Реферат на тему Открытие атома. Атом реферат

Реферат Атом

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История становления понятия
• 2 Модели атомов
• 3 Квантово-механическая модель атома
• 4 Строение
  • 4.1 Субатомные частицы
  • 4.2 Электроны в атоме
• 5 Свойства
  • 5.1 Масса
  • 5.2 Размер
  • 5.3 Радиоактивный распад
  • 5.4 Магнитный момент
  • 5.5 Энергетические уровни
  • 5.6 Валентность
ПримечанияЛитература

Введение

Атом гелия

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. 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.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

1. История становления понятия

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

На международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

2. Модели атомов

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, 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. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].
• Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
• 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 маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что 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. Дело в том, что, 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. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

3. Квантово-механическая модель атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

4. Строение

4.1. Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[4] Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−27 кг).[5] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[6]

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[7][8]

4.2. Электроны в атоме

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

5. Свойства

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий).[9] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов.[10] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.[11][12]

5.1. Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66×10−24 г.[13] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м.[14] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы.[15] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208[11] с массой 207,9766521 а. е. м.[16]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022×1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.[13]

5.2. Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.[17] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо.[18] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).[19] Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода.[20] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2×1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода.[21] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода.[22] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.[23]

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.[24]

5.3. Радиоактивный распад

Диаграмма времени полураспада (T½) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм[25]).

Существуют три основные формы радиоактивного распада:[26][27]

• Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
• Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В первом случае происходит испускание электрона и антинейтрино, во втором — испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.
• Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа.[25]

5.4. Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной (), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину.[28]

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.[29]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.[29][30]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако, для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии.[31][32]

5.5. Энергетические уровни

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные — возбуждёнными.[33]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Энергия испущенного фотона пропорциональна его частоте, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра.[34] Каждый элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов.[35]

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно переходят на уровень, лежащий ниже по энергии, снова испуская фотоны. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём.[36]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона.[37]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена-Бака).[38] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.[39]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот.[40]

5.6. Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.[41]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.[42][43]

Примечания

1. Большая советская энциклопедия - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00005/15200.htm?text=атом&stpar3=1.2
2. Демокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира - books.google.ru/books?id=zSzUPskLA9kC&pg=PA281 / А. О. Чубарьян. — М.: Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5948493075
3. http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/mkt/1.html - www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/mkt/1.html Планетарная модель атома]
4. Demtröder (2002:39-42)
5. Woan (2000)
6. MacGregor (1992)
7. The Particle Adventure - www.particleadventure.org/. Particle Data Group. Lawrence Berkeley Laboratory (2002).
8. James Schombert. Elementary Particles - abyss.uoregon.edu/~js/ast123/lectures/lec07.html. University of Oregon (18 апреля 2006).
9. Howard S. Matis. The Isotopes of Hydrogen - www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/02/3.html. Guide to the Nuclear Wall Chart. Lawrence Berkeley National Lab (9 августа 2000).
10. Rick Weiss. Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet - www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2006/10/16/AR2006101601083.html. Washington Post (17 октября 2006).
11. ↑ 12 Sills (2003)
12. Belle Dumé. Bismuth breaks half-life record for alpha decay - physicsworld.com/cws/article/news/17319. Physics World (23 апреля 2003).
13. ↑ 12 Mills и др. (1993).
14. Chung Chieh. Nuclide Stability - www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/nuctek/nuclideunstable.html. University of Waterloo (22 января 2001).
15. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements - physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl?ele=&ascii=html&isotype=some. National Institute of Standards and Technology.
16. G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault. (2003). «The Ame2003 atomic mass evaluation (II) - www.nndc.bnl.gov/amdc/web/masseval.html». Nuclear Physics A729: 337–676. Проверено 2008-02-07.
17. R. D. Shannon. (1976). «Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides - journals.iucr.org/a/issues/1976/05/00/issconts.html». Acta Crystallographica, Section A 32: 751. DOI:10.1107/S0567739476001551 - dx.doi.org/10.1107/S0567739476001551. Проверено 2007-01-03.
18. Judy Dong. Diameter of an Atom - hypertextbook.com/facts/MichaelPhillip.shtml. The Physics Factbook (1998).
19. Zumdahl (2002).
20. Small Miracles: Harnessing nanotechnology - oregonstate.edu/terra/2007winter/features/nanotech.php. Oregon State University (2007).  — описывает толщину человеческого волоса как 105 нм и 10 углеродных атомов по толщине как 1 нм.
21. Padilla et al (2002): Science textbook, Page 32: «There are 2 000 000 000 000 000 000 000 (that’s 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen.»
22. Карат равен 200 миллиграмм. По определению, углерод-12 имеет 12 грамм на моль. Постоянная Авогадро равна 6,02×1023 атомов на моль.
23. Feynman. Six Easy Pieces. 1995.
24. First Detailed Photos of Atoms - insidescience.org/research/first_detailed_photos_of_atoms. Inside Science News Service (14 сентября 2009).
25. ↑ 12Radioactivity - www.splung.com/content/sid/5/page/radioactivity. Splung.com.
26. L’Annunziata (2003).
27. Richard B. Firestone. Radioactive Decay Modes - isotopes.lbl.gov/education/decmode.html. Berkeley Laboratory (22 мая 2000).
28. J. P. Hornak. Chapter 3: Spin Physics - astro.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm. The Basics of NMR. Rochester Institute of Technology (2006). (недоступная ссылка)
29. ↑ 12Paul A. Schroeder. Magnetic Properties - www.gly.uga.edu/schroeder/geol3010/magnetics.html. University of Georgia (22 февраля 2000). (недоступная ссылка)
30. Greg Goebel. [4.3] Magnetic Properties of the Atom - www.vectorsite.net/tpqm_04.html. Elementary Quantum Physics. In The Public Domain website (1 сентября 2007).
31. Lynn Yarris. (весна 1997). «Talking Pictures - www.lbl.gov/Science-Articles/Research-Review/Magazine/1997/story1.html». Berkeley Lab Research Review. Проверено 2008-01-09.(недоступная ссылка)
32. Liang and Haacke (1999: 412-26).
33. Bart J. Van Zeghbroeck. Energy levels - physics.ship.edu/~mrc/pfs/308/semicon_book/eband2.htm. Shippensburg University (1998).
34. Fowles (1989).
35. W. C. Martin, W. L. Wiese. Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas - physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/. National Institute of Standards and Technology (май 2007).
36. Atomic Emission Spectra — Origin of Spectral Lines - www.avogadro.co.uk/light/bohr/spectra.htm. Avogadro Web Site.
37. Richard Fitzpatrick. Fine structure - farside.ph.utexas.edu/teaching/qm/lectures/node55.html. University of Texas at Austin (16 февраля 2007).
38. Michael Weiss. The Zeeman Effect - math.ucr.edu/home/baez/spin/node8.html. University of California-Riverside (2001).
39. Beyer (2003).
40. Thayer Watkins. Coherence in Stimulated Emission - www.sjsu.edu/faculty/watkins/stimem.htm. San José State University.
41. William Reusch. Virtual Textbook of Organic Chemistry - www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/intro1.htm. Michigan State University (16 июля 2007).
42. Husted Robert и др. Periodic Table of the Elements - periodic.lanl.gov/default.htm. Los Alamos National Laboratory (11 декабря 2003).
43. Rudy Baum. It’s Elemental: The Periodic Table - pubs.acs.org/cen/80th/elements.html. Chemical & Engineering News (2003).

Литература

• Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами. — М.: Физматгиз, 1960. — 562 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. М.: Мир, 2001. — 532c.
• Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек - lib.homelinux.org/_djvu/P_Physics/Veselov M.G., Labzovskij L.N. Teorya atoma.. stroenie e'lektronnyh obolochek (Nauka, 1986)(ru)(T)(330s)_P_.djvu. — М.: Наука, 1986. — 328 с.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1 - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Zommerfeld_t1_1956ru.djvu М.: ГИТТЛ, 1956.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2 - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Zommerfeld_t2_1956ru.djvu М.: ГИТТЛ, 1956.
• Шпольский Э. В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Shpolskij_t2_1974ru.djvu 4-е изд. М.: Наука, 1974.

• Michael F. L’Annunziata. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. — ISBN 0124366031
• H. F. Beyer, V. P. Shevelko. Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN 0750304812
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. {{{заглавие}}}. — Elsevier, 2001. — ISBN 0750674636
• J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy, Part 1. — London and Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtröder. Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. — 1st ed. — Springer, 2002. — ISBN 3540206310
• Richard Feynman. Six Easy Pieces. — The Penguin Group, 1995. — ISBN 978-0-140-27666-4
• Grant R. Fowles. Introduction to Modern Optics. — Courier Dover Publications, 1989. — ISBN 0486659577
• Mrinalkanti Gangopadhyaya. Indian Atomism: History and Sources. — Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. — ISBN 0-391-02177-X
• David L. Goodstein. States of Matter. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN 048649506X
• Edward Robert Harrison. Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN 0521773512
• Tatjana Jevremovic. Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN 0387232842
• James Lequeux. The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN 3540213260
• Z.-P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging - ieeexplore.ieee.org/iel5/8734/27658/01233976.pdf?arnumber=1233976 / J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 1999. — Т. 2. — P. 412—26. — ISBN 0471139467
• Malcolm H. MacGregor. The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN 0195218337
• Oliver Manuel. Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN 0306465620
• Robert M. Mazo. Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0198515677
• Ian Mills, Tomislav Cvitaš, Klaus Homann, Nikola Kallay, Kozo Kuchitsu. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry - www.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdf. — 2nd ed. — Oxford: International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on Physiochemical Symbols Terminology and Units, Blackwell Scientific Publications, 1993. — ISBN 0-632-03583-8
• Richard Myers. The Basics of Chemistry. — Greenwood Press, 2003. — ISBN 0313316643
• Michael J. Padilla, Ioannis Miaoulis, Martha Cyr. Prentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. — Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, 2002. — ISBN 0-13-054091-9
• Linus Pauling. The Nature of the Chemical Bond. — Cornell University Press, 1960. — ISBN 0801403332
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN 1860942504
• Leonid Ivanovich Ponomarev. The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN 0750302518
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN 0824708342
• Robert Siegfried. From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN 0871699249
• Alan D. Sills. Earth Science the Easy Way. — Barron’s Educational Series, 2003. — ISBN 0764121464
• Boris M. Smirnov. Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN 038795550X
• Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science - books.google.com/books?id=pheL_ubbXD0C&dq. — Simon & Schuster, 2003. — P. 213—214. — ISBN 074324379X
• Graham Woan. The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 0521575079
• Charles Adolphe Wurtz. The Atomic Theory. — New York: D. Appleton and company, 1881.
• Marco Zaider, Harald H. Rossi. Radiation Science for Physicians and Public Health Workers. — Springer, 2001. — ISBN 0306464039
• Steven S. Zumdahl. Introductory Chemistry: A Foundation - college.hmco.com/chemistry/intro/zumdahl/intro_chemistry/5e/students/protected/periodictables/pt/pt/pt_ar5.html. — 5th ed. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN 0-618-34342-3

wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Строение атома - Химия

                       Реферат по химии на тему

                           «Строениеатома»

                  Существование закономернойсвязи между всеми

         химическими    элементами,    ярко   выраженное    в

         периодической  системе, наталкивает  на мысль о том,

         что в основе всех атомов лежит нечтообщее,  что  все

         они находятся в близком родстве друг сдругом. Однако

         до конца 19 в.  в химии господствовало метафизическое

         убеждение,  что атом есть наименьшая частица простого

         вещества,  последний предел  делимости материи.  При

         всех химических  превращениях  разрушаются и  вновь

         создаются  только  молекулы,   атомы   же  остаются

         неизменными  и не  могут  дробиться на более мелкие

         части.

               Но все  эти предположения  в  то время еще не

         могли     быть    подтверждены      какими      либо

         экспериментальными  данными. Лишь в конце 19в.  были

         сделаны открытия, показавшие сложностьстроения атома

         и возможность  превращения  при известных  условиях

         одних атомов в другие. На основе этихоткрытий начало

         быстро развиваться  учение о строенииатома.  Первые

         указания на сложную структуру  атомов были  получены

         при  изучении   катодных   лучей,  возникающих  при

         электрическом разряде в сильноразреженных газах. Для

         наблюдения этих лучей из стеклянной трубки,  в которую

         впаяны два металлическихэлектрода,  выкачивается  по

         возможности  весь воздух и затем пропускается сквозь

         нее ток высокого напряжения.  При таких условиях  от

         катода   трубки перпендикулярно  к  его поверхности

         распространяются «невидимые»катодные лучи, вызывающие

         яркое  зеленое   свечение  в  том  месте, куда  они

         попадают.   Катодные  лучи   обладают   способностью

         приводить в движение на их пути легкоподвижные тела и

         откланяются  от  своего   первоначального   пути  в

         магнитном и электрическом поле (впоследнем в сторону

         положительно заряженнойпластины).  Действие катодных

         лучей обнаруживается  только внутритрубки,  так как

         стекло для  них   непроницаемо.   Изучение  свойств

         катодных   лучей  привело   к  заключению, что  они

         представляют собой потокмельчайших  частиц,  несущих

         отрицательный   электрический   заряд и  летящих  со

         скоростью,  достигающей половины   скорости   света.

         Особыми  приемами удалось  определить массу катодный

         частицы и величину их заряда.  Оказалось, что  масса

         каждой частицы равняется 0,00055 углеродной единицы,

         что составляет всего  1.1840 часть  массы  водорода,

         самого легкого из всех атомов.  Заряд катодной частицы

         равняется   1,602  10   кулона,   или   4,803    10

         электростатических единиц.  Особенно замечательно, что

         масса частиц и величина их зарядане  зависит  ни  от

         природы газа, остающегося в трубке, ниот вещества из

         которого сделаны  электроды, ни  от  прочих условий

         опыта. Кроме того, катодные частицыизвестны только в

         заряженном состоянии и не  могут быть  лишены  своих

         зарядов,     не    могут     быть    превращены    в

         электронейтральные   частицы:  электрический   заряд

         составляет,  самую сущность их природы.  Эти частицы

         получили   название  электронов.   По    современным

         воззрениям,    заряд   электрона   есть   наименьший

         электрический заряд, наименьшее кол-воэлектричества,

         какое только может существовать.  Вкатодных трубках

         электроны   отделяются  от   катода   под  влиянием

         электрического  заряда. однако они могут возникать и

         вне всякой  связи  с электрическим  зарядом.   Так,

         например,   все  металлы   испускают  электроны при

         накаливании;  в пламени горелки  также  присутствуют

         электроны;  многие вещества выбрасывают электроны при

         освещении   ультрафиолетовыми,   рентгеновскими   или

         лучами   света  (фотоэффект).  Выделение  электронов

         самыми разнообразными веществамиуказывает на то, что

         эти   частицы   входят   в  состав   всех   атомов;

         следовательно атомы являютсясложными  образованиями,

         построенными  из более  мелких  структурных единиц.

         Изучение  строение атома  практически   началось  в

         1897-1898  гг., после  того  как была  окончательно

         установлена  природа катодных   лучей   как  потока

         электронов  и были определены величина заряда и масса

         электрона.   Факт  выделения    электронов    самыми

         разнообразными  веществами приводил  к  выводу, что

         электроны входят в состав  всех атомов.  Но  атом  в

         целом  электрически   нейтрален;  следовательно,  он

         должен содержать в себе ещедругую  составную  часть,

         заряженную   положительно,  причем ее  заряд  должен

         уравновешивать    сумму    отрицательных     зарядов

         электронов,  Эта положительно заряженная часть атома

         была открыта в 1911 г.  Резерфордом при  исследовании

         движения -частиц в газах и другихвеществах. -частицы

         выбрасываемые   атомами  радиоактивных    элементов,

         представляют   собой положительно  заряженные  ионы

         гелия, скорость  движения  которых достигает  20000

         км/сек.  Благодаря такой огромной скорости -частицы,

         пролетая через  воздух и  сталкиваясь  с молекулами

         газов,   выбивают  из   них   электроны.  Молекулы,

         потерявшие    электроны,    становятся    заряженные

         положительно,    выбитые   же    электроны    тотчас

         присоединяются  к другим  молекулам  , заряжая   их

         отрицательно.   Таким образом,  в  воздухе на  пути

         -частиц  образуются  положительно   и   отрицательно

         заряженные    ионы   газа.    Способность    -частиц

         ионизировать  воздух была   использована   английским

         физиком  Вильсоном для  того,  чтобы сделать видимыми

         пути движения отдельных частиц исфотографировать  их.В

         последствии  аппарат для фотографирования -частиц был

         назван камерой Вильсона.  Рассматривая пути  движения

         -частиц   в  камере  Вильсона,  мы видим,  что  они

         прямолинейны.В то же время,  как показывает  теория,

         каждая частица  на  протяжении своего  пути.  а  он

         достигает в  воздухе 11см,  должна  встретить сотни

         тысяч атомов.  Если  тем  не  менее путь ее остается

         прямолинейным,  то это можно объяснить только тем, что

         -частица  пролетает сквозь  атомы.  Более тщательное

         исследование  этого  явления   показало,   что  при

         прохождении пучка параллельных лучейсквозь слой газа

         или тонкую металлическую  пластинку выходят  уже  не

         параллельны,   а  несколько   расходятся:  происходит

         рассеяние   -частиц,   т.е.    отклонение    от   их

         первоначального  пути.Углы отклонения  невелики,  но

         всегда имеется  небольшое  число частиц   (1/8000),

         которые  отклоняются очень сильно,  некоторые частицы

         отбрасываются назад,  как если бы на пути встретилось

         что-то твердое непроницаемое.  (добавитьо том,  что

         это не электроны их масса в  7500 раз  меньше  массы

         -частиц,  отклонение из-за положительных частиц того

         же порядка,  что  и  -частицы)   Исходя   из  этих

         соображений,   Резерфорд  предложил  следующую  схему

         строения атома.  В центре атома находится положительно

         заряженное  ядро, вокруг  которого по разным орбитам

         вращаются  электроны. Возникающая  при  их вращении

         центробежная  сила уравновешивается притяжением между

         ядром и  электронами, вседствии  этого  остаются на

         определенных  расстояниях от  ядра.  Так как  масса

         электрона  ничтожна мала,   то   почти  вся   масса

         сосредоточена   в его  ядре.  Размеры атома  и  его

         отдельных  частей выражается   следующими   числами:

         диаметр  атома - 10 см.,  диаметр электрона — 10см и

         диаметр ядра от 10 до 10 см. Отсюдаясно, что на долю

         ядра и электронов,  число которых, как увидим дальше,

         сравнительно невелико,  приходиться лишь,  ничтожная

         часть всего пространства,  занятого атомной системой.

         Предложенная Резерфордом схема  строения атома  или,

         как  обыкновенной   говорят,   модель атома,  легко

         объясняет явления отклонение-частиц.  Действительно,

         размеры  ядра  иэлектронов очень малы по сравнению с

         размерами всего атома,  которые определяются орбитами

         наиболее   удаленных  от  ядра  электронов; поэтому

         большинство  -частиц пролетает   через   атомы  без

         заметного  отклонения. Только  в тех случаях,  когда

         -частицы очень близко подходит кядру,  электрическое

         отталкивание   вызывает  резкое   отклонение  ее  от

         первоначального   пути.  Таким   образом,   изучение

         рассеяние   -частиц положило  начало  ядерной теории

         атома. Одной  из  задач, стоявших   перед   теорией

         строения атома в начале ее развития,было определение

         величины заряда ядра различных атомов.Так как атом в

         целом электрически  нейтрален,  то, определив заряд

         ядра, можно было бы установить и числоокружающих ядро

         электронов. В решении этой задачи этойбольшую помощь

         оказало  изучение  спектров   рентгеновских   лучей.

         Рентгеновские лучи возникают при ударебыстро летящих

         электронов о какое-либо твердое тело иотличаются  от

         лучей видимого света толькозначительно меньшей длиной

         волны. В то время как короткие световые волны имеют

         длину около 4000 ангстремов(фиолетовые лучи),  длины

         волн рентгеновских лучей лежат впределах  от  20  до

         0,1 ангстрема.  Чтобы  получить спектр рентгеновских

         лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или

         дифракционной  решеткой. Теоретически  для  лучей с

         такой короткой длиной волны,  как рентгеновские лучи,

         нужно  было   приготовить  дифракционную решетку  с

         1000000  делений на  1  мм. Так  как   искусственно

         приготовить такую решетку невозможно,то долгое время

         спектр рентгеновских лучей неудавалось  получить.  В

         1912 г.  швейцарского  физика Лауэ  возникла  мысль

         использовать  кристаллы в   качестве   дифракционной

         решетки   для  рентгеновских   лучей.   Закономерное

         расположение  атомов в  кристаллах  и весьма  малые

         расстояния  между ними давали основание предполагать,

         что кристалл как раз и можетсыграть  роль  требуемой

         дифракционной   решетки.  Опыт  блестяще  подтвердил

         предположение Лауэ, вскоре удалосьпостроить приборы,

         которые    давали   возможность    получать  спектры

         рентгеновских  лучей почти   всех   элементов.  Для

         получения    рентгеновских   спектров  антикатод   в

         рентгеновских трубках делают из тогометалла,  спектр

         которого  хотят получить,  или же наносятсоединение

         исследуемого элемента.  Экраном для  спектра  служит

         фотографическая    пластинка   или   бумага;   после

         проявления на ней видны все линииспектра.  В 1913 г.

         английский ученый Мозли, изучаярентгеновские спектры

         нашел соотношение между  длинами волн  рентгеновских

         лучей    и  порядкового   номерами   соответствующих

         элементов — это носит название законаМозли  и может

         быть  сформулированно   следующим   образом:  Корни

         квадратные из обратных значений длинволн находятся в

         линейной зависимости от порядковыхномеров элементов.

               Еще до  работ Мозли  некоторые   теоретические

         соображения  позволяли предположить,  что порядковый

         номер элемента указывает числоположительных  зарядов

         ядра его  атома.  В  тоже  время Резерфорд,  изучая

         рассеивание  -частиц при  прохождении  через тонкие

         металлические   пластинки,  нашел,  что  если заряд

         электрона   принять за единицу, то выражаемый в

         таких  единицах   заряд  ядра приблизительно  равен

         половине атомного веса элемента.Порядковый номер, по

         крайне мере  более легких элементов,  тоже равняется

         примерно половине атомного веса.  Все вместе  взятое

         привело  к выводу,  что  Заряд ядра  численно равен

         порядковому номеру  элемента. Таким  образом,  закон

         Мозли позволил  определить зарядыатомных ядер.  Тем

         самым, ввиду нейтральности атомов,было установлено и

         число электронов,  вращающихся  вокруг ядра в атоме

               каждого элемента.    Ядерная   модель    атома

         Резерфорда   получила  свое   дальнейшее    развитие

         благодаря  работам Нильс  Бора,  в которых учение о

         строении атома неразрывно  связывается с  учением  о

         происхождении спектров. Линейчатыеспектры получаются

         при разложении света испускаемогораскаленными парами

         или газами.  Каждому  элементу отвечает свой спектр,

         отличающийся   от   спектров    других    элементов.

         Большинство  металлов дает  очень  сложные спектры,

         содержащие огромное число линий (вжелезе  до  5000),

         но  встречаются   и  сравнительно простые  спектры.

         Развивая ядерную теориюРезерфорда,  ученые пришли  к

         мысли, что  сложная  структура линейчатых  спектров

         обусловлена происходящими внутри  атомов колебаниями

         электронов.  По теории  Резерфорда,  каждый электрон

         вращается вокруг ядра,  причем сила притяжения  ядра

         уравновешивается центробежнойсилой,  возникающей при

         вращении  электрона. Вращение  электрона  совершенно

         аналогично  его быстрым  колебаниям и должновызвать

         испускание  электромагнитных  волн.  Поэтому   можно

         предположить,  что вращающийся электрон излучает свет

         определенной  длины волны,  зависящий  от  частоты

         обращения  электрона по  орбите.  Но, излучая свет,

         электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего

         нарушается   равновесие  между   ним  и ядром;  для

         восстановления равновесия электрондолжен  постепенно

         передвигаться ближе к ядру,  причем так же постепенно

         будет изменяться  частота  обращения  электрона   и

         характер  испускаемого им  света.  В конце  концов,

         исчерпав всю энергию,  электрон должен  «упасть»  на

         ядро, и излучение света прекратится.Если бы на самом

         деле происходило такое непрерывноеизменение  движения

         электрона,   то  и   спектр   получался  бы  всегда

         непрерывный,  а не с лучами определенной длины волны.

         Кроме того,  «падение»электрона на ядро означало бы

         разрушение атома  и прекращения  его  существования.

         Таким  образом,  теория  Резерфорда была  бессильна

         объяснить не только  закономерности  в распределении

         линий спектра,  ни  и  самосуществование линейчатых

         спектров. В 1913 г. Бор предложил соютеорию строения

         атома, в  которой  ему удалось с большим искусством

         согласовать спектральные явления  с ядерной  моделью

         атома, применив к последней так называемую квантовую

         теорию   излучения,  введенную   в   науку  немецким

         ученым-физиком   Планком.  Сущность  теории  квантов

         сводится к тому,  что лучистая энергия испускается  и

         поглощается не непрерывно,  как принималось раньше, а

         отдельными малыми, но вполнеопределенными порциями -

         квантами  энергии. Запас  энергии  излучающего тела

         изменяется скачками,  квант за квантом; дробное  число

         квантов  тело не  может ни испускать,  ни поглощать.

         Величина кванта энергии зависит отчастоты  излучения

         : чем больше частота излучения,  тембольше величина

         кванта.  Обозначая квант  энергии  через  ,   можно

         написать:  = где — постоянная величина, так называемая

         константа Планка,  равная 6,625 10  эрг сек.  Кванты

         лучистой энергии называются такжефотонами.  Применив

         квантовые представления к вращениюэлектронов  вокруг

         ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые

         предположения,  или постулаты.  Хотя эти постулаты  и

         противоречат законам классическойэлектродинамики, но

         они находят  свое  оправдание в  тех  поразительных

         результатах,  к которым приводят,  и в томполнейшем

         согласии, которое обнаруживается междутеоретическими

         результатами   и огромным  числом  экспериментальных

         фактов.  Постулаты Бора  заключаются  в  следующем:

         Электрон может двигаться вокруг не полюбым орбитам, а

         только по таким,  которые удовлетворяют  определенными

         условиям,  вытекающим из теории квантов.  Эти орбиты

         получили название  устойчивых или  квантовых  орбит.

         Когда электрон  движется по одной извозможных для

         него устойчивых орбит,  то он не  излучает.  Переход

         электрона   с  удаленной  орбиты  на более  близкую

         сопровождается потерей энергии.Потерянная атомом при

         каждом переходе  энергия  превращается в один квант

         лучистой энергии.  Частота излучаемого при этом света

         определяется радиусами тех двух орбит,между которыми

         совершается  переход  электрона.   Обозначив   запас

         энергии   атома при  положении  электрона на  более

         удаленной от ядра орбите через Е, ана более близкой

         через Е и разделив потерянную атомомэнергию Е — Е на

         постоянную Планка, получим искомуючастоту:

                                =------

               Чем больше  расстояние от  орбиты,  на которой

         находится электрон,  до той, на которую он переходит,

         тем больше частота излучения.  Простейшим из  атомов

         является   атом  водорода;   вокруг   ядра которого

         вращается только один электрон. Исходяиз приведенных

         постулатов, Бор рассчитал радиусывозможных орбит для

         этого электрона  и нашел,  что  они относятся,  как

         квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3:… n Величина

         n получила название главногоквантового числа. Радиус

         ближайшей  к ядру  орбиты в атоме водородаравняется

         0,53 ангстрема. Вычисленные отсюдачастоты излучений,

         сопровождающих  переходы электрона с одной орбиты на

         другую,   оказались  в   точности   совпадающими   с

         частотами,  найденными на опыте для линий водородного

         спектра Тем самым была доказанаправильность расчета

         устойчивых  орбит, а  вместе  с тем  и приложимость

         постулатов  Бора для  таких  расчетов. В  дальнейшем

         теория Бора была распространена и наатомную структуру

         других элементов, хотя это былосвязанно с некоторыми

         трудностями из-за ее новизны.

               Теория Бора  позволила разрешить  очень важный

         вопрос о расположении электроновв  атомах различных

         элементов  и установить зависимость свойств элементов

         от строения  электронных  оболочек их   атомов.   В

         настоящее  время разработаны  схемы  строения атомов

         всех химических элементов.  Однако, иметь ввиду, что

         все эти  схемы  это лишь более или менее достоверная

         гипотеза,  позволяющая объяснить многие физические  и

         химические  свойства элементов.  Как  раньше уже было

         сказанно,  число электронов,  вращающихся вокруг ядра

         атома, соответствует  порядковому  номеру элемента в

         периодической системе.

               Электроны расположены  по слоям, т.е.  каждому

         слою принадлежит определенноезаполняющие или как  бы

         насыщающее его число электронов.  Электроны одного и

         того же слоя характеризуются почтиодинаковым запасом

         энергии,   т.е.  находятся  примерно  на одинаковом

         энергетическом уровне. Вся оболочкаатома распадается

         на  несколько   энергетических   уровней. Электроны

         каждого следующего слоя находятся  на более  высоком

         энергетическом   уровне, чем  электроны  предыдущего

         слоя. Наибольшее   число   электронов  N,   могущих

         находиться  на данном  энергетическомуровне,  равно

         удвоенному квадрату номера слоя:

                                      N=2n

               где n-номер слоя. Таким образомна 1-2, на 2-8,

         на 3-18 и т.д.  Кроме того,  установлено, что число

         электронов в наружном слое длявсех  элементов,  кроме

         палладия,  не превышает восьми,  а впредпоследнем -

         восемнадцати.

               Электроны наружного    слоя,   как    наиболее

         удаленные от ядра и,  следовательно, наименее прочно

         связанные  с ядром,  могут  отрываться от  атома  и

         присоединяться  к другим  атомам,  входя  в   состав

         наружного  слоя последних.  Атомы, лишившиеся одного

         или нескольких  электронов,  становятся  заряженные

         положительно,  так как  заряд  ядра атома превышает

         сумму зарядов оставшихсяэлектронов.  Наоборот  атомы

         присоединившие    электроны  становятся   заряженные

         отрицательно.  Образующиеся таким  путем  заряженные

         частицы,   качественно отличные  от  соответствующих

         атомов. называются ионами. Многие ионыв свою очередь

         могут терять  или присоединятьэлектроны,  превращаясь

         при этом или в электронейтральныеатомы,  или в новые

         ионы с другим зарядом.

               Теория Бора оказалаогромные  услуги  физике и

         химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов

         спектроскопии и объяснениюмеханизма  лучеиспускания,

         а с другой — к выяснению структурыотдельных атомов и

         установлению связи между ними.  Однако оставалось еще

         много явлений  в  этой области,  объяснить  которые

         теория Бора не могла.

               Движение электронов в атомахрисовалось Бору до

         известной   степени   как    простое    механическое

         перемещение,   между тем  как  оно является  весьма

         сложным   и  своеобразным.   Своеобразие    движения

         электронов  было раскрыто новой теорией — квантовой,

         или  волновой,   механикой.    Квантовая   механика

         показывает,  что законы  движения  электронов имеют

         много общего с законамираспространения волн.  Я хочу

         лишь основное уравнение волновоймеханики,  в связи с

         ее сложностью:  связывающие длину  волны для  потока

         электронов с их скоростью и массой :

                                   =-----

         где h- постоянная Планка.

               Охватывая более  широкий круг   явлений,   чем

         теория Бора,  решает ряд вопросов,  с которыми теория

         Бора справится не смогла.

               Так, например,  при помощи  волновой  механики

         получает объяснение  устойчивость лишь  определенных

         электронных  орбит. «Устойчивыми»  являютсялишь те

         орбиты, на которых укладывается целоечисло волн. Так

         как длина  круговой орбиты с радиусомr равна 2 r, то

         устойчивость орбиты будет определятсяур-нием:

                          2 r=------

               где n-целое число.  Это и есть  математическое

         выражение  первого постулата Бора,  которое он в 1913

         г. положил в основу  расчета  движения электрона  в

         атоме водорода.

               В приведенном выше  ур-ние n-главное  квантовое

         число. Принимает значения любого натурального числа.

               1) Главное квантовое число nопределяет уровень

         энергии,  которому отвечает  данная  орбита, и   ее

         удаленность   от  ядра.   Главное   квантовое число

         определяет    среднее   радиальное     распределение

         электронной  плотности около  ядра.  Помимо главного

         квантового  числа, состояние   электрона   в  атоме

         характеризуется еще тремя другимиквантовыми числами:

         l,m,s.

               2) Побочное  (азимутальное)  квантовое число l

         характеризует момент  количества движения  электрона

         относительно  центра орбиты.  Оно  определяет форму

         электронного облака (форму  орбиты), его  сплошность

         или разрывы и его вытянутость. (s,p,dорбитали)

               3) Магнитное  квантовое число   m   определяет

         положение  плоскости орбиты электрона в пространстве

        или,  согласно представления  волновой механики,  то

         направление,  в котором вытянуто электронное облако.

         Равно по модулю l.

               4) Спиновое   квантовое  число   s  определяет

         направление  вращения электрона.   может   принимать

         только два значения.

               На основании   анализа  спектров   и    учета

         положения  элементов в периодической системе физиком

         Паули был найден общий принцип,  позволяющий избрать

         те  сочетания   квантовых  чисел, которые  отвечают

         реальной действительности.  Согласно этому  принципу

         два  электрона   в   атоме не  могут  иметь четыре

         одинаковых квантовых числа.

www.ronl.ru

Реферат на тему Открытие атома

1. Введение: строение атома.

2. Атом как целое

3. Структура атома

4. Лазеры

5. Заключение.

6. Список использованной литературы.

АТОМ КАК ЦЕЛОЕ

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

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

Рисунок 5. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

Рисунок 6. Схема установки для обнаружения нейтронов.

Рисунок 7. Неустойчивость классического атома.

Рисунок 8. Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов.

Рисунок 9. Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта.

Рисунок 10. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Рисунок 11. Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома.

Рисунок 12. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Рисунок 13. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %.

Некоторые уникальные свойства лазерного излучения

Применение лазеров в военном деле:

Применение лазеров в медицине

 Лазерные технологии - средство записи и обработки информации

Заключение

bukvasha.ru

Реферат на тему "Строение атома"

Содержание

1. Зарождение теории строения вещества2. Атомистическая теория Дальтона3. Катодные лучи и электроны4. Ядерная модель строения атома5. Состав атомных ядер6. Изотопы7. Электронные оболочки атомов. Теория Бора8. Квантовая (волновая) механика. Характеристика поведения электронов в атомах.Список использованных источников

1. Зарождение теории строения вещества

Атомистическая теория – современная теория строения вещества – зародилась еще в Древней Греции. Древнегреческие мыслители интересовались на первый взгляд отвлеченным вопросом: можно ли делить вещество бесконечно на все меньшие и меньшие части, или же оно состоит из некоторых неделимых частиц, не поддающихся дальнейшему делению?

Основное направление мысли древнегреческих философов, следовавших взглядам Платона и Аристотеля, основывалось на представлении о непрерывности материи. Однако некоторые древнегреческие философы, особенно Демокрит, не соглашались с такой точкой зрения и считали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц, которые Демокрит называл атомами, что и значит “неделимые”. Атомистические представления лежали также в основе естественной философии римского поэта и философа Лукреция, жившего в первом веке до нашей эры. Им была написана знаменитая поэма “О природе вещей”, в которой он подробно развивал атомистические взгляды на природу материи. Даже если было бы доказано, что материя имеет атомное строение, возник бы вопрос, чем отличаются друг от друга атомы различных веществ. Лукреций считал, что у атомов и веществ, имеющих горький вкус, на поверхности есть зазубринки, которые царапают язык, тогда как атомы веществ с приятным вкусом должны иметь гладкую поверхность.

Атомистические представления о природе веществ не намного продвинулись вперед за последующие 18 веков, прошедших со времен Лукреция. Научная мысль в Европе много веков находилась под влиянием философских идей Платона и Аристотеля, которые не разделяли атомистических воззрений на природу материи. И хотя об атомистических представлениях время от времени вспоминали, в прежние времена сторонники любой конкретной теории строения материи искали подтверждения своих взглядов главным образом в интуиции. Однако и на протяжении этого долгого периода медленно, с перерывами, шла экспериментальная работа. Часто ею двигали ошибочные взгляды: например, алхимики считали, что простые металлы, наподобие свинца, можно превратить в драгоценные металлы. Тем не менее накапливались сведения о том, как химические вещества реагируют друг с другом, и разрабатывались более количественные методы изучения химических реакций. Это подготовило почву для новых,  более содержательных формулировок в рамках атомистической теории.

2. Атомистическая теория Дальтона

Джон Дальтон (1766 – 1844) большую часть своей жизни преподавал в школе и колледже в Манчестере. Возможно потому, что сам Дальтон не был химиком, он подошел к ее проблемам с иных позиций, чем химики его времени. Его атомистическая теория, опубликованная в период 1803-1807 гг., прочно основывалась на экспериментальных наблюдениях. Она оказалась столь успешной, что с этого времени заняла господствующее положение в науке и почти не потребовала дальнейшего пересмотра.

Основные постулаты теории Дальтона заключались в следующем:

Нужна помощь в написании?

1.Каждый элемент состоит из чрезвычайно мелких частиц, называемых атомами.

2.Все атомы одного элемента одинаковы.

3.Атомы различных элементов обладают разными свойствами,  в том числе имеют разные массы.

4.Атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов в результате химических реакций; атомы не создаются и не разрушаются в химических реакциях.

5.Соединения образуются в результате комбинации атомов двух или нескольких элементов.

6.В данном соединении относительные количества атомов разных сортов и сорта этих атомов всегда постоянны.

Теория Дальтона позволяет мысленно нарисовать картину строения материи. Мы представляем себе элемент состоящим из мельчайших частиц, называемых атомами. Атомы являются основными структурными единицами материи, это мельчайшие частицы элемента, которые могут соединяться с другими элементами. Соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, образующих определенные сочетания друг с другом.

3. Катодные лучи и электроны

До конца XIX века  в химии господствовало метафизическое убеждение,  что атом есть наименьшая частица простого вещества,  последний предел  делимости материи. Дальтон и его современники рассматривали атом как неделимый объект. Считалось, что при всех  химических  превращениях  разрушаются  и  вновь создаются  только   молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части. Но все  эти  предположения в то время еще не могли быть  подтверждены какими-либо экспериментальными данными. Лишь в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при известных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома.

Первые указания на сложную структуру атомов были получены при изучении катодных (исходящих от отрицательно заряженного электрода, или катода) лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки,  в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается  по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения (порядка 1000 вольт). При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются “невидимые” катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение на их пути легко подвижные тела и отклоняются  от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло  для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не  могут быть лишены своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные  частицы: электрический заряд составляет самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. По современным воззрениям, заряд электрона – это наименьший электрический заряд, наименьшее кол-во электричества, какое только может существовать. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда, но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например, все металлы испускают электроны при накаливании; в пламени горелки также присутствуют электроны; многие вещества выбрасывают электроны при освещении ультрафиолетовыми,  рентгеновскими или лучами света (фотоэффект). Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов, следовательно, атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких структурных единиц.

В 1897 году английскому физику Дж. Дж. Томпсону (1856-1940) удалось измерить отношение электрического заряда электрона к его массе, которое оказалось равным 1,76*10  Кл/г.

В 1909 году Роберт Милликен из Чикагского университета определил заряд электрона: 1,60*10  Кл. Подставив это значение в найденное Томсоном отношение заряда электрона к его массе, можно было вычислить массу электрона: 1,60*10 Кл/1,76*10  Кл/г = 9,11*10  г.

4. Ядерная модель строения атома

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей   как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален, следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отрицательных зарядов электронов.

Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Эрнестом Резерфордом (1871-1937). Резерфорд предложил следующую схему строения атома.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются  электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Суммарный отрицательный заряд электронов численно равен положительному заряду ядра, так что атом в целом электронейтрален.  Так как масса электронов ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Наоборот, размер ядер чрезвычайно мал даже по сравнению с размером самих атомов. Отсюда ясно, что на долю ядра и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства,  занятого атомной системой.

5. Состав атомных ядер

Таким образом, открытия Резерфорда положили начало ядерной теории атома. Со времен Резерфорда физики узнали еще очень многие подробности о строении атомного ядра.

Самым легким атомом является атом водорода (Н). Поскольку почти вся масса атома сосредоточена в ядре, естественно было бы предположить, что ядро атома водорода представляет собой элементарную частицу положительного электричества, которая была названа протоном от греческого слова “протос”, что означает “первый”. Таким образом, протон обладает массой, практически равной массе атома водорода (точно 1,00728 углеродных единиц) и электрическим зарядом, равным +1 (если за единицу отрицательного электричества принять заряд электрона, равный -1,602*10   Кл). Атомы других, более тяжелых элементов содержат ядра, обладающие большим зарядом и, очевидно, большей массой.

Измерения заряда ядер атомов показали, что заряд ядра атома в указанных условных единицах численно равен атомному, или порядковому, номеру элемента. Однако невозможно было допустить, так как последние, будучи одноименно заряженными, неизбежно отталкивались бы друг от друга и, следовательно, такие ядра оказались бы неустойчивыми. К тому же масса атомных ядер оказалась больше суммарной массы протонов, обуславливающих заряд ядер атомов соответствующих элементов, в два раза и более. Тогда было сделано предположение, что ядра атомов содержат протоны в числе, превышающем атомный номер элемента, а создающийся таким образом избыточный положительный заряд ядра компенсируется входящими в состав ядра электронами. Эти электроны, очевидно, должны удерживать в ядре взаимно отталкивающиеся протоны. Однако это предположение пришлось отвергнуть, так как невозможно было допустить совместное существование в компактном ядре тяжелых (протонов) и легких (электронов) частиц.

В 1932 г. Дж. Чедвик открыл элементарную частицу, не обладающую электрическим зарядом, в связи с чем она была названа нейтроном (от латинского слова neuter, что означает “ни тот, ни другой”).  Нейтрон обладает массой, немного превышающей массу протона (точно 1,008665 углеродных единиц). Вслед за этим открытием Д. Д. Иваненко, Е. Н. Гапон и В. Гейзенберг, независимо друг от друга, предложили теорию состава атомных ядер, ставшую общепринятой. Согласно этой теории, ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда, а суммарное число протонов и нейтронов – значение его массы. Ядерные частицы – протоны и нейтроны – объединяются под общим названием  нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Таким образом, число протонов в ядре соответствует атомному номеру элемента, а общее число нуклонов, поскольку масса атома в основном сосредоточена в ядре, – его массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А. Тогда число нейтронов а ядре N может быть найдено по разности между массовым числом и атомным номером:

N = A – Z

Таким образом, протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.

6. Изотопы

Протонно-нейтронная теория позволила разрешить и еще одно противоречие, возникшее при формировании теории атома. Если признать, что ядра атомов элементов состоят из определенного числа нуклонов, то атомные массы всех элементов должны выражаться целыми числами. Для многих элементов это действительно так,  а незначительные отклонения от целых чисел можно объяснить недостаточной точностью измерения. Однако у некоторых элементов значения атомных масс так сильно отклонялись от целых чисел, что это уже нельзя объяснить  неточностью измерения  и другими случайными причинами. Например, атомная масса хлора (CL) равна 35,45. Установлено, что приблизительно три четверти существующих в природе атомов хлора имеют массу 35, а одна четверть – 37.  Таким образом, существующие в природе элементы состоят из смеси атомов, имеющих разные массы, но, очевидно, одинаковые химические свойства, т. е. существуют разновидности атомов одного элемента с разными и притом целочисленными массами. Ф. Астону удалось разделить такие смеси на составные части, которые были названы  изотопами (от греческих слов “изос” и “топос”, что означает “одинаковый” и “место” (здесь имеется в виду, что разные изотопы одного элемента занимают одно место в периодической системе)).

С точки зрения протонно-нейтронной теории, изотопами называются разновидности элементов, ядра атомов которых содержат различное число нейтронов, но одинаковое число протонов. Химическая природа элемента обусловлена числом протонов в атомном ядре, которому равно и число электронов в оболочке атома. Изменение же числа нейтронов (при неизменном числе протонов) не сказывается на химических свойствах атома.

Все это дает возможность сформулировать понятие химического элемента как вида атомов, характеризующихся определенным зарядом ядра. Среди изотопов различных элементов были найдены такие, которые содержат в ядре при разном числе протонов одинаковое общее число нуклонов, то есть атомы которых обладают одинаковой массой.  Такие изотопы были названы изобарами (от греческого слова “барос”, что означает “вес”). Различная химическая природа изобаров убедительно подтверждает то, что природа элемента обуславливается не массой его атома.

Для различных изотопов применяются названия и символы самих элементов с указанием массового числа, которое следует за названием элемента или обозначается в виде индекса вверху слева от символа, например : хлор – 35 или Cl.

Различные изотопы отличаются друг от друга устойчивостью.  26  элементов имеют лишь по одному устойчивому изотопу – такие элементы называются  моноизотопными (они характеризуются преимущественно нечетными атомными номерами), и атомные массы их приблизительно равны целым числам.  У 55 элементов имеется  по несколько  устойчивых изотопов – они называются полиизотопными (большое число изотопов характерно преимущественно для элементов с четными номерами). У остальных элементов известны только неустойчивые, радиоактивные изотопы. Это все тяжелые элементы, начиная с элемента №84 (полоний), а из относительно легких – №43 (технеций) и №61 (прометий).  Однако радиоактивные изотопы некоторых элементов относительно устойчивы (характеризуются большим периодом полураспада), и поэтому эти элементы, например торий, уран, встречаются в природе. В большинстве же радиоактивные изотопы получают искусственно, в том числе и многочисленные радиоактивные изотопы устойчивых элементов.

7. Электронные оболочки атомов. Теория Бора

По  теории  Резерфорда,  каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных  волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего нарушается   равновесие между ним и ядром. Для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен “упасть” на ядро, и излучение света прекратится.

Если бы на самом деле происходило подобное непрерывное изменение движения электрона, его “падение” на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования.

Таким образом, наглядная и простая ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, явно противоречила классической электродинамике. Система вращающихся вокруг ядра электронов не может быть устойчивой, так как электрон при таком вращении должен непрерывно излучать энергию, что, в свою очередь, должно привести к его падению на ядро и к разрушению атома. Между тем атомы являются устойчивыми системами.

Эти существенные противоречия частично разрешил выдающийся датский физик Нильс Бор (1885 – 1962), разработавший в 1913 году теорию водородного атома, в основу которой он положил особые постулаты, связав их, с одной стороны, с законами классической механики и, с другой стороны, с квантовой теорией излучения энергии немецкого физика Макса Планка (1858 – 1947). Сущность  теории  квантов сводится к тому, что энергия испускается  и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями – квантами  энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками,  квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты  излучения:  чем больше частота излучения,  тем больше величина кванта.

Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов  вокруг ядра,  Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическим результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям,  вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, стационарных или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает электромагнитной энергии. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома при положении электрона на  более удаленной от ядра орбите через Еí, а на более близкой через Еê и разделив потерянную атомом энергию Еí – Еê на постоянную Планка, получим искомую частоту:

= (Еí – Еê ) / h

Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон.

Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1: 2 : 3 : …: n . Величина n получила название главного квантового числа.

В  дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связано с некоторыми трудностями из-за ее новизны. Она позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако надо иметь в виду, что все эти схемы – это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства  элементов.

Нужна помощь в написании?

Как было уже сказано раньше, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома,  соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е.  каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как  бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся  примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом   уровне,  чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, имеющих возможность находиться  на  данном энергетическом уровне,  равно удвоенному квадрату номера слоя:

N=2n

где n – номер слоя. Таким образом на 1-2, на 2-8, на  3-18 и т.д.  Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех  элементов, кроме палладия, не  превышает восьми, а в предпоследнем – восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и,  следовательно, наименее прочно  связанные  с  ядром,  могут  отрываться  от  атома  и присоединяться  к  другим  атомам,  входя   в   состав наружного  слоя последних.  Атомы,  лишившиеся одного или  нескольких  электронов, становятся   положительно заряженными,  так  как  заряд  ядра  атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.  Наоборот,  атомы, присоединившие    электроны   становятся   отрицательно заряженными. Образующиеся  таким  путем  заряженные частицы,   качественно  отличные  от соответствующих атомов, называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять  или присоединять электроны,  превращаясь при этом или в электронейтральные атомы,  или в новые ионы с другим зарядом.

8. Квантовая (волновая) механика. Характеристика поведения электронов в атомах.

Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла. Движение электронов в атомах рисовалось Бору до известной степени как простое механическое перемещение, между тем как оно является весьма сложным и своеобразным.

Своеобразие движения электронов было раскрыто новой теорией – квантовой, или волновой, механикой. Квантовая механика показывает,  что  законы  движения электронов  имеют много общего с законами распространения волн. Для электрона с массой m и скоростью v можно записать:

= h / (m*v)

где  – длина  волны Деброиля, h– постоянная Планка.

Атомы различных элементов характеризуются определенным значением заряда ядра и равным ему числом электронов, которые распределяются по энергетическим уровням. Поведение электронов  в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

1) Главное квантовое число n определяет уровень энергии, которому отвечает данная орбита, и ее удаленность от ядра. Число может принимать значения ряда натуральных чисел (в реальных атомах от одного до семи). Эти числа соответствуют электронным слоям атома или его энергетическим уровням, которые обозначаются прописными буквами латинского алфавита:

Помимо главного квантового  числа,  состояние   электрона   в   атоме характеризуется еще тремя другими квантовыми числами: l, m, s.

2) Орбитальное, побочное или азимутальное квантовое число l  характеризует момент количества движения электрона относительно  центра орбиты. Оно определяет форму электронного облака (форму  орбиты), его сплошность или разрывы и его вытянутость. Принимает целые значения от 0 до (n-1). Для данного значения n имеется n различных орбиталей, т.е. число значений l определяет количество атомных орбиталей. Энергетические подуровни обозначаются следующим образом:

3) Магнитное  квантовое  число   m определяет положение плоскости орбиты электрона в пространстве или, в соответствии с представлениями волновой механики, то направление,  в котором вытянуто электронное облако. Может принимать целые значения от -l до l (включая 0), всего (2*l+1) значений. Число значений m определяет число орбиталей данного (s-, p-, d-, f- типа).

4) Спиновое   квантовое   число   s  определяет направление вращения  электрона,   может   принимать только два значения: 1/2 и -1/2. Изучению распределения электронов в атомах уделяется большое внимание, так как поведение атомов в химических реакциях в значительной мере зависит от того, насколько прочно  их электроны удерживаются на своих орбиталях.

Список использованных источников

1. Коровин Н.В., Курс общей химии – М: Высшая школа,1990. – 446с.2. Кременчугская М., Васильева С., Химия – М: Слово, 1995. – 479с.3. Кульман А. Г., Общая химия- М: Наука, 1982. – 578с.4. Некрасов Б. В., Основы общей химии-М: Химия, 1973.- 688с.5. Полинг Л., Полинг П. Химия –М: Мир, 1978. – 685с.6. Савина О. М., Энциклопедия – М.: АСТ, 1994. – 448с.7. Харин А.Н., Курс химии – М: Высшая школа, 1983. – 511с.

nauchniestati.ru

Реферат - Строение атома - Химия

Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе, наталкивает на мысль о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее, что все они находятся в близком родстве друг с другом. Однако до конца 19 в. в химии господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части. Но все эти предположения в то время еще не могли быть подтверждены какими либо экспериментальными данными. Лишь в конце 19в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при известных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома. Первые указания на сложную структуру атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение на их пути легко подвижные тела и откланяются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодный частицы и величину их заряда. Оказалось, что масса каждой частицы равняется 0,00055 углеродной единицы, что составляет всего 1.1840 часть массы водорода, самого легкого из всех атомов. Заряд катодной частицы равняется 1,602 10 кулона, или 4,803 10 электростатических единиц. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. По современным воззрениям, заряд электрона есть наименьший электрический заряд, наименьшее кол-во электричества, какое только может существовать. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. однако они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например, все металлы испускают электроны при накаливании; в пламени горелки также присутствуют электроны; многие вещества выбрасывают электроны при освещении ультрафиолетовыми, рентгеновскими или лучами света (фотоэффект). Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких структурных единиц. Изучение строение атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален; следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отрицательных зарядов электронов, Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения -частиц в газах и других веществах. -частицы выбрасываемые атомами радиоактивных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженные положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность -частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.В последствии аппарат для фотографирования -частиц был назван камерой Вильсона. Рассматривая пути движения -частиц в камере Вильсона, мы видим, что они прямолинейны.В то же время, как показывает теория, каждая частица на протяжении своего пути. а он достигает в воздухе 11см, должна встретить сотни тысяч атомов. Если тем не менее путь ее остается прямолинейным, то это можно объяснить только тем, что -частица пролетает сквозь атомы. Более тщательное исследование этого явления показало, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слой газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельны, а несколько расходятся: происходит рассеяние -частиц, т.е. отклонение от их первоначального пути.Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (1/8000), которые отклоняются очень сильно, некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердое непроницаемое. (добавить о том, что это не электроны их масса в 7500 раз меньше массы -частиц, отклонение из-за положительных частиц того же порядка, что и -частицы) Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вседствии этого остаются на определенных расстояниях от ядра. Так как масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса сосредоточена в его ядре. Размеры атома и его отдельных частей выражается следующими числами: диаметр атома - 10 см., диаметр электрона - 10 см и диаметр ядра от 10 до 10 см. Отсюда ясно, что на долю ядра и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходиться лишь, ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой. Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенной говорят, модель атома, легко объясняет явления отклонение -частиц. Действительно, размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство -частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда -частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние -частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. Теоретически для лучей с такой короткой длиной волны, как рентгеновские лучи, нужно было приготовить дифракционную решетку с 1000000 делений на 1 мм. Так как искусственно приготовить такую решетку невозможно, то долгое время спектр рентгеновских лучей не удавалось получить. В 1912 г. швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Закономерное расположение атомов в кристаллах и весьма малые расстояния между ними давали основание предполагать, что кристалл как раз и может сыграть роль требуемой дифракционной решетки. Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектры рентгеновских лучей почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотографическая пластинка или бумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулированно следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов. Еще до работ Мозли некоторые теоретические соображения позволяли предположить, что порядковый номер элемента указывает число положительных зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучая рассеивание -частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, нашел, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомного веса. Все вместе взятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров. Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры. Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом;дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения : чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Обозначая квант энергии через, можно написать: = где - постоянная величина, так называемая константа Планка, равная 6,625 10 эрг сек. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Обозначив запас энергии атома при положении электрона на более удаленной от ядра орбите через Е, а на более близкой через Е и разделив потерянную атомом энергию Е - Е на постоянную Планка, получим искомую частоту: =------ Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1 : 2 : 3 :... n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторыми трудностями из-за ее новизны. Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказанно, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя: N=2n где n-номер слоя. Таким образом на 1-2, на 2-8, на 3-18 и т.д. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла. Движение электронов в атомах рисовалось Бору до известной степени как простое механическое перемещение, между тем как оно является весьма сложным и своеобразным. Своеобразие движения электронов было раскрыто новой теорией - квантовой, или волновой, механикой. Квантовая механика показывает, что законы движения электронов имеют много общего с законами распространения волн. Я хочу лишь основное уравнение волновой механики, в связи с ее сложностью: связывающие длину волны для потока электронов с их скоростью и массой : =----- где h- постоянная Планка. Охватывая более широкий круг явлений, чем теория Бора, решает ряд вопросов, с которыми теория Бора справится не смогла. Так, например, при помощи волновой механики получает объяснение устойчивость лишь определенных электронных орбит. "Устойчивыми" являются лишь те орбиты, на которых укладывается целое число волн. Так как длина круговой орбиты с радиусом r равна 2 r,то устойчивость орбиты будет определятся ур-нием: 2 r=------ где n-целое число. Это и есть математическое выражение первого постулата Бора, которое он в 1913 г. положил в основу расчета движения электрона в атоме водорода. В приведенном выше ур-ние n-главное квантовое число. Принимает значения любого натурального числа. 1) Главное квантовое число n определяет уровень энергии, которому отвечает данная орбита, и ее удаленность от ядра. Главное квантовое число определяет среднее радиальное распределение электронной плотности около ядра. Помимо главного квантового числа, состояние электрона в атоме характеризуется еще тремя другими квантовыми числами: l,m,s. 2) Побочное (азимутальное) квантовое число l характеризует момент количества движения электрона относительно центра орбиты. Оно определяет форму электронного облака (форму орбиты), его сплошность или разрывы и его вытянутость. (s,p,d орбитали) 3) Магнитное квантовое число m определяет положение плоскости орбиты электрона в пространстве или, согласно представления волновой механики, то направление, в котором вытянуто электронное облако. Равно по модулю l. 4) Спиновое квантовое число s определяет направление вращения электрона. может принимать только два значения. На основании анализа спектров и учета положения элементов в периодической системе физиком Паули был найден общий принцип, позволяющий избрать те сочетания квантовых чисел, которые отвечают реальной действительности. Согласно этому принципу два электрона в атоме не могут иметь четыре одинаковых квантовых числа.

www.ronl.ru

Реферат Атом

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История становления понятия
• 2 Модели атомов
• 3 Квантово-механическая модель атома
• 4 Строение
  • 4.1 Субатомные частицы
  • 4.2 Электроны в атоме
• 5 Свойства
  • 5.1 Масса
  • 5.2 Размер
  • 5.3 Радиоактивный распад
  • 5.4 Магнитный момент
  • 5.5 Энергетические уровни
  • 5.6 Валентность
ПримечанияЛитература

Введение

Атом гелия

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. 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.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

1. История становления понятия

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

На международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

2. Модели атомов

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, 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. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].
• Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
• 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 маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что 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. Дело в том, что, 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. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

3. Квантово-механическая модель атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

4. Строение

4.1. Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[4] Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−27 кг).[5] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[6]

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[7][8]

4.2. Электроны в атоме

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

5. Свойства

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий).[9] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов.[10] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.[11][12]

5.1. Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66×10−24 г.[13] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м.[14] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы.[15] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208[11] с массой 207,9766521 а. е. м.[16]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022×1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.[13]

5.2. Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.[17] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо.[18] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).[19] Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода.[20] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2×1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода.[21] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода.[22] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.[23]

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.[24]

5.3. Радиоактивный распад

Диаграмма времени полураспада (T½) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм[25]).

Существуют три основные формы радиоактивного распада:[26][27]

• Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
• Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В первом случае происходит испускание электрона и антинейтрино, во втором — испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.
• Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа.[25]

5.4. Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной (), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину.[28]

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.[29]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.[29][30]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако, для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии.[31][32]

5.5. Энергетические уровни

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные — возбуждёнными.[33]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Энергия испущенного фотона пропорциональна его частоте, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра.[34] Каждый элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов.[35]

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно переходят на уровень, лежащий ниже по энергии, снова испуская фотоны. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём.[36]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона.[37]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена-Бака).[38] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.[39]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот.[40]

5.6. Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.[41]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.[42][43]

Примечания

1. Большая советская энциклопедия - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00005/15200.htm?text=атом&stpar3=1.2
2. Демокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира - books.google.ru/books?id=zSzUPskLA9kC&pg=PA281 / А. О. Чубарьян. — М.: Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5948493075
3. http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/mkt/1.html - www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/mkt/1.html Планетарная модель атома]
4. Demtröder (2002:39-42)
5. Woan (2000)
6. MacGregor (1992)
7. The Particle Adventure - www.particleadventure.org/. Particle Data Group. Lawrence Berkeley Laboratory (2002).
8. James Schombert. Elementary Particles - abyss.uoregon.edu/~js/ast123/lectures/lec07.html. University of Oregon (18 апреля 2006).
9. Howard S. Matis. The Isotopes of Hydrogen - www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/02/3.html. Guide to the Nuclear Wall Chart. Lawrence Berkeley National Lab (9 августа 2000).
10. Rick Weiss. Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet - www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2006/10/16/AR2006101601083.html. Washington Post (17 октября 2006).
11. ↑ 12 Sills (2003)
12. Belle Dumé. Bismuth breaks half-life record for alpha decay - physicsworld.com/cws/article/news/17319. Physics World (23 апреля 2003).
13. ↑ 12 Mills и др. (1993).
14. Chung Chieh. Nuclide Stability - www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/nuctek/nuclideunstable.html. University of Waterloo (22 января 2001).
15. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements - physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl?ele=&ascii=html&isotype=some. National Institute of Standards and Technology.
16. G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault. (2003). «The Ame2003 atomic mass evaluation (II) - www.nndc.bnl.gov/amdc/web/masseval.html». Nuclear Physics A729: 337–676. Проверено 2008-02-07.
17. R. D. Shannon. (1976). «Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides - journals.iucr.org/a/issues/1976/05/00/issconts.html». Acta Crystallographica, Section A 32: 751. DOI:10.1107/S0567739476001551 - dx.doi.org/10.1107/S0567739476001551. Проверено 2007-01-03.
18. Judy Dong. Diameter of an Atom - hypertextbook.com/facts/MichaelPhillip.shtml. The Physics Factbook (1998).
19. Zumdahl (2002).
20. Small Miracles: Harnessing nanotechnology - oregonstate.edu/terra/2007winter/features/nanotech.php. Oregon State University (2007).  — описывает толщину человеческого волоса как 105 нм и 10 углеродных атомов по толщине как 1 нм.
21. Padilla et al (2002): Science textbook, Page 32: «There are 2 000 000 000 000 000 000 000 (that’s 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen.»
22. Карат равен 200 миллиграмм. По определению, углерод-12 имеет 12 грамм на моль. Постоянная Авогадро равна 6,02×1023 атомов на моль.
23. Feynman. Six Easy Pieces. 1995.
24. First Detailed Photos of Atoms - insidescience.org/research/first_detailed_photos_of_atoms. Inside Science News Service (14 сентября 2009).
25. ↑ 12Radioactivity - www.splung.com/content/sid/5/page/radioactivity. Splung.com.
26. L’Annunziata (2003).
27. Richard B. Firestone. Radioactive Decay Modes - isotopes.lbl.gov/education/decmode.html. Berkeley Laboratory (22 мая 2000).
28. J. P. Hornak. Chapter 3: Spin Physics - astro.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm. The Basics of NMR. Rochester Institute of Technology (2006). (недоступная ссылка)
29. ↑ 12Paul A. Schroeder. Magnetic Properties - www.gly.uga.edu/schroeder/geol3010/magnetics.html. University of Georgia (22 февраля 2000). (недоступная ссылка)
30. Greg Goebel. [4.3] Magnetic Properties of the Atom - www.vectorsite.net/tpqm_04.html. Elementary Quantum Physics. In The Public Domain website (1 сентября 2007).
31. Lynn Yarris. (весна 1997). «Talking Pictures - www.lbl.gov/Science-Articles/Research-Review/Magazine/1997/story1.html». Berkeley Lab Research Review. Проверено 2008-01-09.(недоступная ссылка)
32. Liang and Haacke (1999: 412-26).
33. Bart J. Van Zeghbroeck. Energy levels - physics.ship.edu/~mrc/pfs/308/semicon_book/eband2.htm. Shippensburg University (1998).
34. Fowles (1989).
35. W. C. Martin, W. L. Wiese. Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas - physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/. National Institute of Standards and Technology (май 2007).
36. Atomic Emission Spectra — Origin of Spectral Lines - www.avogadro.co.uk/light/bohr/spectra.htm. Avogadro Web Site.
37. Richard Fitzpatrick. Fine structure - farside.ph.utexas.edu/teaching/qm/lectures/node55.html. University of Texas at Austin (16 февраля 2007).
38. Michael Weiss. The Zeeman Effect - math.ucr.edu/home/baez/spin/node8.html. University of California-Riverside (2001).
39. Beyer (2003).
40. Thayer Watkins. Coherence in Stimulated Emission - www.sjsu.edu/faculty/watkins/stimem.htm. San José State University.
41. William Reusch. Virtual Textbook of Organic Chemistry - www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/intro1.htm. Michigan State University (16 июля 2007).
42. Husted Robert и др. Periodic Table of the Elements - periodic.lanl.gov/default.htm. Los Alamos National Laboratory (11 декабря 2003).
43. Rudy Baum. It’s Elemental: The Periodic Table - pubs.acs.org/cen/80th/elements.html. Chemical & Engineering News (2003).

Литература

• Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами. — М.: Физматгиз, 1960. — 562 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. М.: Мир, 2001. — 532c.
• Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек - lib.homelinux.org/_djvu/P_Physics/Veselov M.G., Labzovskij L.N. Teorya atoma.. stroenie e'lektronnyh obolochek (Nauka, 1986)(ru)(T)(330s)_P_.djvu. — М.: Наука, 1986. — 328 с.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1 - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Zommerfeld_t1_1956ru.djvu М.: ГИТТЛ, 1956.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2 - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Zommerfeld_t2_1956ru.djvu М.: ГИТТЛ, 1956.
• Шпольский Э. В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Shpolskij_t2_1974ru.djvu 4-е изд. М.: Наука, 1974.

• Michael F. L’Annunziata. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. — ISBN 0124366031
• H. F. Beyer, V. P. Shevelko. Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN 0750304812
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. {{{заглавие}}}. — Elsevier, 2001. — ISBN 0750674636
• J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy, Part 1. — London and Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtröder. Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. — 1st ed. — Springer, 2002. — ISBN 3540206310
• Richard Feynman. Six Easy Pieces. — The Penguin Group, 1995. — ISBN 978-0-140-27666-4
• Grant R. Fowles. Introduction to Modern Optics. — Courier Dover Publications, 1989. — ISBN 0486659577
• Mrinalkanti Gangopadhyaya. Indian Atomism: History and Sources. — Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. — ISBN 0-391-02177-X
• David L. Goodstein. States of Matter. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN 048649506X
• Edward Robert Harrison. Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN 0521773512
• Tatjana Jevremovic. Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN 0387232842
• James Lequeux. The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN 3540213260
• Z.-P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging - ieeexplore.ieee.org/iel5/8734/27658/01233976.pdf?arnumber=1233976 / J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 1999. — Т. 2. — P. 412—26. — ISBN 0471139467
• Malcolm H. MacGregor. The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN 0195218337
• Oliver Manuel. Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN 0306465620
• Robert M. Mazo. Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0198515677
• Ian Mills, Tomislav Cvitaš, Klaus Homann, Nikola Kallay, Kozo Kuchitsu. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry - www.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdf. — 2nd ed. — Oxford: International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on Physiochemical Symbols Terminology and Units, Blackwell Scientific Publications, 1993. — ISBN 0-632-03583-8
• Richard Myers. The Basics of Chemistry. — Greenwood Press, 2003. — ISBN 0313316643
• Michael J. Padilla, Ioannis Miaoulis, Martha Cyr. Prentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. — Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, 2002. — ISBN 0-13-054091-9
• Linus Pauling. The Nature of the Chemical Bond. — Cornell University Press, 1960. — ISBN 0801403332
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN 1860942504
• Leonid Ivanovich Ponomarev. The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN 0750302518
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN 0824708342
• Robert Siegfried. From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN 0871699249
• Alan D. Sills. Earth Science the Easy Way. — Barron’s Educational Series, 2003. — ISBN 0764121464
• Boris M. Smirnov. Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN 038795550X
• Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science - books.google.com/books?id=pheL_ubbXD0C&dq. — Simon & Schuster, 2003. — P. 213—214. — ISBN 074324379X
• Graham Woan. The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 0521575079
• Charles Adolphe Wurtz. The Atomic Theory. — New York: D. Appleton and company, 1881.
• Marco Zaider, Harald H. Rossi. Radiation Science for Physicians and Public Health Workers. — Springer, 2001. — ISBN 0306464039
• Steven S. Zumdahl. Introductory Chemistry: A Foundation - college.hmco.com/chemistry/intro/zumdahl/intro_chemistry/5e/students/protected/periodictables/pt/pt/pt_ar5.html. — 5th ed. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN 0-618-34342-3

www.wreferat.baza-referat.ru

Реферат Строение атома

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История становления понятия
• 2 Модели атомов
• 3 Квантово-механическая модель атома
• 4 Строение
  • 4.1 Субатомные частицы
  • 4.2 Электроны в атоме
• 5 Свойства
  • 5.1 Масса
  • 5.2 Размер
  • 5.3 Радиоактивный распад
  • 5.4 Магнитный момент
  • 5.5 Энергетические уровни
  • 5.6 Валентность
ПримечанияЛитература

Введение

Атом гелия

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. 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.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

1. История становления понятия

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

На международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

2. Модели атомов

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, 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. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].
• Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
• 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 маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что 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. Дело в том, что, 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. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

3. Квантово-механическая модель атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

4. Строение

4.1. Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−31 кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.[4] Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−27 кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−27 кг).[5] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[6]

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄3 или −1⁄3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[7][8]

4.2. Электроны в атоме

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

5. Свойства

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий).[9] Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов.[10] Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.[11][12]

5.1. Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66×10−24 г.[13] Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м.[14] Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы.[15] Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208[11] с массой 207,9766521 а. е. м.[16]

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022×1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.[13]

5.2. Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь. Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.[17] В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо.[18] Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).[19] Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода.[20] Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2×1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода.[21] Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода.[22] Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.[23]

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM). Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт. Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.[24]

5.3. Радиоактивный распад

Диаграмма времени полураспада (T½) в секундах для различных изотопов с Z протонами и N нейтронами.

У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий (расстояний порядка 1 фм[25]).

Существуют три основные формы радиоактивного распада:[26][27]

• Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.
• Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В первом случае происходит испускание электрона и антинейтрино, во втором — испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.
• Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа- или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад, который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа.[25]

5.4. Магнитный момент

Элементарные частицы обладают внутренним квантовомеханическим свойством известным как спин. Оно аналогично угловому моменту объекта вращающегося вокруг собственного центра масс, хотя строго говоря, эти частицы являются точечными и нельзя говорить об их вращении. Спин измеряют в единицах приведённой планковской постоянной (), тогда электроны, протоны и нейтроны имеют спин равный ½ . В атоме электроны обращаются вокруг ядра и обладают орбитальным угловым моментом помимо спина, в то время как ядро само по себе имеет угловой момент благодаря ядерному спину.[28]

Магнитное поле, создаваемое магнитным моментом атома, определяется этими различными формами углового момента, как и в классической физике вращающиеся заряженные объекты создают магнитное поле. Однако, наиболее значительный вклад происходит от спина. Благодаря свойству электрона, как и всех фермионов, подчиняться правилу запрета Паули, по которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, связанные электроны спариваются друг с другом, и один из электронов находится в состоянии со спином вверх, а другой — с противоположной проекцией спина — состояние со спином вниз. Таким образом магнитные моменты электронов сокращаются, уменьшая полный магнитный дипольный момент системы до нуля в некоторых атомах с чётным числом электронов.[29]

В ферромагнитных элементах, таких как железо, нечётное число электронов приводит к появлению неспаренного электрона и к ненулевому полному магнитному моменту. Орбитали соседних атомов перекрываются, и наименьшее энергетическое состояние достигается, когда все спины неспаренных электронов принимают одну ориентацию, процесс известный как обменное взаимодействие. Когда магнитные моменты ферромагнитных атомов выравниваются, материал может создавать измеримое макроскопическое магнитное поле. Парамагнитные материалы состоят из атомов, магнитные моменты которых разориентированы в отсутствии магнитного поля, но магнитные моменты отдельных атомов выравниваются при приложении магнитного поля.[29][30]

Ядро атома тоже может обладать ненулевым полным спином. Обычно при термодинамическом равновесии спины ядер ориентированы случайным образом. Однако, для некоторых элементов (таких как ксенон-129) возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами —состояния называемого гиперполяризацией. Это состояние имеет важное прикладное значение в магнитно-резонансной томографии.[31][32]

5.5. Энергетические уровни

Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома). Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней — состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные — возбуждёнными.[33]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона. Энергия испущенного фотона пропорциональна его частоте, поэтому переходы между разными энергетическими уровнями проявляются в различных областях электромагнитного спектра.[34] Каждый элемент имеет уникальный спектр испускания, который зависит от заряда ядра, заполнения электронных подоболочек, взаимодействия электронов, а также других факторов.[35]

Пример линейного спектра поглощения

Когда излучение с непрерывным спектром проходит через вещество (например, газ или плазму), некоторые фотоны поглощаются атомами или ионами, вызывая электронные переходы между энергетическим состояниями, разность энергий которых равна энергии поглощённого фотона. Затем эти возбуждённые электроны спонтанно переходят на уровень, лежащий ниже по энергии, снова испуская фотоны. Таким образом, вещество ведёт себя как фильтр, превращая исходный непрерывный спектр в спектр поглощения, в котором имеются серии тёмных полос. При наблюдении с тех углов, куда не направлено исходное излучение, можно заметить излучение с эмиссионным спектром, испускаемое атомами. Спектроскопические измерения энергии, амплитуды и ширины спектральных линий излучения позволяют определить вид излучающего вещества и физические условия в нём.[36]

Более детальный анализ спектральных линий показал, что некоторые из них обладают тонкой структурой, то есть расщеплены на несколько близких линий. В узком смысле «тонкой структурой» спектральных линий принято называть их расщепление, происходящее из-за спин-орбитального взаимодействия между спином и вращательным движением электрона.[37]

Взаимодействие магнитных моментов электрона и ядра приводит к сверхтонкому расщеплению спектральных линий, которое, как правило, меньше, чем тонкое.

Если поместить атом во внешнее магнитное поле, то также можно заметить расщепление спектральных линий на две, три и более компонент — это явление называется эффектом Зеемана. Он вызван взаимодействием внешнего магнитного поля с магнитным моментом атома, при этом в зависимости от взаимной ориентации момента атома и магнитного поля энергия данного уровня может увеличиться или уменьшиться. При переходе атома из одного расщеплённого состояния в другое будет излучаться фотон с частотой, отличной от частоты фотона при таком же переходе в отсутствие магнитного поля. Если спектральная линия при помещении атома в магнитное поле расщепляется на три линии, то такой эффект Зеемана называется нормальным (простым). Гораздо чаще в слабом магнитном поле наблюдается аномальный (сложный) эффект Зеемана, когда происходит расщепление на 2, 4 или более линий (аномальный эффект происходит из-за наличия спина у электронов). При увеличении магнитного поля вид расщепления упрощается, и аномальный эффект Зеемана переходит в нормальный (эффект Пашена-Бака).[38] Присутствие электрического поля также может вызвать сравнимый по величине сдвиг спектральных линий, вызванный изменением энергетических уровней. Это явление известно как эффект Штарка.[39]

Если электрон находится в возбуждённом состоянии, то взаимодействие с фотоном определённой энергии может вызвать вынужденное излучение дополнительного фотона с такой же энергией — для этого должен существовать более низкий уровень, на который возможен переход, и разность энергий уровней должна равняться энергии фотона. При вынужденном излучении эти два фотона будут двигаться в одном направлении и иметь одинаковую фазу. Это свойство используется в лазерах, которые могут испускать когерентный пучок света в узком диапазоне частот.[40]

5.6. Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.[41]

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.[42][43]

Примечания

1. Большая советская энциклопедия - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00005/15200.htm?text=атом&stpar3=1.2
2. Демокрит // Школьная энциклопедия «Руссика». История Древнего мира - books.google.ru/books?id=zSzUPskLA9kC&pg=PA281 / А. О. Чубарьян. — М.: Olma Media Group, 2003. — С. 281—282. — 815 с. — ISBN 5948493075
3. http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/mkt/1.html - www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/mkt/1.html Планетарная модель атома]
4. Demtröder (2002:39-42)
5. Woan (2000)
6. MacGregor (1992)
7. The Particle Adventure - www.particleadventure.org/. Particle Data Group. Lawrence Berkeley Laboratory (2002).
8. James Schombert. Elementary Particles - abyss.uoregon.edu/~js/ast123/lectures/lec07.html. University of Oregon (18 апреля 2006).
9. Howard S. Matis. The Isotopes of Hydrogen - www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/02/3.html. Guide to the Nuclear Wall Chart. Lawrence Berkeley National Lab (9 августа 2000).
10. Rick Weiss. Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet - www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2006/10/16/AR2006101601083.html. Washington Post (17 октября 2006).
11. ↑ 12 Sills (2003)
12. Belle Dumé. Bismuth breaks half-life record for alpha decay - physicsworld.com/cws/article/news/17319. Physics World (23 апреля 2003).
13. ↑ 12 Mills и др. (1993).
14. Chung Chieh. Nuclide Stability - www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/nuctek/nuclideunstable.html. University of Waterloo (22 января 2001).
15. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements - physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl?ele=&ascii=html&isotype=some. National Institute of Standards and Technology.
16. G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault. (2003). «The Ame2003 atomic mass evaluation (II) - www.nndc.bnl.gov/amdc/web/masseval.html». Nuclear Physics A729: 337–676. Проверено 2008-02-07.
17. R. D. Shannon. (1976). «Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides - journals.iucr.org/a/issues/1976/05/00/issconts.html». Acta Crystallographica, Section A 32: 751. DOI:10.1107/S0567739476001551 - dx.doi.org/10.1107/S0567739476001551. Проверено 2007-01-03.
18. Judy Dong. Diameter of an Atom - hypertextbook.com/facts/MichaelPhillip.shtml. The Physics Factbook (1998).
19. Zumdahl (2002).
20. Small Miracles: Harnessing nanotechnology - oregonstate.edu/terra/2007winter/features/nanotech.php. Oregon State University (2007).  — описывает толщину человеческого волоса как 105 нм и 10 углеродных атомов по толщине как 1 нм.
21. Padilla et al (2002): Science textbook, Page 32: «There are 2 000 000 000 000 000 000 000 (that’s 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen.»
22. Карат равен 200 миллиграмм. По определению, углерод-12 имеет 12 грамм на моль. Постоянная Авогадро равна 6,02×1023 атомов на моль.
23. Feynman. Six Easy Pieces. 1995.
24. First Detailed Photos of Atoms - insidescience.org/research/first_detailed_photos_of_atoms. Inside Science News Service (14 сентября 2009).
25. ↑ 12Radioactivity - www.splung.com/content/sid/5/page/radioactivity. Splung.com.
26. L’Annunziata (2003).
27. Richard B. Firestone. Radioactive Decay Modes - isotopes.lbl.gov/education/decmode.html. Berkeley Laboratory (22 мая 2000).
28. J. P. Hornak. Chapter 3: Spin Physics - astro.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm. The Basics of NMR. Rochester Institute of Technology (2006). (недоступная ссылка)
29. ↑ 12Paul A. Schroeder. Magnetic Properties - www.gly.uga.edu/schroeder/geol3010/magnetics.html. University of Georgia (22 февраля 2000). (недоступная ссылка)
30. Greg Goebel. [4.3] Magnetic Properties of the Atom - www.vectorsite.net/tpqm_04.html. Elementary Quantum Physics. In The Public Domain website (1 сентября 2007).
31. Lynn Yarris. (весна 1997). «Talking Pictures - www.lbl.gov/Science-Articles/Research-Review/Magazine/1997/story1.html». Berkeley Lab Research Review. Проверено 2008-01-09.(недоступная ссылка)
32. Liang and Haacke (1999: 412-26).
33. Bart J. Van Zeghbroeck. Energy levels - physics.ship.edu/~mrc/pfs/308/semicon_book/eband2.htm. Shippensburg University (1998).
34. Fowles (1989).
35. W. C. Martin, W. L. Wiese. Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas - physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/. National Institute of Standards and Technology (май 2007).
36. Atomic Emission Spectra — Origin of Spectral Lines - www.avogadro.co.uk/light/bohr/spectra.htm. Avogadro Web Site.
37. Richard Fitzpatrick. Fine structure - farside.ph.utexas.edu/teaching/qm/lectures/node55.html. University of Texas at Austin (16 февраля 2007).
38. Michael Weiss. The Zeeman Effect - math.ucr.edu/home/baez/spin/node8.html. University of California-Riverside (2001).
39. Beyer (2003).
40. Thayer Watkins. Coherence in Stimulated Emission - www.sjsu.edu/faculty/watkins/stimem.htm. San José State University.
41. William Reusch. Virtual Textbook of Organic Chemistry - www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/intro1.htm. Michigan State University (16 июля 2007).
42. Husted Robert и др. Periodic Table of the Elements - periodic.lanl.gov/default.htm. Los Alamos National Laboratory (11 декабря 2003).
43. Rudy Baum. It’s Elemental: The Periodic Table - pubs.acs.org/cen/80th/elements.html. Chemical & Engineering News (2003).

Литература

• Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами. — М.: Физматгиз, 1960. — 562 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. М.: Мир, 2001. — 532c.
• Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек - lib.homelinux.org/_djvu/P_Physics/Veselov M.G., Labzovskij L.N. Teorya atoma.. stroenie e'lektronnyh obolochek (Nauka, 1986)(ru)(T)(330s)_P_.djvu. — М.: Наука, 1986. — 328 с.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1 - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Zommerfeld_t1_1956ru.djvu М.: ГИТТЛ, 1956.
• Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2 - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Zommerfeld_t2_1956ru.djvu М.: ГИТТЛ, 1956.
• Шпольский Э. В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Shpolskij_t2_1974ru.djvu 4-е изд. М.: Наука, 1974.

• Michael F. L’Annunziata. Handbook of Radioactivity Analysis. — 2003. — ISBN 0124366031
• H. F. Beyer, V. P. Shevelko. Introduction to the Physics of Highly Charged Ions. — CRC Press, 2003. — ISBN 0750304812
• Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg. {{{заглавие}}}. — Elsevier, 2001. — ISBN 0750674636
• J. Dalton. A New System of Chemical Philosophy, Part 1. — London and Manchester: S. Russell, 1808.
• Wolfgang Demtröder. Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. — 1st ed. — Springer, 2002. — ISBN 3540206310
• Richard Feynman. Six Easy Pieces. — The Penguin Group, 1995. — ISBN 978-0-140-27666-4
• Grant R. Fowles. Introduction to Modern Optics. — Courier Dover Publications, 1989. — ISBN 0486659577
• Mrinalkanti Gangopadhyaya. Indian Atomism: History and Sources. — Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. — ISBN 0-391-02177-X
• David L. Goodstein. States of Matter. — Courier Dover Publications, 2002. — ISBN 048649506X
• Edward Robert Harrison. Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. — Cambridge University Press, 2003. — ISBN 0521773512
• Tatjana Jevremovic. Nuclear Principles in Engineering. — Springer, 2005. — ISBN 0387232842
• James Lequeux. The Interstellar Medium. — Springer, 2005. — ISBN 3540213260
• Z.-P. Liang, E. M. Haacke. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging - ieeexplore.ieee.org/iel5/8734/27658/01233976.pdf?arnumber=1233976 / J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 1999. — Т. 2. — P. 412—26. — ISBN 0471139467
• Malcolm H. MacGregor. The Enigmatic Electron. — Oxford University Press, 1992. — ISBN 0195218337
• Oliver Manuel. Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. — Springer, 2001. — ISBN 0306465620
• Robert M. Mazo. Brownian Motion: Fluctuations, Dynamics, and Applications. — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0198515677
• Ian Mills, Tomislav Cvitaš, Klaus Homann, Nikola Kallay, Kozo Kuchitsu. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry - www.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdf. — 2nd ed. — Oxford: International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on Physiochemical Symbols Terminology and Units, Blackwell Scientific Publications, 1993. — ISBN 0-632-03583-8
• Richard Myers. The Basics of Chemistry. — Greenwood Press, 2003. — ISBN 0313316643
• Michael J. Padilla, Ioannis Miaoulis, Martha Cyr. Prentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. — Upper Saddle River, New Jersey USA: Prentice-Hall, 2002. — ISBN 0-13-054091-9
• Linus Pauling. The Nature of the Chemical Bond. — Cornell University Press, 1960. — ISBN 0801403332
• Jeremy I. Pfeffer, Shlomo Nir. Modern Physics: An Introductory Text. — Imperial College Press, 2000. — ISBN 1860942504
• Leonid Ivanovich Ponomarev. The Quantum Dice. — CRC Press, 1993. — ISBN 0750302518
• J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. — CRC Press, 2002. — ISBN 0824708342
• Robert Siegfried. From Elements to Atoms: A History of Chemical Composition. — DIANE, 2002. — ISBN 0871699249
• Alan D. Sills. Earth Science the Easy Way. — Barron’s Educational Series, 2003. — ISBN 0764121464
• Boris M. Smirnov. Physics of Atoms and Ions. — Springer, 2003. — ISBN 038795550X
• Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science - books.google.com/books?id=pheL_ubbXD0C&dq. — Simon & Schuster, 2003. — P. 213—214. — ISBN 074324379X
• Graham Woan. The Cambridge Handbook of Physics. — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 0521575079
• Charles Adolphe Wurtz. The Atomic Theory. — New York: D. Appleton and company, 1881.
• Marco Zaider, Harald H. Rossi. Radiation Science for Physicians and Public Health Workers. — Springer, 2001. — ISBN 0306464039
• Steven S. Zumdahl. Introductory Chemistry: A Foundation - college.hmco.com/chemistry/intro/zumdahl/intro_chemistry/5e/students/protected/periodictables/pt/pt/pt_ar5.html. — 5th ed. — Houghton Mifflin, 2002. — ISBN 0-618-34342-3

wreferat.baza-referat.ru

Смотрите также

• 
  Реферат ученика
• 
  Реферат х
• 
  Реферат интерьер
• 
  Река реферат
• 
  Реферат заповедник
• 
  Диплом реферат
• 
  Реферат музей
• 
  Естествознание рефераты
• 
  Музей реферат
• 
  Реферат потребности
• 
  Потребности реферат