно його швидким коливанням і повинне викликати випромінення електромагнітних хвиль. Тому можна припустити електрон, що повертається випромінює світло визначеної довжини хвилі, що залежить від частоти обертання електрона по орбіті. Але, випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії, в наслідок чого порушується рівновага між ним і ядром; для відновлення рівноваги електрон повинний поступово пересуватися ближче до ядра, причому так само поступово буде змінюватися частота обертання електрона і характер світла, що випускається їм. Зрештою, вичерпавши всю енергію, електрон повинний "упасти" на ядро, і випромінювання світла припиниться. Якби насправді відбувалася така безупинна зміна руху електрона, то і спектр виходив би завжди безупинний, а не з променями визначеної довжини хвилі. Крім того, "падіння" електрона на ядро означало б руйнування атома і припинення його існування. Таким чином, теорія Резерфорда була неспроможна пояснити не тільки закономірності в розподілі ліній спектра, ні саме існування лінійчатих спектрів.[8, c.193]


Модель атома Бора


У 1913 р. Н. Бор запропонував теоретичне пояснення моделі атома Резерфорда, засноване на відмові від ряду класичних уявлень, насамперед, на відмові від ствердження про безперервність класичних величин типу енергії і моменту імпульсу. Цим Бор заклав основи квантової теорії. Надалі багато в чому непослідовна модель Бора була замінена строгими законами квантової механіки.[4, c.48]

Та все ж, основним недоліком теорії Бора є її непослідовність, внутрішнє логічне протиріччя, тому що в ній одночасно користуються класичними і квантовими уявленнями, які суперечать одне одному, і немає єдиного підходу до всіх явищ мікросвіту. Ці прогалини було усунено квантовою механікою, яка не тільки детально зясувала будову атома водню, але й з успіхом застосовується для описання багатоелектронних атомів, молекул тощо.


.4 Квантово-механічна модель

атом модель рентгенівський радіоактивність

Квантово-механічна теорія будови атома складалася поступово. Робилися нові відкриття, удосконалювався математичний апарат і, відповідно, викристалізовувалася модель атома.

Електрони, як елементарні частинки, виявляють корпускулярно-хвильовий дуалізм. Вони є частинками і виявляють хвильові властивості.

Рух електрона, як частинки має характеризуватися, з одного боку, траєкторією, тобто координатами і, з іншого боку, швидкістю в даний момент часу. Проте в русі електрони проявляють хвильові властивості. Цей процес відбувається в обсязі тривимірного простору і розвивається в часі, як періодичний процес. Характеристикою хвилі є довжина хвилі, її частота, швидкість руху і амплітуда з певним знаком.

Отже, електронний потік характеризується довжиною хвилі. Оцінити її можна за допомогою рівняння Луї де Бройля (1924р):


(7)


де, - стала Планка, m-маса електрона, - швидкість електрона.

Можна сказати, що рівняння де Бройля об'єднує характеристику хвильового процесу і корпускулярного руху. Їх хвильова природа підтверджена експериментально отриманою картиною інтерференції та дифракції електронів.[15, c.33]

Оскільки електрон володіє хвильовими властивостями, то його рух не може бути описаним певною траєкторією. Траєкторія «розмивається», виникає область невизначеності, в межах якої і знаходиться електрон.

У зв'язку з цим, для електрона, як мікрочастинки, застосується співвідношення невизначеності Гейзенберга (1927 р), який свідчить, що в будь-який момент часу неможливо одночасно точно визначити і положення електрона в просторі (його координату) і його швидкість(імпульс),мінімальна можлива неточність дорівнює h.


(8)


Тут ?px-невизначеність в величиною імпульсу, а ?x - невизначеність у положенні частинки в просторі, - стала Планка.

З цього випливає, що чим точніше фіксована координата, тобто чим менше ?x, тим більша невизначеність імпульсу ?px і, навпаки, чим точніше визначено імпульс, тим більша невизначеність координати.

Співвідношення невизначеностей відображає суть явищ мікросвіту, воно є одним із основних положень квантової механіки, обєктивним законом природи. Отже, принцип Гейзенберга має обєктивний зміст і не повязаний із запереченням пізнання. Його суть полягає у своєрідному вираженні якісно нової природи мікрочастинок, які обєктивно не мають точних координат і імпульсів.[9, c.282]

Так, як електронам властиві хвильові властивості і вони володіють невизначеністю положення в просторі, їх рух характеризується при допомогою хвильової функції став зрозумілим після того, як зясувалось, що в інтерференції мікрочастинок проявляють властивості окремої частинки, а не їх системи. Про це свідчить незалежність інтерференційної картини від інтенсивності пучка частинок. Тобто, рух будь - якої окремої мікрочастинки підпорядковується статистичним закономірностям.

Значення хвильової функції знаходять при вирішенні хвильового рівняння Шредінгера. Для стаціонарних станів рівняння має вигляд:


(8)


де, Е-повна енергія частинки, U(r) - потенціальна енергія, - хвильова функція. Хвильова функція, що отримується при вирішенні рівняння Шредінгера, може мати ряд значень. Ці значення залежать від квантових параметрів n, l, me, названих квантовими числами.[3, c.137]

Квантові числа

Оскільки теорія Бора виявилася недостатньою для розрахунків будови багатоспектральних атомів і пояснення структури їх спектрів, а також зясування природи валентності та інших хімічних властивостей атомів, то довелось обґрунтовувати ряд ускладнень теорії, які дещо позбавили її попередньої модельної наочності. Проте найістотніший елемент теорії Бора - наявність дискретних енергетичних рівнів у атомі - зберігся. Зясувалось також те, що, крім енергії, квантуванню підлягають ще ряд величин, які визначають стан електрона в атомі. Умовились квантові стани електронів у атомах символічно позначати рядом квантових чисел.

Число n (номер рівня енергії) назвали головним квантовим числом. Від нього, в основному, залежить енергія електрона в атомі. Воно набуває тільки цілочислових значень від 1 до ?. У теорії Бора воно визначає радіус орбіти електрона в атомі. А також, головне квантове число визначає енергію в електроні атома водню:


(9)

Проте в подальшому зясувалось, що для описання поведінки електрона в атомі одного квантового числа n не досить. Було введено ще два квантових числа: l і m.

Орбітальне квантове число l визначає орбітальний момент кількості руху електрона, і може набувати тільки цілочислових значень від 0 до n-1, де n - головне квантове число. За теорією Бора l визначало також ексцентриситет еліптичної орбіти. В уточненій теорії Бора значення l = 0 виключалось, тому що воно означало проходження електрона через ядро атома. Числові значення квантового числа l часто позначають відповідно 0-s, 1-p,2-d,4-q,5-h, де число визначає головне квантове число, а буква - орбітальне квантове число. Орбітальне квантове число визначає момент імпульсу електрона у вакуумі:


(10)


Магнітне квантове число mL входить до виразів для визначення величини проекцій орбітального механічного і магнітного моментів електрона на заданий напрям. У теорії Бора mL визначало орієнтування електронної оболонки в просторі. Магнітне квантове число mL може набувати тільки цілочислових відємних і додатніх значень від - l до +l, включаючи 0. Воно визначає проекцію моменту імпульсу на заданий напрям у просторі:


(11)


де m - проекція відстані на вісь в одиницях .[15, c.20]

Енергія електрона а атомі водню залежить тільки від головного квантового числа n і не залежить від l і m. У випадку заданого значення n квантове число l може набирати n різних значень, а кожному значенню l відповідає 2l+1різних значень квантового числа m. З цього випливає, що одному енергетичному рівню з квантовим числом n відповідає декілька наборів значень l і m. Кількість таких наборів знаходимо за допомогою виразу:



Тобто, атом матиме те саме значення енергії, але перебуватиме у кількох різних станах. Стани з однаковими значеннями енергії називається виродженими, а їх кількість називають кратністю виродження.[9, c.306]

При аналізі спектрів лужних металів за допомогою спектральних приладів високої розподільної здатності виявилось, що кожна з випромінених ліній розщеплюється на дві лінії, тобто є дублетом. Для описання дублетної структури спектрів стало недостатньо трьох квантових чисел n, l, m. Виникла необхідність введення четвертого квантового числа. Це послужило основним мотивом Дж. Уленбеку та С. Гаудсміту для висунення гіпотези про спін електрона. Суть цієї гіпотези полягає в тому, що в електрона є не тільки момент імпульсу і магнітний момент, які зумовлені рухом цієї частинки як цілого. Електрон має також власний, або внутрішній, механічний момент імпульсу, який називається спіном. Наявність спіна в мікрочастинці означає, що деякою мірою вона подібна до маленької дзиґи.

Наявність в електронах власного магнітного моменту, а отже, і спіна підтверджують досліди Штерна і Герлаха при спостереженні розщеплення вузького пучка атомів срібла на два пучка під дією неоднорідного магнітного поля.

Таким чином, крім трьох квантових чисел n, l, m, які характеризують стан електрона в атомі, вводиться четверте квантове число ms =±1/2, яке має тільки два значення. Власний момент імпульсу електрона визначається співвідношенням:


(13)


Таким чином, енергетичний рівень електрона в атомі визначається чотирма характеристиками: оболонкою, підоболонкою, орбіталлю та спіном. Кожній з цих характеристик відповідає певне квантове число. Кожен електрон має свій індивідуальний набір квантових чисел, яким він відрізняється від інших електронів даного атома.[3, c.150]

Орбіталі

Відповідно до сучасних уявлень електрон має хвильові властивості. Для опису його поведінки використовують хвильову функцію ?(x,y,z). Квадрат модуля цієї функції характеризує імовірність знаходження електрона у заданій точці. Область простору, у якій висока імовірність знаходження електрона (не менш 0.95), називають орбіталлю.[4, c.54]

Основні типи орбіталей позначають буквами s, p, d, f (від слів sharp, principal, diffuse, fundamental). Вид двох основних типів орбіталей s (вона одна), p (їх три), по яких розмазаний електронний заряд.

Орбіталі часто називають підоболонками оболонок, оскільки вони характеризують форми різних орбіт, на яких можна знайти електрони, що знаходяться в одній оболонці. Кожна підоболонка характеризується своїм, побічним квантовим числом l (його називають орбітальним) Орбіталі однієї підоболонки в звичайних умовах мають однакові значення енергії (вироджені), однак під впливом зовнішнього магнітного поля орбітальні енергії стають дискретними чи квантованими.


Основні типи орбіталей


Кожен електрон в атомі повинний мати свій індивідуальний набір квантових чисел. Знаючи головне квантове число n, легко розрахувати, скільки електронів може знаходитися на тій чи іншій оболонці й оцінити форму можливих орбіталей.

При утворенні молекул і кристалів з атомів, на зовнішній (валентній) оболонці яких маються як s так і p електрони, можливе змішування (інтерференція) їхній орбіталей і утворення "гібридних" sp орбіталей. Форма гібридної орбіталі залежить від того, скільки p орбіталей бере участь у її утворенні.[3, c.143]

При гібридизації s- і p-орбіталей, розрізняють такі основні типи:


Чотири sp3 орбіталі


·sp3-гібридизація

Відбувається при змішуванні однієї s- і трьох p-орбіталей. Виникає чотири однакові орбіталі, розташовані одна щодо іншої під кутами тетраедрів 109°28. Прикладом sp³ - гібридизацї є молекула метану, або кристалічна ґратка типу алмазу (кремній, германій, арсенід галію).


Три sp2 орбіталі


·sp2-гібридизація

Відбувається при змішуванні однієї s- і двох p-орбіталей. Утворюється три гібридні орбіталі з осями, розташованими в одній площині і направленими до вершин трикутника під кутом 120 градусів. Негібридна p-атомна орбіталь перпендикулярна площині і, як правило, бере участь в утворенні ?-зв'язків. Прикладом sp²-гібридизації є молекула бензолу, ненасичені полімери, графіт.

·sp-гібридизація

Відбувається при змішуванні однієї s- і однієї p-орбіталей. Утворюється дві рівноцінні sp-атомні орбіталі, розташовані лінійно під кутом 180 градусів і направлені в різні боки від ядра атома. Дві решту негібридні p-орбіталі розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах. sp-гібридизація утворюється в насичених полімерах.[1]

Ці основні типи гібридизації є лише наближеним якісним уявленням. Для конкретної молекули чи конкретного кристала співвідношення між атомними орбіталями в складі молекулярних орбіталей та кути між хімічними зв'язками визначаються конкретними квантово-хімічними розрахунками та симетрією хімічних структур.


ВИСНОВКИ


Найважливішою подією у розвитку атомної фізики було відкриття електрона та радіоактивності. Англійський фізик Томсон запропонував модель атома у вигляді позитивно зарядженої по всьому об'єму сфери усередині якої вкраплені електрони. Пізніше ідея Томсона розділити електрони в атомі на групи призвела до появи теорії атомних орбіталей. Однак пізніші відкриття змусили відмовитися від теорії Томсона на користь планетарної моделі атома. Резерфорд запропонував свою схему будови атома: у центрі атома знаходиться позитивне ядро, навколо якого по різних орбіталіях обертаються негативні електрони. Доцентрові сили, що виникають при їхньому обертанні утримують їх на своїх орбіталях і не дають їм відокремитись. Ця модель атома легко пояснює явище відхилення - часток, якщо відомо що розміри ядра й електронів дуже малі в порівнянні з розмірами всього атома. Теорія Бора зробила величезний вклад в розвиток сучасного уявлення про будову атома, підійшовши, з одного боку, до розкриття законів спектроскопії і поясненню механізму випромінювання, а з іншого боку - до з'ясування структури окремих атомів і встановленню зв'язку між ними. Однак залишалося ще багато явищ у цій області, пояснити які теорія Бора не могла.

Сучасна модель атома базується на планетарній моделі Бора, яка була запропонована після відкриття субатомних частинок та ряду інших досліджень таких як радіоактивність, створення квантової теорії світла. Формулювання основних положень квантової механіки дозволило пояснити корпускулярно-хвильовий дуалізм електрона та стійкість електронної конфігурації атомів. Згідно сучасних уявлень атом складається з ядра та електронів, що рухаються навколо нього по певних орбітах.

Відкриття складної будови атома - найважливіший етап становлення сучасної фізики, який позначився на всьому її наступному розвитку. У процесі створення теорії будови атома, яка пояснила атомні спектри, відкрито нові закони руху мікрочастинок - закони квантової механіки.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ


1.uk.wikipedia.org / wki / Атомна орбіталь.

2.Августин Р. Вивчення наукової спадщини Івана Пулюя в курсі фізики середньої школи / Р. Августин // Фізика та астрономія. -1996. - №1. - с.41.

.Білий М.У. Атомна фізика / М. У. Білий. - К.: Вища школа, 1977.- 396 с.

.Бугайов О.І. Вивчення атомної та ядерної фізики в школі. Посібник для вчителів / О. І. Бугайов. - К.: Радянська школа, 1982. - 158 с.

.Гайда Р.П. Іван Пулюй (1845 -1918). Фізичні дослідження / Р. П. Гайда // Український фізичний журнал. - 1995. - Т. 40, №1. - с. 5 -12.

.Гладков К.А. Атом от А до Я / К.А. Гладков.- М.: Атомиздат, 1966.- 170 с.

.Кордун Г.Г. Історія фізики. Навчальний посібник [для пед. ін -тів і ун-тів] / Г.Г. Кордун. - К.: Вища школа, 1980. - 336 с.

.Кудрявцев П. І. Розвиток атомної фізики (1918 - 1925) / П. І. Кудрявцев. - К.: Вища школа, 1988 - 361 с.

.Кучерук І. М. Загальний курс фізики. У трьох томах. Том 3 «Оптика. Квантова фізика» / І. М. Кучерук, І. Т. Горбачук.-К.: Техніка, 1999. - 511 с.

.Манолов К. Биография атома. Атом от Кембриджа до Хиросимы / К. Манолов, В. Тютюнник. - М.: Мир, 1985 - 246 с.

.Середнецька М. Дослід Резерфорда / М. Середнецька // Фізика. - 2006. - №12. - с. 13 - 18.

.Спасский Б. И. История физики. Ч. ІІ / Б. И. Спасский. - М.:Высшая школа, 1977.- 309 с.

.Сукманська Н. Відкриття, якого не чекали / Н. Сукманська // Наука і суспільство. - 1981. - №9 - с. 12 - 15.

.Хмелюк К.Д. Фізика атома і твердого тіла / К. Д. Хмелюк, Д.Д. Цициліано.-К.: Вища школа, 1974.- 232 с.


ЗМІСТ ВСТУП РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА 1.1 Відкриття субатомних частинок .2 Рент

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ