Строение атома — история и современное представление


Как устроен окружающий мир? Этот вопрос интересовал древних мудрецов, философов средневековья, учёных других эпох. Пытаясь дать объяснение наблюдаемым явлениям и фактам, они строили мысленные образы строения вещества. Однако, открытие новых явлений, нередко вызывало необходимость создания других, более совершенных, моделей.

Рассмотрим этот процесс на примере развития теории строения атома.

Эволюция представлений о строении атома

Понятие атома и основные принципы атомистической теории впервые были сформулированы в V-VIII до нашей эры выдающимися представителями древнегреческого мира Демокритом, Левкиппом, Эпикуром. Спустя несколько столетий они нашли поэтическое отражение в поэме римского философа и поэта Лукреция Кара «О природе вещей».

Открытие электрона

В средние века атомистические воззрения философов древности почти не имели сторонников. И лишь в XVII веке, когда химия выделилась в отдельную науку, многие учёные обратили свои взоры на атомизм.

Великие открытия М. Ломоносова, Д. Дальтона, Д. Менделеева и др. учёных подтверждали существование атомов, но по-прежнему они считались неделимыми «кирпичиками мироздания».

Ситуация изменилась во второй половине XIX столетия, когда были открыты электроны. Опыты проводились с двухэлектродной стеклянной трубкой, заполненной разряженным газом. С одной её стороны был впаян катод, а с другой анод. При подаче высокого напряжения раскалённый катод становился источником невидимого излучения, вызывавшего свечение газа в трубке. Многочисленные опыты доказали, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц.

Схема анадно-катодной трубки. С помощью которой отркыли электрон.

В 1897 году английский физик Томпсон усовершенствовал трубку, создав внутри её перекрестные магнитное и электрическое поля, используя для этого электрические катушки и конденсаторные пластины. Томпсон отрегулировал электрическое и магнитное поля так, что их взаимное влияние на катодные лучи было скомпенсировано. Используя параметры этих полей, учёный установил, что катодные лучи состоят из совершенно одинаковых частиц, определил отношение заряда частицы к её массе и приближенно вычислил этот заряд.

Вскоре этим частицам было присвоено название электроны. Их источником могли быть только атомы, из которых состоял катод. Дальнейшие исследования позволили точно установить заряд и массу электрона. Миф о неделимости атома начал терпеть крах.

Модель атома Томпсона или «пудинг с изюмом»

Поскольку атомы электронейтральны, то отрицательный заряд электронов должен иметь в атоме свой антипод, т. е. положительно заряженную часть. И Томпсон предлагает структуру атома, получившую название «пудинг с изюмом» или «кекс с изюмом». По его мнению, атом — это сфера, в которой равномерно распределён положительный заряд, в неё вкраплены электроны, нейтрализующие этот положительный заряд.

Кекс с сизюмом — атомная модель Томпсона.

Эта модель объясняла некоторые проблемы, интересовавшие физиков, но была абсолютно беспомощна при попытке объяснения радиоактивности. В частности, в объяснении природы альфа-частиц.

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Начало XX века. Минувшее столетие было богато великими физическими открытиями — рентгеновские лучи, радиоактивность, магнитное действие электрического тока и др. Они заложили основу технического прогресса XX столетия, но не внесли полную ясность в строение атома. Хотя его сложность уже ни у кого не вызывала сомнения.

Любая гипотеза в науке нуждается в экспериментальной проверке. Английский физик Эрнст Резерфорд конструирует установку, позволившую «анатомировать» атом, т.е. узнать его внутреннее строение, а значит проверить томпсоновскую модель атома.

В его опытах радиоактивное вещество, помещенное в свинцовый контейнер, являлось источником альфа излучения. Его узкий пучок направлялся на специальный экран, вызывая на нём световые вспышки (сцинтилляции). Затем на его пути устанавливалась тончайшая золотая фольга. Рассуждения Резерфорда были следующими: если модель Томпсона верна, тяжёлые положительные альфа частицы не пройдут через равномерно рассредоточенный положительный заряд в атомах золота. Следовательно, на люминесцентном экране сцинтилляций не будет.

Схема опыта Резерфорда.

Однако огромное количество опытов, выполненных на этой установке, показали совершенно иную картину. Альфа частицы проходили через металлическую фольгу, лишь испытывая отклонение на различные углы, даже возвращаясь назад, как будто встречаясь с непреодолимым препятствием.

Результаты эксперимента учёный объяснил воздействием на альфа частицы чрезвычайно сильного электрического поля, создаваемого зарядом малых размеров, но большой массы (ядра).

Альфа частицы, пролетающие вблизи ядра, отталкиваются от него, отклоняясь на различные углы. Те из них, которые попадают на ядро, отбрасываются на 180 градусов.

Планетарная модель атома Резерфорда

Анализируя результаты опытов, в 1912 году Резерфорд предлагает своё видение структуры атома. Он считает, что атом подобен крохотной планетной системе. В его центре — очень маленькая, но массивная частица — ядро, несущее положительный электрический заряд.

Планетараная модель атома Резерфорда.

Атом почти пуст, лишь на огромных расстояниях от него движутся по своим орбитам лёгкие электроны. Заряд ядра всегда равен номеру элемента в таблице Менделеева.

Главными строительными деталями ядра являются положительные протоны и, не имеющие электрического заряда, нейтроны. Исключение составляет только водород. Его ядро состоит из одного единственного протона. Для обозначения атомных ядер используют запись вида:

Обозначение атомного ядра.

  • А — атомная масса — сумма протонов и нейтронов (нуклонов ядра);
  • Z — номер элемента в таблице Менделеева, равный числу протонов в ядре.

Ядра атомов очень прочны, что объясняется действием особых внутриядерных сил. Именно эти силы удерживают вместе нуклоны ядра. Их главная особенность — короткодействующий характер. Т.е. они действуют лишь в пределах ядра.

Всего сейчас науке известны 118 видов атомов. Объединяясь в молекулы, они образуют всё многообразие веществ в природе.

Спустя столетие

Современная физика базируется на планетарной модели атома, дополненной впоследствии постулатами Бора и сведениями об атомном ядре. Атом невидим для невооруженного глаза, но «подсмотреть» за ним всё же можно в специальные виды микроскопов — электронный, атомный и др.

Далёкие спутники атомных ядер — электроны уже давно не считают просто отрицательно заряженными частицами. Всё гораздо мудрее и интереснее. Совокупность электронов в атоме называют «электронным облаком». Скорость его вращения и удаленность от ядра подчиняется определенным законам. Но особенно интересна особенность электронов — иметь массу и заряд как частица и в то же время проявлять волновые свойства. Эта двойственность носит название корпускулярно-волнового дуализма.

Чем совершеннее методы познания, тем глубже проникает человеческий разум в строение вещества. К настоящему времени установлено, что протоны и нейтроны имеют сложную структуру, состоящую из элементарных частиц — кварков.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна


Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Вы можете оставить комментарий к докладу.

Оставить комментарий