Современные представления о строении атомов

В российских учебниках и заданиях ЕГЭ пользуются термином относительная атомная  масса, которую обозначают символом Ar. Здесь "r" – от английского "relative" – относительный. Например, Ar = 12,0000 – относительная атомная масса углерода 126C равна 12,0000. В современной научной литературе относительная атомная масса и атомный вес – синонимы.

На рис. 2 показаны атомы двух разных видов. Может возникнуть вопрос: почему двух, а не трех видов – ведь на рисунке изображены три атома? Дело в том, что атомы (б) и (в) относятся к одному и тому же химическому элементу углероду, в то время как атом (а) – совсем другой элемент (водород). Что же такое химические элементы и чем они отличаются друг от друга?

Водород и углерод отличаются числом протонов в ядре и, следовательно, числом электронов в электронной оболочке. Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой Z. Это очень важная величина. Когда мы перейдем к изучению Периодического закона, то увидим, что число протонов в ядре совпадает с порядковым номером атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

Как мы уже говорили, заряд ядра (число  протонов) совпадает с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют  друг с другом не ядрами, а электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Поэтому атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электронов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента.

ЭЛЕМЕНТОМ называется вещество, состоящее из атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА.

На рис. 2 водород (один протон в ядре) и углерод (шесть протонов в ядре) – это  разные химические элементы. А вот атомы (б) и (в), у которых по 6 протонов в ядре (хотя и разное количество нейтронов!), принадлежат одному и тому же химическому элементу (углероду). 
 
 

Строение: 

Субатомные  частицы

Основная  статья: Субатомные частицы

Хотя  слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны. 

Электрон  является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−31 кг, отрицательным  зарядом и размером, слишком малым  для измерения современными методами.[4] Протоны обладают положительным  зарядом и в 1836 раз тяжелее  электрона (1,6726×10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−27 кг).[5] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[6] 

В стандартной  модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с  лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[7][8] 
 
 

Электроны в атоме

Основная  статья: Атомная орбиталь

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов. 

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует  кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо. 

Электронам, как и другим частицам, свойственен  корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат  модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме. 

Каждой  орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). 
 
 

Эволюция  представлений о  строении атомов 

Открытие  сложного строения атома - важнейший  этап становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей  объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой. 

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ, как уже отмечалось выше, возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А.Лавуазье (1743-1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766 - 1844) была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми. 

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома. 

Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе Менделеева, наталкивает на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее свойство - все 'они находятся в близком родстве друг с другом. 

Однако  до конца XIX в. в химии господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части. 

Различные предположения о строении атома  долгое время не подтверждались какими-либо экспериментальными данными. Лишь в  конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность  превращения при определенных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома. Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. 

Изучение  свойств этих лучей привело к  заключению, что они представляют собой ноток мельчайших частиц, несущих  отрицательный электрический заряд  и летящих со скоростью, близкой  к скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодных частиц и величину их заряда, выяснить, что они не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет сущность их природы. Эти частицы, получившие название электронов, были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном. 

Изучение  строения атома практически началось в 1897 - 1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Томсон предложил первую модель атома, по который атом - сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом - электрически нейтральное образование. В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т. е. двигаться ускоренно. Казалось бы, это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивных веществ. 

Положительно  заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы. 

Положительно  заряженная часть атома была открыта  в 1911 г. английским физиком Э.Резерфордом  при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах. 

Более тщательное исследование такого явления  показало, что при прохождении  пучка параллельных лучей сквозь слой газа или тонкую металлическую  пластинку выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т. е. отклонение от их первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое Число частиц, примерно одна из нескольких тысяч, которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердое, непроницаемое. Это не электроны - их масса гораздо меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами массой того же порядка, что и альфа-частицы. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома. 

В центре атома находится положительно заряженное ядро” вокруг которого по разным орбитам  вращаются электроны. Возникающая  при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Так как масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится, лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой. 

Предложенная  Резерфордом схема строения атома  или, как обыкновенно говорят, планетарная  модель атома, легко объясняет явления  отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома. 
 

Немного об ученых 

Классическая  физика исходила из понимания атома как мельчайшей, неделимой частицы вещества. После открытия Томсоном электрона стало ясно, что атом содержит положительные и отрицательные частицы. Томсон строит модель атома, которая напоминает батон с изюмом: в положительно заряженную массу вкраплены отрицательные частицы (электроны). Резерфорд проводит эксперименты на атомах по рассеянию заряженных частиц и приходит к выводу, что в центре атома существует массивное положительно заряженное ядро, а на периферии находятся электроны. Вместе с Бором он разрабатывает планетарную модель атома: в центре: — положительное ядро, а по круговым и стационарным орбитам вокруг него вращаются электроны. В дальнейшем эта концепция подвергается существенному уточнению в квантовой теории. Круги заменяются сначала эллипсами, а затем физики и вовсе отказываются от понятия орбиты и вводят представление о вероятностном характере положения электрона.

Экскурс в историю познания атома позволяет  увидеть основную тенденцию в  развитии знаний: через сумму относительных истин познание устремляется к абсолютной истине как своему пределу. Вместе с тем, взятый исторический предел позволяет увидеть и другую закономерность: в каждой относительной истине всегда есть некоторое “зерно”, частичка истины абсолютной.