Реферат на тему: Эволюцию представлений о структуре атома в конце XIX-XXI вв.

Содержание:

Введение

Открытие сложной структуры атома - важнейший этап в становлении современной физики. Первые сведения о строении атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости. В тридцатых годах XIX в. Эксперименты выдающегося физика М. Фарадея натолкнули на мысль о существовании электричества в виде отдельных единичных зарядов. Открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, получившего название радиоактивности, стало прямым доказательством сложности строения атома. 

В 1902 году английские ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди доказали, что при радиоактивном распаде атом урана превращается в два атома - атом тория и атом гелия. Это означало, что атомы не являются неизменяемыми и неразрушимыми частицами.

Модели атомной структуры Томсона и Резерфорда

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ возникло еще в древности (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века теория атомов, будучи материалистической, не получила признания. К началу XVIII в. набирает популярность атомистическая теория. К этому времени работы французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М. В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) доказали реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, поскольку атомы считались неделимыми.      

Важную роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 г. Периодическую таблицу элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос об единой природе атомов. Во второй половине XIX в. экспериментально было доказано, что электрон - одна из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX века. серьезно встал вопрос о строении атома. Существование регулярной взаимосвязи между всеми химическими элементами, четко выраженной в периодической системе Менделеева, предполагает, что структура всех атомов основана на общем свойстве: все они находятся в тесной взаимосвязи друг с другом.       

Первое косвенное подтверждение сложной структуры атомов было получено при исследовании катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение свойств этих лучей привело к выводу, что они представляют собой поток крошечных частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своего заряда и преобразованы в электрически нейтральные частицы: электрический заряд является сущностью их природы. Эти частицы, названные электронами, были открыты в 1897 году английским физиком Дж. Томсоном. Он также сделал первую попытку создать модель атома на основе накопленных экспериментальных данных в 1903 году. Согласно этой модели, атом представляет собой сферу, непрерывно заряженную положительным зарядом, с радиусом около 10-10 м, внутри которой находятся электроны. колеблются около своего положения равновесия; общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален.    

Модель атома Томсона не предполагала наличие положительно заряженных частиц внутри атома. Но как же тогда объяснить испускание радиоактивными веществами положительно заряженных альфа-частиц? Модель атома Томсона не ответила на некоторые другие вопросы.  

В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд, изучая движение альфа-частиц в газах и других веществах, открыл положительно заряженную часть атома. Дальнейшие более тщательные исследования показали, что при прохождении пучка параллельных лучей через слои газа или тонкую металлическую пластину выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т. е. Их отклонение от исходных. дорожка. Углы отклонения небольшие, но всегда присутствует небольшое количество частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются, как если бы на пути встретилось непреодолимое препятствие. Это не электроны - их масса намного меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома.      

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого электроны вращаются по разным орбитам. Центробежная сила, возникающая при их вращении, уравновешивается притяжением между ядром и электронами, в результате чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку массой электрона можно пренебречь, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, количество которых относительно невелико, приходится лишь незначительная часть всего пространства, занимаемого атомной системой.  

Предложенная Резерфордом схема строения атома, или, как обычно говорят, ядерная модель атома, легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами электронов, наиболее удаленных от ядра, поэтому большинство альфа-частиц проходят через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица подходит очень близко к ядру, электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома. Но, несмотря на последовательные рассуждения, модель Резерфорда не могла объяснить все свойства атомов. Итак, согласно законам классической физики, атом из положительно заряженного ядра и электроны, вращающиеся по круговым орбитам, должны излучать электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн должно приводить к уменьшению запаса потенциальной энергии в системе ядро-электрон, к постепенному уменьшению радиуса орбиты электрона и падению электрона на ядро. Однако атомы обычно не излучают электромагнитных волн, электроны не падают на ядра атомов, то есть атомы стабильны.  Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута экспериментами Резерфорда, а ядерная модель оказалась электродинамически нестабильной и противоречила экспериментальным данным. Преодоление возникших трудностей потребовало создание качественно новой теории атома.            

Модель строения атома Бора 

Постулаты Бора  

Первая попытка построить качественно новую - квантовую теорию атома была сделана в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. Он поставил себе цель объединить в единое целое эмпирические законы линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовую природу излучения и поглощения света. Бор основал свою теорию на ядерной модели Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Круговое движение даже с постоянной скоростью имеет ускорение. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, который создает переменное электромагнитное поле в пространстве. Для создания этого поля требуется энергия. Энергия поля может быть создана за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен закрутиться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы - очень устойчивые образования. Отсюда следует, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые выкройки. Бор основывал свою теорию на двух постулатах.             

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не меняющиеся во времени) состояния, в которых он не излучает энергию. Стационарные состояния атома соответствуют стационарным орбитам, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр водорода. Но успехи теории атома водорода были достигнуты ценой отказа от основных положений классической механики, которая более 200 лет остается безоговорочно актуальной. Поэтому большое значение имело прямое экспериментальное доказательство справедливости постулатов Бора, особенно первое - о существовании стационарных состояний. Второй постулат можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии и гипотезы о существовании фотонов.  

Немецкие физики Д. Франк и Г. Герц, изучая столкновение электронов с атомами газа методом замедляющего потенциала (1913 г.), экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.

Несмотря на несомненный успех концепции Бора в отношении атома водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра, на основе идей Бора не удалось создать аналогичную теорию для следующего атома водорода гелия.. Теория Бора позволила сделать только качественные (хотя и очень важные) выводы об атоме гелия и более сложных атомах. Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. Фактически, движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам.   

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся структуры и свойств атомов любых элементов.

Преимущества и недостатки теории Бора  

Достоинства теории Бора.

Теория Бора подошла к объяснению внутриатомных процессов с принципиально новых позиций, стала первой полуквантовой теорией атома. Она объяснила дискретность энергетических состояний водородоподобных атомов. Эвристическое значение теории Бора состоит в смелом предположении о существовании стационарных состояний и скачкообразных переходов между ними. Позднее эти положения были распространены на другие микросистемы. Теория объясняет границы периодической таблицы. Последний атом, который может существовать физически, имеет порядковый номер 137, поскольку, начиная со 138-го элемента, 1s-электрон должен двигаться со сверхсветовой скоростью, что противоречит специальной теории относительности.       

Недостатки теории Бора.

Теория Бора логически противоречива: она не является ни классической, ни квантовой. В системе двух уравнений, лежащих в ее основе, одно - это уравнение движения электрона - классическое, другое - уравнение квантования орбит - квантовое. Также она не могла объяснить интенсивность спектральных линий. Эта теория действительна только для водородоподобных атомов и не работает для атомов, следующих за ней в периодической таблице без экспериментальных данных (энергии ионизации или других). Теория Бора не была достаточно последовательной и общей. Поэтому позже ее заменила современная квантовая механика, основанная на более общих и последовательных отправных точках. Теперь известно, что постулаты Бора являются следствием более общих квантовых законов. Но правила квантования сегодня широко используются как приближенные соотношения: их точность часто очень высока.       

Итак, теория Бора - важный шаг в развитии атомной физики. Это важный шаг в создании квантовой механики. Однако эта теория имеет много противоречий (с одной стороны, она применяет законы классической физики, а с другой - основана на квантовых постулатах). Она исследовала спектры атома водорода и водородоподобных систем и рассчитала частоты спектральных линий, однако не смогла объяснить их интенсивности и ответить на вопрос: почему совершаются те или иные переходы? Серьезным недостатком теории Бора была невозможность описания с ее помощью спектра - атома гелия - одного из простейших атомов, непосредственно следующих за атомом водорода.    

Заключение

В ХХ веке некоторые положения теории Н. Бора были дополнены и переосмыслены. Наиболее значительным изменением стало введение концепции электронного облака, которая изменила представление об электроне только как о частице. Позже теория Бора была заменена квантовой теорией Альберта Эйнштейна, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.  

В основе современной теории строения атома - дополненная и усовершенствованная модель планеты. Согласно этой теории, ядро ​​атома состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейронов (не имеющих заряда частиц). А электроны (отрицательно заряженные частицы) движутся вокруг ядра по неопределенным траекториям.   

В ходе исследования процесс эволюции представлений о строении атомов был отражен на примере моделей Эрнеста Резерфорда и Нильса Бора. Представления о строении атомов, высказанные Резерфордом и Бором, полностью изучены, проанализированы и обобщены. С точки зрения современной физики наиболее правильное предположение о строении атома было сделано датским ученым - Нильсом Бором.  

Список литературы

1. Карпенков, С.Х. Концепции современного естествознания: Практикум: учебник / С.Х. Карпенков. - М.: Культура и спорт, 1997. - 237с. 
2. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебник / Т.И. Трофимова - М.: Высшая школа, 1992. - 478с. 
3. Маманко О. О.Естествознание - М.:, 1997. - 252с. 
4. Тромбанко П.Р. Физика: учебник / Тромбанко П.Р. - М.: Высшая школа, 2001. - 528с.