Ядерная модель атома кратко

Обновлено: 04.07.2024

На уроке рассматриваются: понятия атомное ядро, опыты Резерфорда, планетарная модель строения атома; сравниваются модели атома Томсона и Резерфорда, даны некоторые сведения о фактах, подтверждающих сложное строение атома, о работах учёных по созданию модели строения атома.

Атомное ядро — тело малых размеров, в котором сконцентрирована почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Размеры ядра: диаметр порядка 10 -12 —10 -13 см (у разных ядер диаметры различны).

Размер атома: примерно 10 -8 см, т. е. от 10 до 100 тысяч раз превышает размеры ядра.

Планетарная модель атома Резерфорда: в целом атом нейтрален, в центре атома расположено положительно заряжённое ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, электроны движутся по орбитам вокруг ядра, заряд ядра, как и число электронов в атоме, равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

Ядро атома водорода названо протоном и рассматривается как элементарная частица.

Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза больше массы электрона.

Частота излучений атома водорода составляет ряд серий: серия Бальмера, серия Лаймана, серия Пашена и другие, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энергетических состояний.

Обязательная литература по теме урока:

Основное содержание урока

Долгое время, физика накапливала факты о свойстве вещества для полного представления о строении атома. И только в XIX веке изучение атомического строения вещества существенно сдвинулось с точки покоя.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

Важным свидетельством сложной структуры атомов явились исследования спектров, излучаемые веществом, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века в излучении атома водорода были открыты спектральные линии в видимой части спектра.

Идеи электронной структуры атома теоретически и гипотетически формулировались учёными. В 1896 году Хендрик Лоренц создал электронную теорию о том, что электроны являются частью атома. Эту гипотезу в 1897 году подтвердили эксперименты Джозефа Джона Томсона. Им был сформулирован вывод о том, что существуют частицы с наименьшим отрицательным зарядом - электроны и они являются частью атомов.

Таким образом, к началу XX века учёные сделали вывод о том, что атомы материи имеют сложную внутреннюю структуру. Они являются электрически нейтральными системами, а носителями отрицательного заряда атомов являются лёгкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Однако модель атома Томсона находилась в полном противоречии с экспериментами по изучению распределения положительных зарядов.

Электрон – наименьшая электроотрицательная заряжённая элементарная частица

Масса покоя электрона m_e = 9,1·10 -31 кг;

- отношение заряда электрона к его массе.

Немецкий физик Филипп фон Ленард в 1903 году проводил опыты, в которых пучок быстрых электронов легко проходил через тонкую металлическую фольгу. На основании этого Ленард предположил, что атом состоит из нейтральных частиц или нейтральных дуплетов с совмещённым положительным и отрицательным зарядами, рассредоточенными в атоме, где большая площадь представляет собой пустоту.

В 1904 году японский физик Хентаро Нагаока выдвинул гипотезу о том, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного кольцами из большого числа электронов, колебания которых и являются причиной испускания атомных спектров, по аналогии с теорией устойчивости колец Сатурна.

Но в физике уже более 200 лет существует главное правило: окончательный выбор между гипотезами может быть сделан только на основе опыта. Эксперименты, проведенные в первый раз Эрнестом Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании структуры атома.

30.08.1871 г. – 19.10.1937 г.

Британский физик новозеландского происхождения

Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года

Для экспериментального изучения распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд в 1906 г. предложил применить зондирование атома α-частицами, скорость которых составляет 1/15 скорости света.

Эти частицы возникают при распаде, например, радия и некоторых других радиоактивных элементов. Сами же α-частицы – это ионизированные атомы гелия, положительный заряд гелия в два раза больше заряда электрона ₊₂He. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжёлых элементов (золото, медь и др.). Если бы электроны были равномерно распределены по всему объёму атома (по модели атома Томсона), электроны не могли бы заметно изменять траекторию α –частиц, так как размеры и масса электронов в 8000 раз меньше массы α-частиц. Точно так же камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может изменить его скорость.

Изменение направления движения α-частиц может вызвать только массивная часть атома, при этом положительно заряжённая. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух. Радиоактивный препарат, помещался внутри свинцового цилиндра, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу из тяжёлого металла. После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать в микроскоп.

Чтобы обнаружить отклонение α-частиц на большие углы Резерфорд окружил фольгу экранами. Сотрудники Резерфорда вели счёт α-частиц, попадающих в регистрирующее устройство при отклонении их на от первоначального направления на определённый угол φ (фи). Данные из серии опытов, за определённый период времени, приведены в таблице:

И физика, и химия, а также другие науки долгое время старались найти ответ на вопрос о строении атома. Данное знание позволило бы науке продвинуться в изучении химических элементов, их свойств, связей между ними и их соединениях в веществах.

Атом — наименьшая часть химического элемента, сохраняющая его свойства.

Однако в конце XIX — начале XX веков данные представления были опровергнуты.

Предпосылками к открытию внутреннего строения атома стали:

В 1909 – 1911 годах свои опыты продолжал Э. Резерфорд. Он заявил об открытии, перевернувшем представления о химии не только общества философов, перед которым выступал ученый, но и всего научного мира.

Опыт Резерфорда по бомбардировке золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами показал, что некоторые частицы заметно отклонялись от первоначального направления движения. Открытие привело к установлению внутренней структуры атома.

Благодаря открытиям ученых конца XIX — начала XX веков удалось определить, что атом состоит из:

Атомное ядро состоит из элементарных частиц:

На самом деле, Резерфорд не создал новую модель атома. Своими опытами он опроверг одну модель Томсона и подтвердил состоятельность другой, которая изначально предполагала планетарное строение атома.

Самой сложной частью атома в то время являлось и до сих пор остается атомное ядро. Точное теоретическое описание модели атомного ядра практически не представляется возможным из-за малого размера частиц, составляющих его. Из-за этого появляется множество представлений о строении атомного ядра, некоторые из которых являются взаимоисключающими, противоречащими или дополняющими друг друга.

Теории строения атомного ядра начали выдвигаться учеными в 30-х годах 20 века. Были предложены:

оболочечная теория (Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон в 1932 году, дополнена М. Гёпперт-Майер и Х. Йенесоном в 1949 году);
капельная теория (Н. Бор в 1936 году);
кластерная или модель нуклонных ассоциаций (вторая половина 30-х годов 20 века);
статистическая (в 1936 году и в 1937 году была параллельно открыта Я. Френкелем и Л. Ландау);
коллективная (О. Бор и Б. Моттельсон в 1952 году);
обобщенная Бора – Моттельсона (также О. Бор и Б. Моттельсон в 1952 году);
сверхтекучая (предложена в 1958 году О. Бором и Дж. Валатином);
ротационная;
оптическая;
вибрационная.

Каково строение согласно модели Резерфорда

На сегодняшний день модель Резерфорда является единой утвержденной во всем мире. Атом, согласно общим представлением, представляет собой структуру, напоминающую планеты в космосе, вращающиеся вокруг Солнца.

Основная масса атома находится в атомном ядре, которое очень мало по отношению ко всему атому. Ядро положительно заряжено благодаря заряду протонов внутри него. Его размер равен примерно 10-14 — 10-15 метрам относительно размера всего атома, равного 10-10 метрам.

Вокруг атомного ядра по своим орбитам — электронным орбиталям — вращаются планеты-электроны. Они имеют отрицательный заряд, и в сумме с положительным зарядом ядра делают заряд всего атома электронейтральным.

Чем отличается от модели Томпсона

Томсон в своей модели атома попытался ответить на вопрос нейтрального заряда атома при явном наличии в нем отрицательно заряженных электронов.

Данная теория оказалась опровергнута Резерфордом в ходе его экспериментов по рассеиванию альфа-частиц.

Первая попытка создания модели атома была предпринята Дж. Томпсоном. Он полагал, что атом – это электронейтральная система формы шара с радиусом 10 - 10 м . На рисунке 6 . 1 . 1 . показано, как одинаково распределяется положительный заряд атома, причем отрицательные электроны располагаются внутри него. Чтобы получить объяснение линейчатых спектров атомов, Томпсон тщетно пытался определить расположение электронов в атоме, для расчета частоты их колебаний в положении равновесия. Спустя время Э. Резерфорд доказал, что заданная Томсоном модель была неверна.

Рисунок 6 . 1 . 1 . Модель Дж. Томпсона.

Электроны в атоме. Опыты Резерфорда и Томпсона

Внутренняя структура атомов была исследована Э. Резарфордом, Э. Марсденом, Х. Гейгером еще в 1909 - 1911 годах. Было применено зондирование атома α -частицами, возникающими во время радиоактивного распада радия и других элементов. Их масса в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равняется удвоенному элементарному заряду.

В опытах Резерфорда были использованы α -частицы, имеющие кинетическую энергию 5 М э в .

Альфа-частицы – это ионизированные атомы гелия.

Рисунок 6 . 1 . 2 . Схема опыта Резерфорда по рассеянию α -частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

Радиоактивный источник, заключенный в свинцовый контейнер, располагается таким образом, что
α -частицы направляются от него к тонкой металлической фольге. Рассеянные частицы попадают на экран со слоем кристаллов сульфида цинка, светящиеся от их ударов. Сцинтилляции (вспышки) можно наблюдать при помощи микроскопа. Угол φ к первоначальному направлению пучка не имеет ограничений для данного опыта.

После испытаний было выявлено, что α -частицы, проходящие через тонкий слой металла, не испытывали отклонений. Наблюдались их отклонения и на углы, превышающие 30 градусов и близкие к 180 .

Модели атомов Томпсона и Резерфорда

Результат Резерфорда противоречил модели Томпсона, так как положительный заряд не был распределен по всему объему атома. Согласно модели Томпсона, заряд не имеет возможности создавать сильное электрическое поле, которое впоследствии отбросит α -частицы. Такое поле однородно заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля к центру.

При уменьшении радиуса шара с положительным зарядом атома максимальная сила отталкивания, действующая на α -частицы, по закону Кулона увеличилась бы в n 2 раз.

Если размеры α -частиц достаточно большие, тогда рассеивание может достичь угла в 180 градусов.

Резерфорд пришел к выводу, что пустота атома связана с наличием положительного заряда, сосредоточенного в малом объеме. Данная часть была названа атомным ядром.

Далее возникла ядерная модель атома, показанная на рисунке 6 . 1 . 3 .

Рисунок 6 . 1 . 3 . Рассеяние α -частицы в атоме Томсона ( a ) и в атоме Резерфорда ( b ) .

Резерфорд выяснил, что центр атома имеет положительно заряженное ядро с диаметром 10 - 14 - 10 - 15 м . Оно занимает 10 - 12 полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и около 99 , 95 % его массы. Вещество, входящее в состав атома, предполагало наличие плотности p ≈ 10 15 г / с м 3 , а заряд ядра равнялся суммарному заряду электронов. Было установлено, что при взятии за 1 значение заряда электрона, заряд ядра равнялся числу из таблицы Менделеева.

Планетарная модель

Опыты Резерфорда приводили к радикальным выводам и сомнениям ученых. Используя классическое представление о движении микрочастиц, он предлагает планетарную модель атома. Ее смысл заключался в том, что центр атома состоит из положительно заряженного ядра, которое является основной частью массы элементарной частицы. Атом считается нейтральным. При наличии кулоновских сил вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны, как показано на рисунке 6 . 1 . 4 . Электроны всегда находятся в состоянии движения.

Рисунок 6 . 1 . 4 . Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

Предложенная Резерфордом планетарная модель была толчком в развитии знаний о строении атома. Благодаря ей, опыты по рассеиванию α -частиц смогли объяснить. Но вопрос об его устойчивости остался открытым. Исходя из закона классической электродинамики, заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны, забирающие и распределяющие энергию. За время 10 - 8 с все электроны потратить всю энергию, вследствие чего упасть на ядро. Так как это не происходит, есть объяснение – внутренние процессы не выполняются согласно классическим законам.

Планетарная модель атома Резерфорда

Противоречия модели атома (по Резерфорду)

Оставаясь в рамках классической механики, Резерфорд не смог разрешить данные противоречия.

Постулаты Бора

В атоме существуют устойчивые (стационарные) орбиты, движение электрона по которым не сопровождается излучением или поглощением энергии.
При переходе атома из одного стационарного состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта энергии:

h • v_mn = Е_m – Е_n.

Момент импульса электрона, находящегося на стационарной орбите, квантуется:

m • υ_n • r_n = n • ħ,

где n — номер стационарной орбиты, ħ = h/2p = 1,05 • 10 –34 Дж•с — постоянная Планка (аш (h) с чертой).

Боровская модель атома водорода. Серия Бальмера.
Спектры испускания и спектры поглощения

Атом с одним вращающимся вокруг ядра электроном называется водородоподобным атомом.

Боровская модель атома водорода описывает атом водорода и водородоподобные атомы.

Энергетический уровень — энергия, которой обладает электрон в атоме, находящемся в определенном стационарном состоянии.

Основное состояние атома — состояние с минимальной энергией.

где k = 9•10 9 Н•м 2 /Кл 2 ; m = 9,1 • 10 –31 кг — масса электрона; е = –1,6 • 10 –19 Кл — заряд электрона; h = 6,62 • 10 –34 (Дж•с) — постоянная Планка.

Линейчатый спектр — спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различной интенсивности. Излучение, которое испускают атомы, образует линейчатый спектр.

Линейчатый спектр включает в себя резко очерченные цветные линии, которые обязательно отделяются друг от друга широкими темными промежутками. Расположение спектральных линий строго упорядочено и индивидуально для каждого вещества.

Атом испускает квант энергии, если m > n — все возможные частоты, вычисленные по данной формуле, дают спектр излучения атома водорода.

Атом поглощает квант энергии, если m

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система;
при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.
В основу своей теории Бор положил два постулата.

^ Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает. Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определенная энергия.

^ Второй постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: ;

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система;
при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр.

Читайте также: