История открытия атомов и молекул кратко
Обновлено: 03.07.2024
История открытия. Демокрит. Начала атомистики
К сожалению, возможности ученых в те времена были весьма ограничены. Каких-либо приборов, позволяющих исследовать строение вещества, у них не было. Но значение Демокрита в зарождении атомистики невозможно сбросить со счетов истории.
Атомно-молекулярное учение. Строение атома
Практически до середины XVIII века, пока М.В. Ломоносов не принес в химию количественные эксперименты, учение об атомах оставалось лишь прерогативой философских размышлений. Михаил Васильевич считал, что лишь знание физических законов поможет правильно истолковать результаты химических опытов.
Ломоносов считал, что каждая молекула по своему составу идентична всему веществу, а также, что различные по химическому строению элементы имеют и разные по составу молекулы. Ученый предполагал, что вещества имеют особенности не только из-за отличий в составе молекул, но и благодаря различному расположению атомов в молекуле.
Следующий шаг в изучении атомов сделал английский естествоиспытатель Джон Дальтон. Проводя различные эксперименты с растворением газов в жидкостях, ученый открыл главное физическое качество атомов: эти мельчайшие частицы имеют вес. Но поскольку атом до сих пор никто не видел, Дальтон назвал вес частицы относительным. Он установил, что самым легким элементом является водород и предложил его вес принять за единицу.
Открытие Дальтона стало прорывом в химии. Ведь теперь к любому химическому соединению можно было подойти с измерительным прибором. Это исследование позволило приблизиться к современной записи химических формул и уравнений. И именно Дальтон придумал первые обозначения для известных химических элементов.
До конца XIX века, несмотря на все старания ученых, химическое строение атома по-прежнему оставалось лишь гипотезой.Ученым не хватало оборудования, чтобы постичь тайну мельчайшей частицы.
Открытие Дальтона дало толчок дальнейшим опытам, в ходе которых ученые вычислили относительную атомную массу разнообразных химических элементов, что позволило их классифицировать, а Д.И.Менделееву – сформулировать периодический закон и представить научному миру Периодическую систему химических элементов.
Протоны и нейтроны
Обнаружение катодных лучей немецким ученым-физиком Юлиусом Плюккером в 1859 году и создание прототипа электронной трубки Ульямом Круксом в 1879 году положили новый виток исследованиям в атомистике.
Однако потребовалось еще несколько десятков лет, чтобы строение атомов химических элементов приоткрыло свои тайны. на заре XX века в одном журнале появились две публикации, которые пытались объяснить структуру атома. Одна из публикаций принадлежала английскому ученому Д.Д. Томсону, автором другой был японский физик Хантаро Нагаока.
Исследователь ошибся, однако два постулата его теории впоследствии подтвердились:
- ядро атома имеет значительную массу;
- электростатические силы удерживают электроны на орбите (сходство с кольцами Сатурна, что удерживаются благодаря гравитационным силам).
Томсон выдвинул гипотезу о том, что атом напоминает шарообразную, электронейтральную сферу диаметром около 10 –10 м, где положительный заряд равномерно распределен по всей структуре атома, а электроны хаотично расположены в этом поле. Поэтому, можно сказать, что атом напоминает микроскопическую булочку с изюмом.
Опыты продолжались в разных странах. В лаборатории Резерфорда проходили испытания, которые смогли доказать, что в центре атома расположено крупное ядро с диаметром около —10 —15 м, в котором содержится более 99,95 % его массы, а заряд его положительный.
В 1932 году и Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон — третий недостающий элемент атома.
Атомное взаимодействие обеспечивает тесную связь протонам и нейтронам в ядре атома. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны. Ученые считают, что их характеристики достаточно подобны, чтобы отнести эти частицы к одному семейству, как биологи относят в один вид собак и волков.
Казалось бы, вот оно – тайна ядра разгадана. Но нет, в современной физике считается, что нуклоны состоят из еще более мелких частиц, которые называют кварками, и кварковая модель является ведущей в современной науке.
Эксперименты по исследованию атома и его ядра не прекращаются, и в 2010 году международная группа физиков при исследовании протонов в мюонном водороде установила, что размер радиуса протона меньше на 4%, чем считалось до этого.
Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса, почему измерение одной и той же величины в обычном и в мюонном водороде дает разные результаты — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор не решена.
Учебник знакомит учащихся 5-6 классов с основами физики и химии - двух важнейших составных частей естествознания. Изложение ведется нетрадиционно - рисунок является основным средством подачи материала. Много внимания уделено фронтальному эксперименту. В учебник включено более 30 лабораторных работ, завершающих изучение тем как по физике, так и по химии.
Изотопы
Работая в лаборатории Резерфорда, Фредерик Содди экспериментально установил, что встречаются атомы одного химического элемента с различной атомной массой. А поскольку к этому времени уже было известно, что количество протонов для ядра постоянно, соответственно, отличались они количеством нейтронов.
При графической записи изотоп выглядит как знак химического элемента, которому он соответствует. А что бы обозначить разницу, в массовом числе используют индекс слева вверху: ( 12 C, 222 Rn)
Протий, дейтерий, и тритий — исторические собственные названия изотопов водорода.
- стабильные (устойчивые);
- нестабильные (радиоактивные).
Электронное строение атома
Исследование таинственного микромира продолжается. Изучение движения электронов и внутриатомных взаимодействий выделилось в отдельную область физики — квантовую механику. Главный постулат квантовой механики — все волны обладают свойствами частиц, а микрочастицы имеют волновую природу.
В макромире физическое тело всегда находится в какой-то конкретной точке пространства. Даже если вы сфотографируете летящую муху и на фотографии она будет в виде черной полосы, вы все равно будете уверены, что в конкретный момент времени она была в определенном месте.
В мире атома все иначе. Легкий подвижный электрон находится одновременно во всех точках околоядерного пространства. Если провести аналогию с макромиром, больше всего это напомнит неплотный клубок мягкой пушистой шерсти.
И именно эта зона пространства, где существует вероятность встретить электрон, называется электронным облаком. Плотность электронного облака неравномерна.
В электронном облаке выделяют зону, где вероятность встречи с электроном более 90% — эта область обозначена как атомная или электронная орбиталь.
Все электроны в атоме обладают определенной энергией. Чтобы описать состояние электрона, ученые используют квантовые числа. Всего их четыре. Целое число n, которое определяет энергию электронов на конкретном энергетическом уровне, называют главным квантовым числом.
На одной электронной оболочке находятся атомные орбитали с единым значением главного квантового числа n.
У невозбужденного атома электроны расположены на орбиталях 4-х видов: s, p, d и f.
Но почему нельзя было обозначить буквами по алфавиту a, b, c? Все не так просто, для обозначения атомных орбиталей ученые решили использовать начальные буквы от прилагательных, описывающих спектральные линии в атомных спектрах:
Чтобы графически представить расположение электронов на уровнях и подуровнях атомной оболочки, ученые ввели электронные формулы. Это такие численно-буквенные комбинации, где подуровень обозначен строчной латинской литерой, а цифровой индекс вверху справа обозначает количество электронов на подуровне.
Например, атом водорода имеет один электрон, который расположен на s-подуровне 1-го энергетического уровня: 1s 1 . Электроны углерода расположены на двух энергетических уровнях, на внешнем энергетическом уровне у углерода выделяют два подуровня 2s и 2p, где находятся 4 электрона. Также используется графическая схема строения атома.
Для наглядности строения атомной оболочки углерода и процессов в ней можно воспользоваться схемой , представленной на нашем ресурсе.
Несмотря на свои способности быть одновременно в любой точке пространства, электроны при заполнении орбиталей соблюдают определенный порядок:
- Принцип наименьшей энергии. Электроны занимают атомные орбитали от наименьшей энергии к наибольшей. Распределение подуровней по энергиям представлено рядом : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, где от 1s до 7p — энергия увеличивается.
- Принцип Паули — на одной орбитали помещается два электрона. Суммарное количество электронов в одном электронном слое или на одном электронном уровне равно 2n2.
- Правило Хунда — прежде чем начать собираться в пары, электроны сначала в пределах подуровня по одному занимают вакантные орбитали.
У этого правила есть еще одно мнемоническое название — правило троллейбуса. Расположение электронов напоминает рассадку в общественном транспорте. Если есть свободные места и человек входит один, он сядет на свободное сиденье, и только если нет свободных сидений, подсядет к кому-то на свободное место.
Итак, подведем выводы, на которые ученым понадобилось более сотни лет опытов, исследований, научных дискуссий и даже трагедий.
В тетрадь включены вопросы и расчетные задачи, экспериментальные задания и лабораторные работы. Пособие предназначено для организации самостоятельной работы учащихся при изучении нового материала, а также для закрепления и проверки полученных знаний.
На этом уроке вы познакомитесь со становлением в науке представлений о строении атома. Вы узнаете историю открытия строения атома, повторите, как он устроен. Рассмотрите опыты, которые ставились учеными в прошлом с целью получить все эти знания, таким образом, помогали им получить представление о строении атома.
Материя, вещество, молекула — фундаментальные физические понятия. Они открывают двери в удивительный мир естественных наук.
Эта статья была опубликована в журнале OYLA №9(25). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.
Многие научные идеи пришли к нам из Древней Греции. Например, Аристотель полагал, что материя — это простая система из четырёх первоначал — огня, воды, воздуха и земли. Отдельно философ упоминал об их свойствах — теплоте, холоде, сухости и влажности. Кажется, ничего сложного в идеях Аристотеля не было. Но его соотечественник Фалес предложил более простую концепцию: всё — даже огонь! — состоит исключительно из воды разной плотности. Прогрессивнее мыслил Левкипп и его знаменитый ученик Демокрит. Они предположили, что материю нельзя делить бесконечно: мельчайшей частицей всего является атом (неделимый). По мнению Демокрита, всё (и воздух, и земля, и вода, и огонь) состоит из неделимых мельчайших шарообразных частиц. Трудно представить, что за несколько столетий до нашей эры, без микроскопов и другой техники, философы смогли достоверно предсказать строение материи.
Механистический взгляд на материю дополнил первый русский учёный- естествоиспытатель Михаил Ломоносов. Он экспериментальным путём измерил атом. Для этого учёный раскатывал лист золота до толщины 1/15552 линии (одна линия равна 2,5 мм). По мнению Ломоносова, эта величина как раз и равнялась размеру одного атома. Так, одна песчинка золота диаметром 0,1 линии (0,25 мм) должна содержать 3 761 479 876 атомов. Конечно, расчёт был крайне неточен: количество атомов оказалось занижено как минимум на восемь порядков (108)!
Также Ломоносов совершил маленькую научную революцию, открыв новую форму движения материи — тепловую. Учёный доказал, что причина нагрева веществ лежит в увеличении скорости движения частиц. Чем быстрее движение частиц материи, тем она горячее.
Как появилась материя?
Согласно космологической теории Большого взрыва, когда возраст Вселенной составил мизерные 10–43 секунды, появились первые материальные объекты — суперструны, обладающие длиной (при этом без толщины!) и свойством колебаться. Предполагается, что именно это свойство позволило струнам порождать частицы. В первые минуты после Большого взрыва, когда температура Вселенной упала c 1032 до 109 кельвинов, протоны и нейтроны начали объединяться в первые ядра стабильных изотопов (преимущественно водорода). Спустя ещё около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали первые атомы.
В современном естествознании выделяют три типа материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Однако химики, отождествляя материю и вещество, могут заметить, что существуют газы, твёрдые и жидкие вещества, плазма, неоднозначное по своей структуре стекло и удивительные жидкие кристаллы. Классическое же понимание вещества гласит, что это основной вид материи, обладающий массой.
Где во Вселенной образуются элементы?
Броуновское движение — видимое в микроскоп хаотическое перемещение очень малых частиц вещества под действием ударов молекул окружающей среды. Это наблюдение послужило толчком для доказательства существования молекул.
Историю материи, вещества и молекулы нельзя назвать законченной, пока не найдены все существующие мельчайшие частицы, пока не синтезированы все возможные элементы и пока живёт в человеке стремление познавать непознанное.
Егор Морозов | 14 Февраля, 2020 - 16:49
В современной лаборатории требуется больше энергии, чтобы украсть электрон у гелия, чем у любого другого элемента. А энергия, необходимая для удаления второго электрона, более чем в два раза больше, чем для первого. В ранней Вселенной, как только ядра гелия начали находить электроны, они заполнили свои электронные оболочки задолго до того, как их стали догонять ядра водорода и уж тем более ядра лития, которым требуется три электрона.
Остальная материя во Вселенной в то время все еще состояла в основном из одиночных протонов, которые начали ощущать эффект отсутствия электронов. Они начали замедляться и искать противоположно заряженных партнеров, чтобы стать электрически нейтральными. Но поймать свободные электроны в одиночку для себя было трудно, проще отнять у атомов гелия. И хотя гелий не горит желанием делиться, при постоянных столкновениях с ядрами водорода он все-таки передавал им электроны. Так образовались первые химические связи, и самое простое соединение гелия и водорода было названо ионом гидрида гелия (HeH + ), и оно является самой первой молекулой во Вселенной.
То, что гелий был первым элементом, образующим связи, удивительно, потому что сейчас мы думаем о гелии как о наименее вероятном элементе, связывающемся с другими — ибо это самодостаточный благородный газ с полным набором электронов. Но в ранней Вселенной гелий был единственным игроком на рынке — единственным банком с электронами для кредитования.
Эта история десятилетиями стояла на твердой теоретической почве, но ей уже давно не хватало наблюдательного подтверждения. HеH + может формироваться на Земле только в лабораториях, и в течение десятилетий он оставался незамеченным в космосе. Однако в прошлом году астрономы объявили, что они впервые наблюдали эту молекулу, скрывающуюся в туманности вокруг тусклой умирающей звезды. 40-летний поиск принес свои плоды, и к нашей картине того, как формировалась ранняя Вселенная, был добавлен новый и жизненно важный фрагмент.
Так что теперь HeH + вступил в ряды внеземных молекул, которых к настоящему времени ученые обнаружили более 200 видов. Это исследование химии за пределами Земли — этим занимается наука, которая называется астрохимией — направлено на выяснение того, какие молекулы присутствуют в космосе, как они формируются и что их эволюция означает для наблюдательной и теоретической астрофизики.
Многие из известных астромолекул, включая воду, аммиак и формальдегид, распространены и здесь, на Земле. Другие, такие как соляная кислота с дополнительным протоном и перекись водорода без одного атома водорода, являются диковинками на нашей планете. Наблюдались также заряженные молекулы, системы с неспаренными электронами и странно расположенные атомы в обычных молекулах. Ученые даже наблюдали молекулы, содержащие так называемые инертные благородные газы, такие как ArH + (комбинация аргона и водорода, и диковинка тут в том, что первый на Земле не образует вообще никаких связей).
Астрохимия рассматривает самые фундаментальные свойства молекул. Это помогает определить, что такое химическая связь на самом деле, как долго молекулы могут оставаться нетронутыми и почему некоторые химические связи встречаются чаще, чем другие. Изучая химию в столь чуждой по сравнению с Землей среде — с температурой, давлением и доступными атомами, совершенно отличными от тех, к которым мы привыкли — мы можем найти молекулы, которые бросают вызов нашим обычным представлениям о том, как взаимодействуют атомы, что приводит нас к более глубокому пониманию химии. В конечном счете исследователи надеются узнать, как появились молекулы, которые в итоге оказались на планетах нашей Солнечной системы и дали начало жизни.
Где же HeH + ?
В лаборатории Калифорнийского университета в Беркли в 1925 году Т. Р. Хогнесс (который позже работал над Манхэттенским проектом) и его коллега Э. Г. Ланн обнаружили, что смешивание гелия и водорода в присутствии электрической дуги в вакуумной камере может создавать ионы с различными массами. Измерение отношения массы к заряду молекул называется масс-спектрометрией, и для некоторых ионов отношение массы к заряду оказалось равным пяти. Это могла быть только молекула HeH + (4 от гелия и 1 от водорода). Но удерживать эту молекулу достаточно долго, чтобы изучить ее, оказалось чрезвычайно трудно, даже в контролируемой лаборатории Хогнесса и Ланна.
В ранней Вселенной эта молекула была еще более нестабильной, потому что HeH + , вероятно, отпустит свой протон при малейшем контакте с другим атомом. В такой связи гелий имеет два электрона, а водород — ни одного. Такая неравномерная связь (называемая дативной связью) слабее, чем традиционные ковалентные связи, в которых оба атома участвуют более равномерно.
В 1978 году Джон Х. Блэк, работавший тогда в Университете Миннесоты, первым доказал, что молекула HeH + все еще может присутствовать в космосе. Блэк предположил, что хорошим местом для наблюдения являются планетарные туманности, созданные раздувшимся умирающими звездами. В этих газопылевых облаках тонкий слой ионизированных атомов гелия обычно находится в присутствии нейтральных атомов водорода, и сильная потребность гелия в электронах может заставить его заимствовать один из них из атома водорода, создавая такую молекулу.
Поэтому с конца 1970-х годов астрономы и их коллеги-химики искали HeH + в различных местах, от планетарных туманностей до сверхмассивных звезд. Однако в течение десятилетий эти поиски не увенчались успехом, что заставило некоторых усомниться в обоснованности роли HeH + в стартовой химии Вселенной. Действительно ли гелий связывался с Н + ? Казалось, что так и должно быть, ведь тогда больше не с чем было образовывать химические связи. Но если это так, то где же HeH + ?
Обнаружение
Молекула HeH + долгое время оставалась неуловимой.
Первые молекулы довольно быстро рассеялись после самых ранних эпох. Когда Вселенная созрела, расширилась и остыла, оставшиеся ядра водорода начали собирать свои собственные электроны. И эти теперь нейтральные атомы водорода, по-видимому, почувствовали положительный заряд молекул HeH + и стали сталкиваться с ними. При этом слабая дативная связь HeH + разрывалась, и образовывалась гораздо более сильная ковалентная связь между двумя атомами водорода, создавая молекулу H2 + . После этого атомы гелия уже в основном ни с чем в связь не вступали и оставались одинокими.
Тогда может показаться, что краткое существование HeH+ было несущественным, но это далеко не так. Модели потенциальных химических реакций на тот период времени указывают на то, что без образования HeH + молекула H2 + , а затем и нейтральная H2, образовывались бы гораздо медленнее. И только после получения H2 началась бурная химия: появилась молекула H3 + , которая породила CH + , а она, в свою очередь, CH2 + и каскад других молекул. В конечном итоге эта цепь привела к воде, этанолу и более крупным молекулам. И все эти процессы являются результатом несбалансированной связи в HeH + : без этой начальной молекулы современная Вселенная была бы абсолютно другим местом.
Тем не менее, к 2013 году астрохимики были разочарованы тем, что молекула HeH + нигде не была найдена. Но в том году появился обнадеживающий знак, когда исследователи обнаружили связанную молекулу благородного газа ArH + в остатке сверхновой Крабовидной туманности. Ученые сконцентрировали свои усилия на поиске HeH + в аналогичных суперэнергетических средах. Однако большая проблема заключалась в том, что линии спектра HeH + попадали в ту же область, что и у самой первой молекулы, когда-либо наблюдавшейся в космосе, радикала CH. И никакие телескопы тогда не могли разделить эти сигнатуры.
Затем появилась Cтратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии (SOFIA), построенная на базе Boeing 747 с боковым отверстием, через которое инфракрасный телескоп мог наблюдать за небом. SOFIA имеет идеальное разрешение для обнаружения молекулы HeH + , частота излучения которой составляет 2010,184 ГГц. И за три ночи изучения планетарной туманности NGC 7027, являющейся частью созвездия Лебедя, они наконец нашли излучение на этой частоте.
Причем сама планетарная туманность идеально напоминает раннюю Вселенную с ее гигантскими температурами и энергиями. 17 апреля 2019 года команда во главе с Рольфом Гюстеном из Института радиоастрономии имени Макса Планка в Бонне, Германия, опубликовали в журнале Nature доклад об обнаружении HeH + .
Конечно, наблюдались не первичные молекулы HeH + . Исследователи практически уверены, что молекулы, обнаруженные Гюстеном и его коллегами, были созданы гораздо позже. Тем не менее, обнаружение помогает нам больше узнать об этом соединении. Теперь ученые могут создавать лучшие модели Вселенной, существовавшей тогда, когда HeH + была единственной молекулой. Открытие может также дать нам подсказку о том, где еще эта молекула может скрываться сегодня в космосе, направляя нас к другим планетарным туманностям или даже к более далеким областям Вселенной.
Читайте также: