Какие открытия и явления свидетельствовали о том что атом представляет собой сложную систему кратко

Обновлено: 05.07.2024

Сегодня на уроке мы изучим такую немаловажную тему как строение атома,этих мельчайших частиц из которых состоит все что нас окружает и даже мы с вами.

  • Гипотеза о существовании атомов, тех неделимых частиц, различные конфигурации которых в пустоте образуют окружающий нас объективный мир, так же стара, как и наша цивилизация. Понятие атома существует уже по крайней мере 25 столетий.
  • Демокрит (460-370 гг. до н.э.). Демокрит происходил из богатого и знаменитого рода в северной Греции. Все доставшиеся ему в наследство деньги он потратил на путешествия. За это его осудили: по греческим законам растрата отцовского имущества являлась серьезным преступлением. Но он был оправдан, так как ему удалось доказать, что в своих путешествиях он приобрел обширные знания. В конечном счете, горожане признали Демокрита мудрецом и выделили денежное содержание, которое позволило ему продолжать научные занятия. Основные элементы его картины природы таковы. Все тела состоят из атомов, которые неделимы и имеют неизменную форму. Число атомов бесконечно, число различных типов атомов тоже бесконечно. Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения. Философ был настолько убежденным атомистом, что даже человеческую душу представлял в виде комбинации атомов.
  • В России идеи о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765).
  • Английский ученый Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного описания свойств атомов. Именно им было введено понятие атомной массы и составлена первая таблица относительных атомных масс различных химических элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, т.е. бесструктурная, частица вещества.
  • Однако к концу 19-го века появляются неопровержимые факты, свидетельствующие о сложном строении атома. Наиболее серьезный удар по привычным представлениям об атомах нанесло открытие электрона – частицы, входящей в состав атома.



Чтобы определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) проводит следующий эксперимент. Его экспериментальная установка представляет собой вакуумную электронно-лучевую трубку (рис.). Накаливаемый катод К является источником катодных лучей, которые ускоряются электрическим полем, существующим между анодом А и катодом К. В центре анода имеется отверстие. Катодные лучи, прошедшие через это отверстие и движущиеся прямолинейно со скоростью v, попадают в точку G на стенке трубки S напротив отверстия в аноде. Если стенка S покрыта флуоресцирующим веществом, то попадание частиц в точку G проявляется как светящееся пятнышко. На пути от A к G частицы проходят между пластинами конденсатора CD, к которым может быть приложено напряжение от батареи.

Опыты проводились таким образом, что отклонение катодных частиц (корпускул, согласно терминологии Джозефа Джона Томпсона) электрическим полем было скомпенсировано воздействием магнитного поля (пятнышко при этом возникало в точке G). Приравняв действующие на частицы силы, можно найти отношение e/m заряда частицы к её массе. Он оказался почти в 1840 раз больше, чем удельный заряд самого лёгкого иона водорода, который был определён до этого из других опытов. Если считать, что заряд корпускулы равен по модулю заряду иона водорода ( ), то масса катодной частицы оказывается почти в 1840 раз меньше массы иона водорода.


  • Этой задачей занялся ^ Эрнест Резерфорд (1871-1937 гг.) – английский ученый, известный своими исследованиями строения атома и радиоактивности, один из создателей атомной и ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского королевского общества – академии наук Англии, почетным членом более 30 академий и научных обществ разных стран мира, в том числе Академии наук СССР. В 1908 году он был лауреатом Нобелевской премии за исследования радиоактивности.

В лаборатории Резерфорда были проведены следующие эксперименты ( см. рис .). В качестве бомбардирующих частиц взяли тяжелые α –частицы, которые лучше всего подходили для изучения строения атома. Чтобы по возможности точнее исследовать единичные столкновения частиц с атомами мишени, было желательно, чтобы сама мишень была как можно тоньше. К счастью, золотая фольга обладает тем замечательным свойством, что путем расплющивания ее можно сделать исключительно тонкой, толщиной всего лишь в 400 атомов золота.

В ранних экспериментах исследовались малые углы рассеяния и было обнаружено, что практически все частицы проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц (угол отклонения порядка одного градуса).

Видео YouTube

Согласно расчетам положительный заряд атома должен быть сосредоточен в сфере радиусом порядка 10 -12 см. Электроны же распределены вокруг ядра в области, размеры которой порядка 10 -8 см . Электрон не может стоять на месте: иначе он упадет на ядро из-за электрического притяжения. Но электрон может вращаться вокруг ядра, и тогда мы получим своего рода солнечную систему заряженных частиц, если назвать ее так по аналогии с планетарной солнечной системой. Неужели природа так экономна? Неужели наш мир так устроен, что в качестве основы атомного строения материи лежит повторение в атомных масштабах планетарной солнечной системы?

После предположения Резерфорда возник кризис, который привел к полному краху классической физики и замене ее квантовой механикой. Дело в том, что модель Резерфорда обладает одним пороком. Этот порок непреодолим, неизбежен и губителен; он вытекает непосредственно из теории Максвелла.

Особой заслугой теории Максвелла было предсказание того факта, что движущаяся с ускорением заряженная частица, например вращающийся по кругу электрон, будет излучать электромагнитные волны. Электрон, вращающийся вокруг положительного заряда в планетарной модели атома, должен излучать свет с частотой, равной частоте его обращения. Излучая свет, электрон теряет энергию. При этом он будет приближаться к положительному заряду, пока, непрерывно излучая, не упадет на ядро. Время, за которое электрон упал бы со своей орбиты на ядро, чрезвычайно мало, порядка миллиардной доли секунды, что абсолютно не согласуется с нашим ощущением устойчивости атома. Далее, излучение, испущенное электроном во время падения, было бы непрерывным, причем его частота возрастала бы с уменьшением радиуса орбиты электрона. Спектр атома был бы непрерывным, тогда как эксперимент дает линейчатый спектр для излучающего атома.

Ребят во избежании проблем с заданием прошу после открытия каждого документа создавать его копию ( файл-создать копию ) , переименовать ( указываем Фамилию и Имя) ,и уже в этой копии начинаем работать.

Откройте документ под названием Резерфорд и выполните задание. Вам надо соединить правильный ответ при помощи стрелок.

Резерфорд

В 1913 году Бор выдвинул ряд постулатов. Его цель заключалась в том, чтобы объяснить устойчивость атома и образование линейчатых спектров. Для этого необходимо было предположить следующее (оформление опорного конспекта):


Каждое из предположений – условие квантования, отсутствие излучения при нахождении электрона на одной из стационарных орбит и излучение света при переходе с одной орбиты на другую – противоречит классической теории. Однако ведь надо же было каким-то образом постулировать устойчивость атома!

Конечно, было несколько самонадеянно выдвигать предположения, противоречащие электродинамике Максвелла и механике Ньютона, но Бор был молод и смел. О правильности его предположений свидетельствовало совпадение с экспериментом. Блестящее совпадение теоретических и экспериментальных исследований было получено для спектральных линий водорода, хотя количественного описания атомов других элементов Бору дать не удалось.


(n –главное квантовое число;

состояние атома с n=1 соответствует наименьшей отрицательной энергии Е 1 атома и называется основным состоянием ;
состояния с n>1 называются возбужденными состояниями атома;
при n→∞ энергия связи электрона с атомом стремится к нулю, т.е. электрон становится свободной частицей; таким образом, энергия Е 1 равна энергии ионизации атома;
выше нулевого значения энергии находится область положительных непрерывно изменяющихся энергий свободного электрона)
Обратить внимание, что происхождение различных серий в спектре водорода объясняется тем, на какой энергетический уровень переходит возбужденный атом. Серия Лаймана (в ультрафиолетовом участке спектра) возникает при переходах атомов из возбужденных состояний в основное состояние (т.е. на первый энергетический уровень). Серия Бальмера для видимого участка спектра – при переходах атомов в первое возбужденное состояние (т.е. на второй энергетический уровень), серия Пашена (в инфракрасном участке спектра) – на третий энергетический уровень.

Видео YouTube

Насколько я помню, в институтском курсе физики говорилось о переходе электронов на разные энергетические слои, в зависимости от состояния атома. Чем ближе электрон к ядру, тем меньше его энергия, и наоборот. Это явление абсолютно точно доказывает, что атом состоит из нескольких видов частиц.

1. Явление радиоактивного распада.

3. Лазерное излучение.

При опыте Резерфорда (бомбардировке фольги а-частицами) было обнаружено отклонение траектории некоторых а-частиц почти на 180 градусов, что противоречило модели атома Томпсона (неделимый шарик напичканый электронами, как булка с изюмом) . Опыт показал, что атом представляет собой положит. заряженное ядро, значительно меньшее по размеру, чем атом, но в котором сконцентрирована почти вся масса атома, и электронов, вращающихся по стационарным орбитам. Так называемая планетарная модель, противоречащая динамике Ньютона и электродинамике Максвелла. Отсюда началась эра квантовой механики и электродинамики. Ядро тоже само по себе имеет свойство делиться на составные части (радиоактивность) . Электроны могут переходить из одного стационарного состояния в другое (лазерное излучение) , и могут вообще покинуть атом полдучив квант энергии нужной частоты (фотоэффект).

Я конечно не физик-ядерщик но для меня сложность строении вообще всего живого кажется сложным когда смотрю на простую вещь. Это чай и сахар в стакане. Вот размешали сахар и он исчез. Не чудо ли? Не доказательство ли сложности строения атомов и молекул? А всего лишь молекулы сахара перешли в межмолекулярное пространство воды.

Сложность строения атома можно показать на примере радиоактивного распада: появление элементарных частиц и преобразование одного вида атома в другой наглядно свидетельствуют об этом, так и была опровергнута гипотеза о неделимости атома, а в последствии и его ядра, что в целом послужило началом зарождения атомной физики и создания ядерной бомбы

Атомы представляют собой очень прочные системы, несоизмеримо более устойчивые, чем составленные из атомов молекулы. Такие внешние воздействия, как нагрев, изменение давления, мощные электрические разряды и т.д., приводят лишь к незначительным изменениям атомов: они могут ионизоваться. Поэтому до конца XIX в. атомы считали простейшими неделимыми частицами вещества. Однако последующее развитие науки опровергло эту точку зрения. Было установлено, что атомы представляют собой сложные образования. Об этом свидетельствуют следующие факты.

1. Электромагнитная теория света свидетельствует, что атомы содержат в себе электрические заряды, способные перемещаться. Действительно, согласно теории Максвелла, электромагнитные волны излучают ускоренно движущиеся заряды. Но атомы, как показывал опыт, способны испускать свет, причем не только оптического диапазона — электромагнитные волны. Следовательно, в состав атомов входят ускоренно движущиеся заряды.

2. Изучение электропроводности металлов показало, что в состав атомов входят отрицательно заряженные частицы (электроны).

3. Закон электролиза, открытый М. Фарадеем, свидетельствовал в пользу существования мельчайших неделимых носителей электрического заряда.

При электролизе 1 моль любого n-валентного вещества переносит заряд \(|q| = nF = 96500 \cdot n\) Кл, где F — постоянная Фарадея. На один ион приходится заряд \(|q| = \dfrac = 1,6 \cdot 10^n\) Кл, где NA — постоянная Авогадро.

Эту закономерность легко понять, если принять, что заряд |e|= 1,6 • 10 -19 Кл является мельчайшей порцией заряда — элементарным зарядом. Значит, в состав атомов электролитов входят частицы с зарядом e.

4. В 1879 г. при пропускании электрического тока через разряженный газ в трубке были обнаружены так называемые катодные лучи, представляющие собой частицы, летящие от катода к аноду. Они отклоняются в электрическом и магнитном полях, дают тень фигурного анода на светящемся стекле и т.д. В 1897 г. Дж. Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой поток электронов. Причина их появления — бомбардировка катода ионами разреженного газа, ускоренными в электрическом поле между катодом и анодом. Следовательно, в состав атомов катода входят электроны.

5. В. Рентген открыл так называемые Х-лучи (рентгеновские лучи), которые возникали при торможении быстрых электронов у анода. Существование рентгеновских лучей свидетельствовало о каких-то процессах, происходящих внутри атома, о сложном строении самого атома.

6. Решающее доказательство того, что в состав любого атома входят и положительно, и отрицательно заряженные частицы, получил французский ученый А. Беккерель. В 1896 г. он обнаружил явление естественной радиоактивности, при котором из атомов вылетают электроны и положительно заряженные частицы, получившие название \(~\alpha\)-частиц.

Таким образом, все приведенные факты, а также многие другие явления свидетельствуют о сложной структуре атома. В результате возникла необходимость создания модели атома.

Первую модель атома предложил Дж. Томсон. Согласно этой модели, атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находится такое количество электронов, чтобы атом в целом был электрически нейтрален. Эти электроны могут совершать колебания, что позволяет объяснить излучение атомом электромагнитных волн.

Эта модель имела ряд недостатков.

Она не могла объяснить наличие большого числа линий в спектрах атомов.

Модель не позволяла объяснить спектральные закономерности в спектре атома водорода (см. § 20.9), найденные эмпирически.

Модель Томсона не давала возможности понять, чем определяются размеры атомов.

Главный же фактор, заставивший отказаться от модели Томсона, состоял в том. что эта модель оказалась в полном противоречии с опытом Э. Резерфорда.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 573-574.

Вопрос о том, какое место в веществе занимают электрические заряды и какую роль в строении вещества они играют, долгое время оставался неясным. Во второй половине XIX в. было открыто много явлений, указывающих на сложное строение атома. Анализ этих явлений показал, что электрические заряды должны входить в состав атомов. Поскольку вещество в естественном состоянии электрически нейтрально, можно было предполагать, что в каждом атоме должны находиться равные по величине положительные и отрицательные электрические заряды.

На сложное строение атома указывали прежде всего всевозможные химические реакции. Образование молекул из атомов и перестройка молекул при химических реакциях доказывали, что между атомами действуют силы притяжения, наличие которых можно объяснить присутствием в атомах разноименных электрических зарядов.

Работы Д. И. Менделеева наглядно выявили периодичность свойств химических элементов, которую можно было объяснить повторяемостью комбинаций в расположении электрических зарядов внутри атомов.

Открытые М. Фарадеем законы электролиза (гл. 19) показали, что в веществе должны находиться неделимые (элементарные) электрические заряды, которые, по-видимому, одинаковы для всех атомов.

При изучении тока в разреженных газах (§ 20.4), при фотоэффекте (§ 35.6) и в ряде других случаев были обнаружены отрицательно заряженные частицы, которые англичанин Д. Стони назвал электронами.

Французский ученый А. Беккерель в 1896 г. установил, что урановые руды создают излучение, имеющее сложный состав, а позднее выдающийся английский ученый Э. Резерфорд доказал, что оно состоит из трех видов лучей, получивших название альфа-лучей (а-лучей), бета-лучей (-лучей) и гамма-лучей (у-лучей). Исследования показали, что а-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц (а-частиц), -лучи — поток электронов, а у-лучи — очень короткие электромагнитные волны (§ 37.2).

На основе всех этих исследований были созданы различные модели строения атомов вещества из электрических зарядов, однако подлинное строение атомов было раскрыто только в 1911 г. Э. Резерфордом, когда он изучал рассеяние а-частиц веществом (§ 14.3).

Читайте также: