Историята на развитието на теорията за структурата на атома

Понятието "атом" (неделимо) е въведено от древногръцките философи през годините 500-200. Пр.н.е. да опише структурата на околния свят. До края на 19 век се смяташе, че атомът е най-простата неделима частица. Първите предположения за сложността на структурата на атома се появяват при изследване на радиоактивността, електрохимичните процеси, катодните лъчи и други явления. По-късно беше установено, че радиоактивността е поток от частици: α - He 2+ ядра, β - електрони и γ - рентгенови лъчи.

12.1.1 Модел на атома на Ръдърфорд

Е. Ръдърфорд през 1911-1913 изследва преминаването на α-частици през метално (златно) фолио. Същността на експеримента е показана на фигура 12.1.

Фигура 12.1 - Преминаване на α-частици през фолиото

Оказа се, че повечето от α-частиците (двойно йонизиран хелий He +2 атом) преминават през фолиото и не се отклоняват, а само малка част променя посоката и дори е хвърляна в обратната посока. Въз основа на това беше направено заключението, че в много малка част от обема на атома има положително заредена частица с голяма маса, сблъсквайки се с която α-частицата е променила посоката си на движение.

Въз основа на получените експериментални данни Е. Ръдърфорд предложи модел на атома, според който атомът се състои от положително заредено ядро, заемащо малък обем, в който е концентрирана по-голямата част от атома, и отрицателно заредени леки частици - електрони. Такава система може да бъде стабилна, при условие че електроните се въртят около ядрото и центробежната сила на въртенето на електроните трябва да бъде равна на електростатичното привличане на електрони към ядрото. Такъв модел, по аналогия със Слънчевата система, беше наречен планетарен.

Въпреки недостатъците, моделът на Ръдърфорд за атома първо дава правилна представа за общата структура на атома, но тя не може да обясни следното:

1) стабилност на ядрото - електронна система. Когато се движи около ядрото, електронът трябва непрекъснато да излъчва енергия, което ще доведе до намаляване на радиуса на орбитата на електрона и в крайна сметка електронът трябва да падне върху ядрото. Всъщност при липса на външно влияние атомът не излъчва енергия;

2) управляваната природа на атомния спектър. Съгласно предложения модел радиусът на електронната орбита трябва непрекъснато да намалява, което трябва да доведе до непрекъснат спектър. Но изследването на спектрите на атомите показа, че те имат линейна природа. Този факт показва, че електроните излъчват и абсорбират енергия не непрекъснато, а на отделни порции ("кванти").

Датският физик Нилс Бор успя да премахне тези противоречия.

Моделът на атома на Бор

През 1900 г. Макс Планк показва, че енергията на електромагнитното излъчване във видимата част на спектъра се квантува, т.е. светлината се излъчва и абсорбира не непрекъснато, а на отделни порции - kwan­тами. Енергията на квантите (E) е свързана с честотата на излъчване (υ) в следната форма­лой:

където h е константата на Планк.

Въз основа на квантовата теория на излу­Чения, Нилс Бор стигна до заключението, че електронът в атома може да приема не всякакви, а строго определени енергийни стойности. Преходът на електрон от едно енергийно ниво към друго е придружен от емисията­чрез поглъщане или поглъщане на определен квант електромагнитно излъчване.

Въз основа на квантовата теория на радиацията и планетарния модел на атома според Ръдърфорд, Бор предложи модел на атома, който се основава на следните постулати:

1) електрон в атом може да се върти около ядрото не по никоя, а само по строго определени орбити, които се наричат ​​неподвижни;

2) движейки се по неподвижни орбити, електронът не излъчва енергия;

3) при преминаване от по-ниска към по-висока орбита електронът поглъща енергия, равна на енергийната разлика между съответните орбити. Това състояние на електрона се нарича възбудено. Той остава в това състояние за около 10 -8 секунди и след излъчване на излишна енергия се връща към стационарна орбита.

Информация за състоянието на електроните в атома се предоставя от спектрите на електронните преходи, които в зависимост от метода на изследване се разделят на абсорбционни и емисионни спектри (емисионен спектър). Образно казано, можем да кажем, че спектърът е огледало на електронни състояния. Математическият апарат, предложен от Бор, даде възможност да се изчисли спектърът само на водородния атом и водород-подобни атоми.

Основните недостатъци на модела на атома на Бор:

1) моделът беше неприложим за описание на спектрите на атоми, по-сложни от водорода;

2) моделът не може да обясни различните интензитети на спектралните линии в спектъра дори на водороден атом.

12.2 Съвременни представи за строежа на атома

През 1924 г. Луи дьо Бройл предполага, че всички движещи се частици материал, включително електроните, трябва да имат вълнови свойства.

Комбинирайки уравненията на М. Планк (E = h ν) и А. Айнщайн (E = mc 2), той извежда уравнение за изчисляване на дължината на радиационната вълна на всяка движеща се частица

където h е константата на Планк,

m е масата на частицата, V е скоростта на нейното движение.

До 1927 г. вълновите свойства на електрона са експериментално потвърдени (дифракция и интерференция на електроните). Тоест, за да се опише състоянието на електрон в атом, е необходимо да се вземат предвид неговите вълнови свойства. Следователно можем да говорим за вероятността да намерим електрон в определена област от пространството. С оглед на това терминът "орбита" е заменен с термина "орбитален".

---