Атом (от греч. atomos – неделимый) Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими. - презентация

1 Атом (от греч. atomos – неделимый) Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами.

2 У огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды гладки, поэтому она способна течь. По-видимому, первыми начали проповедовать атомистическое учение философ Левкипп с острова Милет в 5 в. до н.э. и его более известный ученик Демокрит из Абдеры Кусочки материи. Демокрит ( до н.э.) полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов.

3 Простейший атом – атом водорода – представлял собой, по мнению У. Томсона, положительно заряженный шар, в центре которого находится электрон. в 1902 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) высказал предположение о том, что атом представляет собой сгусток положительно заряженной материи, внутри которого равномерно распределены электроны.

4 Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом»). Дж. Дж. Томсон в 1904 г. предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами, расположенных в одной плоскости и образующих концентрические полосы....атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд... С этой новой моделью Томсон отказался от своей более ранней гипотезы «туманного атома» (nebular atom), представлявшей атом состоящим из нематериальных вихрей.

5 Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг положительного ядра, занимающего основную часть объема, вокруг которого по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Научная общественность не обратила внимание на эту работу Нагаоки. Нагаока отказался от неё в 1908 году, но два следствия из нее оказались верными: ядро атома действительно очень массивно; электроны удерживаются на орбите благодаря электростатическим силам (подобно тому, как кольца Сатурна удерживаются гравитационными силами).

6 В 1910 году английский физик Эрнст Резерфорд со своими учениками Гейгером и Марсденом провели эксперимент, который дал результаты, необъяснимые с точки зрения модели Томсона. В то время уже была открыта радиоактивность. Радиоактивные вещества способны испускать не только лучи высокой энергии, но и частицы высокой энергии, которые способны проникать сквозь многие предметы. Такие частицы называются альфа-частицами. Поток альфа-частиц направлялся на тонкую золотую фольгу толщиной приблизительно атомов, а затем становился видимым на экране со светящимся покрытием из свинцового цинка Обнаружилось, что не все альфа-частицы проходят фольгу насквозь по прямой траектории. Некоторая их часть заметно отклонялась в сторону и даже отражалась от тонкого листа золотой фольги. Это могло означать только одно: атомы золота не сплошные, а состоят из "разреженных" пустот (сквозь которые альфа-частицы проходят беспрепятственно) и очень плотных областей, от которых альфа-частицы отскакивают, как мячик.

7 В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил: Резерфорд предположил, что атом золота состоит из плотного, положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и окружающих это ядро электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, образуя разреженный "электронный рой", занимая огромную по сравнению с ядром область. Альфа-частицы относительно легко проходят сквозь разреженную область, занимаемую электронами и отражаются (или отклоняются в сторону) при столкновении с плотным ядром атома. По соотношению отклоненных и не отклоненных альфа-частиц удалось рассчитать, что размеры ядра атома золота примерно в раз меньше внешних границ атома, которыми он соприкасается с другими атомами. Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

8 Планетарная модель атома Бора- Резерфорда. Атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно.

9 Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору в 1913 г. пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Согласно постулатам Бора, электрон может вращаться вокруг ядра лишь по некоторым "стационарным" орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому состоянию атома. При сообщении атому кванта энергии электрон переходит на более удалённую орбиту. Обратный переход из "возбуждённого" в "нормальное" состояние сопровождается испусканием кванта излучения.

10 1. Из бесконечного множества электронных орбит, допускаемых классической механикой, осуществляются только те из них, для которых момент импульса электрона относительно центра его орбиты равен целому кратному постоянной Планка Число n называется главным квантовым числом. Указанные орбиты соответствуют так называемым стационарным состояниям атома, находясь в которых атом не излучает электромагнитных волн. 2. Испускание (или поглощение) энергии происходит не непрерывно, как это принимается в обычной электродинамике, а только при переходе системы из одного «стационарного» состояния в другое. Такое излучение (или поглощение) при переходе системы из одного стационарного состояния в другое, монохроматично. Соотношение между его частотой ω и общим количеством излученной энергии ΔЕ дается равенством Здесь Е m и Е n – энергии атома в двух стационарных состояниях.

11 Модельная теория атома Бора исходит из предположения о возможности описания движения электронов в атоме, находящемся в стационарном состоянии, на основе классической физики, на которое накладываются дополнительные квантовые условия. Динамическое равновесие системы в стационарном состоянии определяется обычными законами механики, тогда как для перехода системы между различными стационарными состояниями эти законы не действительны. Поэтому разработанные Бором представления в истории физики получили название полуклассической теории.

12 Для атома водорода расчёты спектров на основе модели Бора дали хорошее согласие с экспериментом, но для других элементов получалось существенное расхождение с опытными данными. В 1916 г. немецкий физик Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд уточнил модель Бора. Зоммерфельд высказал предположение, что кроме круговых, электрон может двигаться и по эллиптическим орбитам. Зоммерфельд дополнил модель побочным (орбитальным) квантовым числом (определяющим форму эллипсов) и зависимостью массы электрона от скорости.

13 В первой половине 1920-х гг. в модель атома были добавлены ещё два квантовых числа. Немецкий физик Альфред Ланде ввёл для описания движения электрона в атоме магнитное квантовое число, а молодые физики Джордж Юджин Уленбек и Сэмюэл Абрахам Гаудсмит в 1925 г. ввели в атомную физику представление о спине электрона. Следует отметить, что американский физик Артур Холли Комптон, основываясь на атомных спектрах высокого разрешения, ещё в 1921 г. высказывал предположение о квантованном вращении электрона, а в следующем году Отто Штерн и Вальтер Герлах экспериментально наблюдали разделение пучка атомов серебра в магнитном поле на две части, соответствующие ориентации электронных спинов.

14 В 1925 г. Вольфганг Паули опубликовал свою работу, содержащую формулировку принципа запрета, носящего его имя: в данном квантовом состоянии может находиться только один электрон. Паули указал, что для характеристики состояния электрона необходимо четыре квантовых числа: главное квантовое число n, азимутальное квантовое число l и два магнитных числа m1 и m2.

15 Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов изотопу этого элемента.

16 Атом Галия 1 микрометр м 1 нанометр м 1 ангстрем (1 Å) м. 1 пикометр м 1 фемтометр м 1 ангстрем – 100 пикометров 1 нанометр - 10 ангстрем самый маленький атом это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света ( нм)

17 Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 г. начали разработку метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами.

18 Нильс Бор соединил в своей модели классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого соединения была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира.

19 В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве.