Квантовая теория строения атома кратко

Обновлено: 02.07.2024

Закон парциальных давлений: общее давление смеси газов, не вступающих в химическое взаимодействие, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь.

Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью (А. Беккерель, 1896 г.). Последовавшее за этим установление природы α-, β- и γ-лучей, образующихся при радиоактивном распаде и открытие ядер атомов позволили Э. Резерфорду (1911 г.) предложить одну из первых моделей строения атома.

Планетарная модель Резерфорда.Сутьпланетарной модели строения атома можно свести к следующим утверждениям:

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.

3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но обнаружила и свои недостатки.

Теория Бора. В 1913 г. Н. Бор предложил свою теорию строения атома, в основу положено два необычных постулата:

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

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 из одного состояния в другое, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается энергия ∆Е, величина которой определяется соотношением:

∆Е = Е₁ – Е₂ = hν,

где ν – частота излучения, h = 6,626∙10 –34 Дж∙с (постоянная Планка).

Квантовая модель строения атома. Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом. В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную природу (корпускулярно-волновой дуализм). Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость υ связаны соотношением де Бройля: λ = h / тυ,где т – масса электрона (9,1∙10 –19 г или 0,00055 а.е.м., заряд –1).

2. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот.

Вероятностное нахождение электрона в определенном положении в любой момент времени соответствует принципу неопределенности Гейзенберга: положение и момент электрона не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью.

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разныхчастях этого пространства неодинакова.

Орбиталь – совокупность положений электрона в атоме, т.е. область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название – нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а числе протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

Протон(р) – элементарная частица, с массой 1,00728 а.е.м. и положительным зарядом, нейтрон (n) – тоже элементарная частица, с массой 1,00867 а.е.м., не обладающая зарядом.

Число нейтронов равняется разности между массовым числом и порядковым номером: 203 ₈₁Tl (81р, 122n); талий 205 ₈₁Tl (81р, 124n).

Число нейтронов в ядрах всех элементов может быть различным. Атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойствами), но разным числом нейтронов называются изотопами ( 35 ₁₇Cl, 37 ₁₇Cl).

Каждый элемент представляет собой совокупность нескольких изотопов. Этим и объясняются дробные значения атомных масс: так, изотоп 35 Cl в природе составляет 75,5% , а 37 Cl – 24,5%; в результате средняя атомная масса хлора равна 35,5%.

Изобары – химические элементы с одинаковыми массовыми числами, по разным зарядам ядер ( 40 ₁₈Ar, 40 ₁₉K, 40 ₂₀Ca).

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, – квантовой механики. Наибольший вклад в развитие этой теории внесли Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак.

В соответствии с квантовой механикой движение электрона вокруг ядра атома нельзя рассматривать просто как механическое перемещение. Сложность и своеобразие такого движения детально и описывается уравнением Шредингера (иногда это уравнение называют волновым).

Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то его движение можно описать с помощью так называемой волновой функции, обозначаемой греческой буквой ψ. Физический смысл волновой функции (х, у, z) таков, что квадрат абсолютного значения волновой функции |ψ(х,у,z)| 2 пропорционален вероятности нахождения электрона в какой-либо точке пространства с координатами x, у, z.

Наиболее важным следствием из квантовой механики является то, что вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, главным п, побочным l, магнитным m_l, спиновым m_s.

Глава 2. СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.

3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Теория Бора. В 1913 г. Н. Бор предложил свою теорию строения атома, в основу положено два необычных постулата:

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

∆Е = Е₁ – Е₂ = hν,

где ν – частота излучения, h = 6,626∙10 –34 Дж∙с (постоянная Планка).

Квантовая теория построения атома – это одно из важных достижений в механике квантов. Многочисленные опыты подтвердили, что атом состоит из тяжелого, заряженного позитивно, ядра и легких, отрицательно заряженных, электронов, которые колеблются. Данные электроны принимают непосредственное участие в формировании оболочек атома.

Суть квантовой теории атома Томсона

Теория строения атома Томсона, которую ученый предложил в 1903 году, исторически считается классической моделью. В соответствии с этой моделью, атом является шаром, с положительно заряженным центром, внутри которого колеблются электроны.

В сумме заряд всех отрицательно заряженных электронов равняется положительному заряду ядра, то есть в итоге атом заряжен нейтрально. Приблизительно величина ядра, определяемая по законам классической электростатики, соответствовала истинным его размерам.

Для напряженности электрополя в середине атома справедливо выражение:

где \(e\) – положительный заряд ядра.

Ядерная модель атома Резерфорда

В 1911 году в своих опытах, ученый Э. Резерфорд доказал несовершенство модели Томсона. Данные опыты проводились с альфа-частицами, которые рассеивались при проникновении сквозь барьер из тонкой металлической фольги. Альфа-частицы – это частицы с массой ma и позитивным зарядом \(qa+2qe\) , которые образуются во время радиоактивного распада тяжелых элементов.

Эксперименты Резерфорда показали, что наряду с множеством альфа-частиц, которые незначительно отклоняются от оси при проникновении сквозь тонкую фольгу, наблюдается часть таких частиц, которые сильно отклоняются, на гораздо больший угол.

Также можно утверждать, что данное явление не вызвано влиянием электронов на альфа-частицы, так как масса электронов намного меньше массы альфа-частиц. То есть, данное сильное отклонение вызвано действием атомных ядер на альфа-частицы. Резерфорд теоретически работал над задачей рассеивания альфа-частиц в кулоновском поле, которое создается положительным зарядом атомного ядра.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Структура ядерной модели Резерфорда была похожа на Солнечную систему с массивным ядром по центру, и вращающимися по своим орбитам вокруг него планетами. Потому данная модель получила название планетарная.

Резерфорд понимал, что статическая модель атома не может существовать, что помогло ему прийти к определению модели с вращающимися электронами. В соответствии с теоремой Ирншоу для классической электростатики, система неподвижных электрических зарядов, которые расположены на фиксированных расстояниях друг от друга, не может сохранять равновесие лишь под действием кулоновских сил. Также данная модель вызывает необходимость постоянного электромагнитного излучения атомами.

Теория атомного строения Бора

Модель Резерфорда определенно противоречила понятиям классической физики. По принципам классической электродинамики, вращающийся по орбите электрон излучает электромагнитные волны, а соответственно, должен терять энергию и в итоге упасть на ядро, но в реальности такое не происходит.

Данное противоречие пытался разрешить ученый Бор, выдвинув теорию строения простейших атомов водорода и одноэлектронных ионов. Он предположил, что существуют некоторые стационарные орбиты, перемещаясь по которым электроны не поглощают и не излучают энергию. Причем каждой такой орбите будет соответствовать определенная величина энергии движения электрона \(E_n\) . Совокупность таких разрешенных величин энергии создает энергетический спектр атома электрона.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Не нашли нужную информацию?

Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.

Гарантия низких цен

Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.

Доработки и консультации включены в стоимость

В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.

Вернем деньги за невыполненное задание

Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.

Тех.поддержка 7 дней в неделю

Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.

Тысячи проверенных экспертов

Гарантия возврата денег

Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!

Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока

Гарантия возврата денег

В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы

только без своих слов.
За 25 веков, со времен философов Древней Греции и до конца XIX в., В науке господствовало мнение о том, что атом — наименьшая неделимая частица вещества, которая остается неизменной при любых процессов или явлений.
Однако в конце XIX в. в физике был сделан ряд открытий, которые показали сложное строение атома.
— Вспомните, какие открытия стали прямыми доказательствами сложности атома.
На основании новых открытий начала развиваться теория строения атома (модель строения атома Э. Резерфорда, 1911 г.; модель Н. Бора, 1913 г.).
— Объясните, что является общим для этих моделей и чем они отличаются друг от друга.
Современная теория строения атома возникла как результат переосмысления и дополнения теории Бора. Существенным нововведением стало понятие о электронное облако (атомную орбиталь), которое пришло на смену понятию о электрон лишь как частицу. Орбиталью называется пространство вокруг ядра, в котором пребывания электрона скорее. Современная квантовая теория строения атома учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц — протонов, нейтронов и т. д..
Основные положения современной теории строения атома
1. Электрона свойственна двойственная (корпускулярно — волновая) природа. Как частица электрон имеет определенную массу и заряд, а как волна — способность к дифракции (огибания препятствия).
2. Для электрона невозможно одновременно и точно измерить координату и энергию. В каждый момент времени можно определить только одну из этих свойств.
3. Электрон в атоме не вращается вокруг ядра по определенной траектории, а может двигаться в любой части навколоядерного пространства. Однако вероятность нахождения его в разных частях пространства неодинакова.
4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Число протонов равно атомному номеру элемента (протонное число), а сумма чисел протонов и нейтронов (нуклонов) соответствует его массовому числу.
Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Важнейшие характеристики нуклидов — атомный номер и массовое число, их обозначают слева от символа элемента, например n Na — нуклид Натрия. Если нуклиды одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, они называются изотопами.
Атом — сложная частица. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро атома содержит протоны и нейтроны, общее название которых — нуклоны.
Масса атома сосредоточена в его ядре. Количество протонов и нейтронов определяет массовое число элемента. Количество протонов в ядре равно атомному номеру (протонном числу) элемента, а число нейтронов — массовому числу минус атомный номер.
Электрон имеет корпускулярно — волновую природу. Число электронов в атоме также равно атомному номеру (протонном числу) элемента.
Электроны в атоме постоянно движутся, но определенной траектории движения они не имеют. Электрон может находиться в любом участке пространства около ядра, образуя электронное облако. Такая трехмерная участок пространства около ядра, где пребывание электрона скорее, называется орбиталью.

Атом состоит из ЭМВ, вращающихся в созданном ими же магнитном поле. никаких протонов, электронов и прочих ЭЧ в атомах нет.

Получается, что современная модель никакой ясности в устройство атома не внесла. Но ведь электрон в виде частицы (сконденсированной волны), либо в виде волны все равно как-то движется вокруг ядра, и это устойчивое, и главное рабочее состояние. А можем ли мы измерять координаты частицы или волны – это наши проблемы. Природа знает, где что находится.

Я согласен с Эрнестом Резерфордом, но имею возражения против постулатов Нильса Бора.

Как же удерживается электрон на орбите атома?

Пусть по линии АС движется электрон со скоростью V (Рис. 1).

В точке Б он попадает в зону действия протона. Что значит, попадает в зону действия протона? Это тогда, когда взаимное притяжение частиц придает электрону ускорение, при котором он излучает фотон. Пока безразлично, какой энергии.

Под воздействием этого притяжения электрон окажется в точке В . Естественно, что электрон движется не по прямой БВ , а по какой-то другой траектории. Но это не важно, главное то, что ускорение привело к излучению фотона.

Потеря электроном части отрицательного заряда уменьшила электрическую силу притяжения электрона Fээ и частичная компенсация положительного заряда протона этим кусочком отрицательного заряда приводит к уменьшению электрических сил притяжения протона Fэп .

На электрон воздействует магнитное поле протона Fm и электрон начинает удаляться от протона по линии ВГ . Электрон приобретает отрицательное ускорение, то есть тормозиться по радиусу протона. Но скорость вдоль линии АС осталась прежней. Во время движения по линии БВ электрон генерировал фотон, а во время движения по линии ВГ он будет поглощать излученный электроном и отразившегося от протона фотон.

Благодаря этому неупругому поглощению фотона в точке Г абсолютная скорость электрона станет такой же, какой была в точке Б . Цикл может повторяться сколь угодно много раз. Энергия никуда не девается и ни откуда не прибывает. Просто происходит перелив энергии с одного вида в другой и обратно.

С этого момента и начинается полноценный атом. Начинается обменный процесс точно такой же, как между протонами и нейтронами в ядре или между спутником и Землей.

По какой орбите (на каком уровне) будет двигаться электрон, зависит от его скорости и от его массы.

При скорости V электрон будет двигаться по орбите а . Если скорость электрона была больше скорости V , то он будет двигаться по орбите с , в противном случае по орбите b .

А что произойдет, когда электрон будет падать прямо на протон? Что мы знаем достоверно в этом явлении и что можем предположить с большой долей вероятности? Мы знаем точно, что никаких слияний протона и электрона нет, то есть, протоны, и электроны не уничтожают друг друга частично или полностью, примерно так, как метеориты, падающие на Землю. Метеорит уничтожается, превращаясь в часть Земли.

Знаем, что электрон, попавший в зону действия протона, будет стремиться упасть на протон под действием сил притяжения отрицательного и положительного полей. По данным науки напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра электрона оказывается равной 7,017*10 в 8 степени Тл , а у протона эта напряженность равна 8,476*10 в 14 степени Тл . Это большие напряженности, и они быстро убывают от центров частиц.

Мы достоверно знаем, что электрон, попавший в магнитное поле, изменяет свою траекторию. Это проявляется в электроннолучевых трубках, электродвигателях, ускорителях. Нашу Землю от бомбардировки частиц, летящих из космоса, защищает магнитное поле, что наблюдается в северном сиянии. Можно наблюдать рассеяние электронов на протонах.

Исходя из этого, можно предположить, что электрон, летящий к протону под действием сил притяжения, не будет оттолкнут от протона в пространство, а изменит свое направление и полетит по касательной к протону. Как близко он подлетит к протону, зависит от скорости электрона. Мы возвратимся к ситуации, изображенной на рисунке 1.

Что произойдет если электрон, движущийся по орбите а , поглотит некий фотон (Рис. 2)?

Предположим, что электрон некой массы, двигаясь по линии АБ , в точке Б попадает в зону действия протона. Взаимодействие между частицами должно заставить электрон двигаться по траектории БВГ . Если к этому времени он поглотит фотон или сумму фотонов, а это будет в том случае, если электрон затормозится, и уменьшить свою скорость, то его траектория изменится. И вот по какой причине.

К электрону добавилась порция энергии. Вследствие этого возросла масса и соответственно заряд электрона. Но величина заряда растет быстрее, чем величина массы. Из-за этих изменений сила притяжения между протоном и электроном частично возросла, но из-за преимущественного роста заряда магнитная сила Fm раньше развернет электрон, и теперь электрон будет двигаться по пути БВ1Г1 . И дальше электрон будет двигаться на этом уровне, непрерывно излучая и поглощая фотон одной и той же энергии.

Это динамически устойчивое состояние. Улететь в пространство электрон не может из-за сил Кулона, а упасть на протон ему не позволяют магнитные силы протона. Чем большей энергии фотон генерируется электроном для связи, тем сильнее связь электрона и протона. Это приводит к различной крепости ковалентной связи между атомами.

Чем больше скорость электрона, тем меньше его заряд, тем слабее на него воздействует магнитное поле протона и тем ближе подлетает электрон к ядру. Это является физической сущностью сокращения размеров тела при возрастании скорости тела.

Является ли это колебательное движение электрона вокруг ядра волной Луи Де Бройля? Возможно - да. Согласно Луи Де Бройлю движущаяся частица обладает длиной волны .

Из Рис. 2 видим, что электрон уменьшивший свою скорость, но увеличивший свою массу, оказался на более удаленной от ядра траектории b . Увеличение массы и траектория БВ1Г1 показывают, что длина волны уменьшилась. Об этом же и говорит энергия связного фотона. Чем меньше скорость электрона, тем короче могут генерироваться фотоны.

Но с другой стороны из формулы видно, что уменьшение скорости приводит к увеличению длины волны. И что пересилит что, не ясно. Если бы электрон перешел на орбиту b по траектории с , то совпадение с формулой Луи Де Бройля было бы полным, но противоречило бы нашей модели.

Естественно, что это только гипотеза. Автор, к сожалению, не может этого подтвердить (просто не умеет) хотя бы математическими выкладками. А задачка, кажется, простой: есть величины напряженностей электрической и магнитной составляющих, размеры тел, массы и другое. Может быть, кто-нибудь на досуге просчитает это и либо опрокинет, либо подтвердит истинность этой модели.

И вот, казалось бы, все просто – электрон подлетает к протону и атом готов. Но не получается. У нас есть достаточно и протонов, и электронов, а вот синтезировать такой соблазнительный атом золота никак не получается. В чем же дело?

Рассмотрим рисунок 3.

Зеленые стрелочки 1, 2, 3, 4 – это траектория электрона, а красные стрелочки 5, 6, 7 – это траектории движения обменного фотона. Как вы видите обменный фотон должен попадать все время на электрон. Если обменный фотон не попадет на электрон, то последний просто улетит от протона, что и происходит при рассеянии электронов на протонах. И сам обменный фотон уйдет в пространство.

Так как электрон это представляется громадным для фотона, то такое попадание может происходить несколько раз и только потом система разрушится. Об этом рассказано в статьях "Спонтанное излучение” , “Вынужденное излучение” и “Лазер и мазер”.

При соответствующем совпадении всех параметров, как на рисунке 4,

электрон может кружится вокруг ядра сколь угодно долго.

В предлагаемой модели электрон, и все другие элементы атома, ведут себя детерминировано. Нет никакой вероятности, все повторяется циклически – только измеряй. Но мы любим считать, хотя и не то. Так удобней.

Для тех кому не нравится предлагаемая гипотеза, могу предложить гипотезу об устройстве атома изложенную Ричардом Фейнманом.

И наконец немного философии. Какова бы не была модель атома: вероятностная, как сейчас принято считать мировой наукой, или детерминированной, как предполагаю я, или еще какая-нибудь модель, все равно возникает проблема синтеза атомов. Атомов в природе огромное множество. Они сами по себе не могут размножаться, как ДНК. Или я ошибаюсь?

Возможно для атомов во вселенной была какая-то зона на подобие субвитальной зоны, в которой возникло сразу много разнообразных ДНК. Для бесконечного мирового пространства наша вселенная – это бесконечно маленький участок, где и произошел синтез такого огромного количества атомов.

На первый взгляд для синтеза большого количества атомов вероятностная модель атома больше подходит, нежели детерминированная. Выбрал требуемое ядро, набрал соответствующее количество электронов, бросил электроны на ядро, которое притянет эти электроны к себе, а те примут требуемые состояния в этом ядре. Да дело в том, что существует запрет Паули. Все состояния должны быть различны. Как бы электроны не передрались за более комфортные места.

Читайте также: