СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

Открытие частиц, из которых состоят атомы, и исследование строения атомов (а затем и молекул) — наиболее интересные страницы истории науки. Знание электронного и ядерного строения атомов позволило провести исключительно полезную систематизацию фактов, что облегчило понимание и изучение химии.

Модели строения атома

Первые доказательства сложного строения атомов были получены при изучении прохождения электрического тока через жидкости. Опыты выдающегося английского ученого Майкла Фарадея в 30-х годах XIX в. навели на мысль о том, что электрический ток осуществляют отдельные единичные заряды.

Величина единичного заряда была определена в более поздних экспериментах по пропусканию электрического тока через газы (опыты с так называемыми «катодными лучами»). Было установлено, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые получили названия электронов.

Прямое доказательство сложного строения атома было получено после открытия самопроизвольного распада атомов некоторых элементов — радиоактивности (А. Беккерель, 1896). После установления природы а-, (1- и улучей, образующихся при радиоактивном распаде (Э. Резерфорд, 1899-1903), открытия ядер атомов (Э. Резерфорд, 1909-1911), определения заряда электрона (Р. Милликен, 1909) Резерфорд в 1911 г. предложил одну из первых моделей атома.

Модель Резерфорда. Суть этой планетарной модели строения атома можно свести к нескольким утверждениям.

• 1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть объема атома.
• 2. Весь положительный заряд атома и почти вся его масса сосредоточены в его ядре (позднее было показано, что масса электрона равна 1/1823 а. е. м.).
• 3. Вокруг ядра вращаются электроны. Число электронов в атоме равно положительному заряду его ядра.

Модель Резерфорда оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и в конце концов упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следовало, что модель Резерфорда в чем-то ошибочна.

Теория Бора. В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил свою теорию строения атома. При этом Бор не отрицал полностью предыдущие представления о строении атома: как и Резерфорд, он считал, что электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Однако к этому времени Дж. Франк и Г. Герц (1912) доказали дискретность энергии электрона в атоме, и это позволило Бору положить в основу новой теории два необычных предположения (постулата).

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.

Радиус орбиты г и скорость электрона v связаны квантовым соотношением Бора:

где т_е — масса электрона, п — номер орбиты, h — постоянная Планка (й = 1,05 • 10'³⁴ Дж • с).

2. При движении по стационарным орбитам электрон не излучает и не поглощает энергии.

Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется законам классической физики. Согласно Бору, излучение или поглощение энергии определяется переходом атома из одного состояния, например, с энергией E_v в другое — с энергией Е₂, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается энергия ДЕ.

где v — частота излучения, h = 2л/? = 6,626 • ИИ³⁴ Дж • с.

Бор, используя формулу (2.2), рассчитал частоты линий спектра атома водорода, которые очень хорошо согласовывались с экспериментальными значениями, однако для других атомов эта теория не давала удовлетворительных результатов.

Квантовая модель строения атома. В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены и дополнены. Наиболее существенное нововведение — понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне только как частице. Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом (см. табл. 2.1).

Свойства элементарных частиц, образующих атом

Таблица 2.1

В основе современной теории строения атома лежат следующие

положения.

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время движущиеся электроны проявляют волновые свойства, например поток электронов способен к дифракции. Длина волны электрона X и его скорость и связаны соотношением де Бройля:

где т — масса электрона.

2. Для электрона невозможно точно измерить одновременно координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением этого принципа неопределенности служит соотношение

где Ах — неопределенность координаты (положения в пространстве), Ди — погрешность измерения скорости.

• 3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой области околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных точках этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.
• 4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название этих частиц — нуклоны). Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером элемента в Периодической системе, сумма числа протонов и числа нейтронов дает массовое число элемента.

Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик — нейтрон.

Общее название различных видов атомов — нуклиды. Нуклид можно характеризовать любыми двумя из трех фундаментальных параметров элемента: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой:

Нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N, называют изотопами.

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механикиР. (Описание движения обычных тел по законам Ньютона называют классической механикой.) Большой вклад в развитие квантовой механики внесли француз Л. де Бройль, немец В. Гейзенберг, австриец Э. Шрёдингер, англичанин П. Дирак. Каждый из этих великих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Уравнение Шрёдингера (иногда это уравнение называют волновым) очень сложное, и здесь мы его не приводим. Для нас важно, что, согласно квантовой механике, движение электрона вокруг ядра атома нельзя рассматривать как простое механическое перемещение.

Оказывается, поскольку электрон обладает волновыми свойствами, его движение можно описать с помощью так называемой волновой функции, обозначаемой греческой буквой «пси», ф. Физический смысл волновой функции ф(х, у, г) таков: квадрат абсолютного значения волновой функции |ф(х, у, г)|² пропорционален вероятности нахождения электрона в точке пространства с координатами X, у, 2.

В отличие от теории Бора, согласно которой электрон движется по определенным (стационарным) орбитам (траекториям), квантовая механика показывает, что электрон может находиться в любой точке вблизи ядра атома, но вероятность его пребывания в разных точках неодинакова: если бы можно было наблюдать электрон в атоме, оказалось бы, что где-то он бывает чаще, а где-то реже.

В квантовой механике законы движения электрона выражают с помощью уравнения Шрёдингера, которое играет ту же роль в квантовой механике, что и законы Ньютона в классической механике. Как и законы Ньютона, это уравнение невозможно вывести из каких-либо общих положений. Оно было получено исходя из определенных аналогий между уравнениями оптики и классической механики.

Вероятностное нахождение электрона в определенной области пространства в любой момент времени соответствует принципу неопределенности Гейзенберга (см. выше пункт 2 современной теории строения атома), согласно которому положение электрона в пространстве и импульс электрона нельзя одновременно определить с абсолютной точностью.

Согласно современным представлениям, электроны в атоме образуют так называемое электронное облако, а «орбиты движения электронов» (понятие, введенное Бором) не что иное, как те области вокруг ядра, где электроны находятся чаще. Таким образом, электрон присутствует не на боровской орбите, а в некотором пространстве (пункт 3 теории). По современной терминологии вместо термина орбита, введенного Бором, чаще используют термин орбиталь.

Квантовая механика имеет сложный математический аппарат, и нам далее важны лишь те следствия теории, которые помогут разобраться в вопросах строения атома и строения молекул. Самое важное следствие состоит в следующем: всю совокупность движения электрона в атоме описывают пять квантовых чисел — главное п, побочное I, магнитное т_р спиновое s и проекция спина т_$. Рассмотрим квантовые числа подробнее.