История развития учения о строении атома

Сложность строения атома стала очевидной уже во второй половине XIX в. при изучении прохождения электрического тока через разреженные газы. Так были открыты катодные лучи и светящиеся пучки, представлявшие собой потоки заряженных частиц. Французский ученый А. Беккерель в 1896 г. открыл явление радиоактивности — самопроизвольное испускание веществом трех видов излучения (потока отрицательно заряженных частиц, потока положительно заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения). Это явилось доказательством сложности строения атомов. Стало ясно, что атомы могут распадаться на положительно и отрицательно заряженные частицы.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон и дал ему название. Его соотечественник Р. Малликен определил заряд электрона, который равен 1,6 • И)^-19 Кл. Была определена масса электрона, которая составляет 9,11 • 10~²⁸ г. В 1904 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом можно представить в виде положительно заряженной сферы с вкрапленными в нее электронами (модель пирога с изюмом).

В 1910 г. в Англии Э. Резерфорд проводит опыты по бомбардировке тончайшей металлической фольги а-частицами. Опыты показали, что небольшая часть а-частиц рассеивается фольгой, натыкаясь на что-то более массивное, или искривляет свою траекторию под действием электрического поля более сильного положительного заряда. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что в центре атома находится небольшое по объему массивное положительно заряженное ядро. Был определен его радиус — 1(Н⁴—10~¹⁵ м. Резерфорд предсказал существование протона, который в 1800 раз тяжелее электрона, и предложил планетарную модель атома: атом состоит из положительного ядра, вокруг которого движутся электроны по орбитам, как планеты вокруг Солнца.

Однако эта модель противоречила принципам классической механики и теории света. Вращаясь по концентрическим орбитам, электрон должен был бы излучать энергию, теряя ее, радиус орбиты должен уменьшиться и, в конце концов, электрон упал бы на ядро, т. е. атом разрушился.

Изучение спектров излучения нагретых газов показало, что атомные спектры линейчатые, т. е. атомы испускают энергию не с любыми, а только с волнами определенной длины.

Эти противоречия были устранены в результате открытия фотоэффекта и изучения атомных спектров.

Рис. 3.1. Атомный спектр водорода.

Спектры излучения свободных или слабо связанных атомов (например, в газах или парах), называются атомными спектрами. На рис. 3.1 приведен атомный спектр водорода. Длины волн, соответствующие атомному спектру водорода, определяются уравнением Бальмера:

где А. — длина волны; R — постоянная Ридберга (109 678 см^-1); п и т — целые числа («= 1 — для серии Лаймана, п = 2 — для серии Бальмера, п = 3 — для серии Пашена; т = 2, 3, 4 — для серии Лаймана, т = 3, 4, 5 — для серии Бальмера, т- 4, 5, 6 — для серии Пашена).

В 1900 г. немецкий физик М. Планк высказал предположение о том, что вещества поглощают и испускают энергию дискретными порциями — квантами. Энергия кванта (Е) пропорциональна частоте излучения (v):

где h — постоянная Планка (6,626 • 10^-34 Дж • с);

где с — скорость света в вакууме; А. — длина волны.

В 1910 г. датский ученый Н. Бор, используя модель Резерфорда и теорию Планка, предложил модель строения атома водорода, согласно которой электроны двигаются вокруг ядра не по любым, а лишь по разрешенным (квантовым) орбитам, на которых электроны обладают определенными энергиями. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом поглощает или испускает энергию в виде квантов. Каждая орбита имеет номер п (1, 2, 3, 4, …), который назвали главным квантовым числом. Бор вычислил радиусы орбит. Радиус первой орбиты равен 5,29 • 10~¹³ м, радиус других орбит равен.

Энергия электрона (эВ, 1 эВ = 1,6 • 10^-19 Дж) зависит от значения главного квантового числа:

Отрицательный знак энергии означает, что чем ниже (чем отрицательнее) энергия системы, тем система более устойчива.

Атом водорода обладает минимальной энергией, когда электрон находится на первой орбите (/7 = 1). Такое состояние называется основным. При переходе электрона на более высокие орбиты атом становится возбужденным. Такое состояние атома неустойчиво.

При переходе электрона с верхней орбиты на нижнюю атом излучает квант света, что экспериментально обнаруживается в виде серий атомного спектра (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема энергетических линий.

Теория Бора описывает строение атома водорода, но не применима для описания многоэлектронных атомов.