Открытие делимости атома кратко
Обновлено: 02.07.2024
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.
Метафизические концепции материи становятся особенно опасными для науки при объяснении новых явлений, так как могут привести ее к кризисам. Примером такого кризиса была ситуация, возникшая в физике конца XIX — начала XX века. Это было время революции в естествознании, связанной с коренной ломкой прежних представлений о строении материи. Одним из важнейших было открытие делимости атома.
В естествознании долгое время (с XVII до конца XIX столетия) атомы считались пределом делимости материи, а ее неуничтожимость связывалась с сохранением массы атома. Здесь была своя логика: если атом неделим, то количество материи в нем всегда остается одним и тем же. В ньютоновской физике это количество характеризовалось особой физической величиной. Масса трактовалась как мера количества материи. В физике были и другие определения массы (например, масса как мера инерции и т. п.). Но истолкование массы как количества материи долгое время считалось основным, обеспечивающим построение научной картины мира. Неразрушимость атомов означала, что их количество в природе остается постоянным, хотя и бесконечно большим. Отсюда следовало, что их суммарная масса также сохраняется, что истолковывалось как сохранение материи.
Эта философская гипотеза была предпосылкой открытия делимости атома. Она явилась итогом новых подходов к пониманию материи, опирающихся на прогрессивные научные идеи и их диалектическое обобщение. Резерфорд в своих рассуждениях в каких-то чертах повторил тот путь, который уже был проделан предшествующей историей философской мысли: в развитии диалектико-материалистических взглядов на материю существенную роль сыграло осмысление великих открытий естествознания XIX века, среди которых важное место занимала и теория Ч. Дарвина.
Преодоление метафизических взглядов на материю было условием не только открытия делимости атома, но и последующей правильной интерпретации этого открытия. В эпоху революции в естествознании конца XIX — начала XX века возникли серьезные трудности, связанные с оценкой и включением принципа структурности и делимости атома в научную картину мира. (Господствовавшее в среде физиков того времени отождествление неуничтожимости материи с неразрушимостью атомов привело к истолкованию делимости атома как исчезновения материи.
Диалектико-материалистическое понимание материи имеет важное значение не только для естествознания, но и для общественных наук. Оно является предпосылкой для последовательной разработки материалистического понимания истории, позволяет рассмотреть общественную жизнь как функционирование и развитие сложной материальной системы — человеческого общества, которая включает в качестве своего неотъемлемого аспекта духовные процессы. Включенность сознания в ткань истории общества не противоречит рассмотрению самого общества как целостного материального объекта. Сознание может существовать только в рамках этого объекта. Оно возникает как продукт эволюции материи в неразрывной связи со становлением практики и общественных отношений. Рассматривая сознание как особую реальность, диалектический материализм выделяет один из аспектов, одну из сторон жизнедеятельности человека как общественного существа. Этот аспект можно превратить в самостоятельный предмет изучения, но отсюда не следует, что сознание в реальности существует как отделенный от материи особый предмет.
Когда в философии впервые прозвучало слово "атом", никто даже не думал, что вопрос о его делимости возникнет. Как никак само слово "атом" произошло от слова "ἄτομος", что означает "неделимый".
Именно об этом и думал Демокрит, когда разрабатывал свою концепцию мира.
1. Материя не делится до бесконечности, деление заканчивается на атомах.
2. А вот атомов во Вселенной - бесчётное количество.
3. У них есть бесчисленное количество форм.
4. Они движутся в Великой Пустоте. Между ними - пустота.
5. Они не могут соприкасаться, разве только приближаться и собираться в тела. Но даже внутри тел между ними пустота.
Демокрит называет атомы идеями. Он утверждает, что у атомов нет запаха, звука, цвета, вкуса, но есть "видики", которые уже воздействуют на наши чувства и благодаря которым мы и воспринимаем разные свойства тел.
Потом случились Средние Века, где про атомизм забыли.
Возвращение атомизма
На счастье науки, Руджер Бошкович в середине XVIII века вспомнил про атомизм. Он соединил концепции Ньютона и Лейбница, в результате чего представлял пространство состоящим из непротяженных точек-атомов, являющихся центрами сил.
Чуть позже к атомизму пришёл и Джон Дальтон. Именно он сказал, что атомы - это химические элементы. Он считал, что их нельзя создать, уничтожить, разделить; можно только менять их группировку. На тот момент человечество действительно этого не умело, так что он был прав. На тот момент.
Концепция Бошковича помогла Фаррадею продумать теорию силовых полей, а атомизм Дальтона прочно укрепился среди химиков и физиков.
Но в конце XIX века обнаружили, что атомы вполне делимы и состоят из более мелких частиц. Но менять название не стали: поздно.
Современные представления
Сейчас атомизм - лишь убеждение, что когда-то делимость частиц всё же закончится. Найдутся те элементарные частицы, которые не состоят из более мелких частиц.
Обратная атомизму теория Бесконечно Вложенной Материи, или фрактальная теория, предлагает обратное: вещество бесконечно делимо. Всегда есть более глубокие уровни. Нет принципиального отличия между уровнем галактики и уровнем атома.
Физика относится к науке полной тайн и загадок, а одной из увлекательных страниц ее истории, несомненно, является открытие строения сложного атома. Так к концу XIX века в обществе витало много предположений, что строение атома не так уж и просто. Все это стало известно благодаря открытию электролиза и самого электрона. Теории о существовании атома, как неделимой частицы, которая нас окружает, уходит своими корнями еще в далекое прошлое. Само понятие атом существовало еще и до н.э. Ученый Демокрит был убежденным исследователем атома. Он представлял себе картину мира следующим образом.
Все тела состоят из атомов, у которых неделимая и неизменная форма, число этих атомов неограниченно, так же как и число их типов, они смело могут образовывать различные соединения, благодаря различным крючкам и выступам, ну и ко всему они находятся в постоянном движении. В России огромное значение в исследовании атомной теории внес Ломоносов, разделяя две части материи – элементы и корпускулы. Основываясь на этих данных, ученые физики продолжали философствовать о строении атома, и, вскоре, после открытия электрона в 1897 году, Дж. Дж. Томсоном была представлена модель атомного строение.
Согласно модели Томсона атом имеет положительный заряд, который равномерно заполняет весь его объем, внутри его расположены электроны, тем самым атом несколько напоминает пудинг с изюмом. Предполагалось, что электронов большое количество, и они могут находиться в движении. Сам атом являлся электро-нейтральным. Устойчивость атома определяло расположение электронов. Своей разработкой Томсон трактовал ряд физических явлений у некоторых веществ.
Вскоре была доказана несостоятельность этой теории. Модель строения атома Томсона противоречила опытам, которые были проведены Резерфордом. Резерфорд – это выдающийся ученый, основатель некоторых направлений в физики, лауреат Нобелевской премии. В начале 19 столетия, благодаря своим исследованиям, он доказал то, что атом имеет ядро. Оно заряжено положительно и занимает небольшую часть у атома, вокруг самого ядра двигаются электроны. Эти данные были опубликованы в Лондонском журнале по философии 1911 года.
Д.И. Менделеев, открыв свой закон, подтвердил то, что между химическими элементами есть своя закономерность. Отсюда следовал вывод – все атомы тоже имеют что-то общее. До конца XIX века, считалось, что атом не может разрушаться, но в дальнейшем были сделаны открытия по строению атома, оно достаточно сложное, ко всему у него есть способность к превращениям. Так было доказано выделение электронов, получение рентгеновских лучей (В. Рентген в 1895 году) и радиоактивного излучения (А. Беккерелей в 1896 году).
Большой шаг в исследовании строения атома сделал Н. Бор. Им был сделан анализ всех данные, что привело его к выводу – описание систем атомов не должно ограничиваться привычными представлениями в физики. Им были написаны постулаты – о стационарных состояниях и правило частот. Его теория оказала огромный клад в развитие физики, химии, выяснении структуры атома, спектроскопии и т.д. Но оставались вещи, которые она и не могла объяснить. Так Бор представлял, что движение электронов просто механическое, хотя оно не являлось таковым. В дальнейшем это было объяснено с помощью новой теории кванта.
Открытие урана в 1939 году доподлинно подтвердило, что атом способен делится. Ко всему он состоит не только из мелких частиц. Эти части способны к самопроизвольному испусканию при радиоактивном разрушении. Атом еще и способен давать излучение, и которое может быть не только видимое, но также и электромагнитное (пример: х-лучи).
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.
Читайте также: