Реферат: Концепция атомизма как концепция корпускулярно-волнового дуализма
Последующие исследования показали, что электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядом величиной –0,1602∙10-18 Кл, с массой, равной 0,9108∙10-30 кг, что составляет 1/1873 массы атома водорода. Электрон имеет очень небольшие размеры и хотя радиус электрона точно не определен до сих пор, однако известно, что он значительно меньше 1∙10-15 м. А в 1925 г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси и имеет магнитный момент. [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978]
Первые эксперименты, на основании которых была фактически доказана реальность существования электронов, были выполнены английским физиком Дж. Томсоном в 1899 году. На основании этого была предложена исторически первая модель атома, которая, с точки зрения Томсона, представляет собой положительно заряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. Научный юмор обозвал эту модель "пудингом с изюмом".
На протяжении 12 лет эта модель представлялась научному миру весьма правдоподобной и на известном уровне приближения неплохо описывала наблюдаемые свойства процессов излучения, за исключением спектров излучения или поглощения света. Если, например, пропустить электрический разряд через какой-либо газ, то атомы этого газа дают свечение. Именно такое излучение (световое) и можно видеть в газоразрядных трубках.
Однако оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь выделенные линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого, как впоследствии выяснила физика, имеется только один электрон, то с помощью модели атома Томсона можно предсказать появление линии излучения, но только одной.
Однако физиком Бальмером экспериментально было обнаружено у водорода наличие целой серии линий излучения различных частот. Более того, множественные серии линий излучения атомов водорода были обнаружены также в инфракрасной и в ультрафиолетовой областях. А известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил Томсоновской модели атома.
Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990].
Альфа-частицы, выбрасываемые веществами активных элементов, как выяснилось позднее, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает порядка 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости альфа-частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути альфа-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность альфа-частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона.
Исследуя пути движения частиц с помощью этой камеры, Резерфорд заметил, что в камере пути их параллельны, а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вовсе не проходили через тонкую пластинку [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990; Харин А.Н., Курс химии - М: Высшая школа, 1983].
Исходя из этих наблюдений, Резерфорд и предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны.
Итак, через 12 лет после открытия Томсоном факта существования "атома" электричества – электрона Э.Резерфордом был поставлен указанный выше опыт, на основании которого им была предложена иная модель атома – "планетарная", по принципу построения Солнечной системы.
Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие Солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой - через нее-то и летят пролетающие частицы.
Таким образом, 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, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов
Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы.
Центростремительные силы, возникающие при их вращении, удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения альфа-частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения.
Только в тех случаях, когда альфа-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние альфа-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 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. (Дифракционная решетка представляет собой оптический прибор, совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в системе методов под именем спектроскопии.)
Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр (примерно 1 млн. / 1 мм). Такую решётку искусственно приготовить в принципе невозможно. В 1912 г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.
Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ: вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр 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 фотобумага; после фотографического 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 сформулировано следующим образом: корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.
Еще до работ Мозли некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает на число зарядов ядра его атома. В то же время Резерфорд, изучая рассеивание альфа-частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, 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 приведенные выше результаты показали, 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 [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990].
Движущийся ускоренно заряд, - а вращающийся по орбите электрон именно таким и является, - испускает энергию и должен очень быстро упасть на ядро, что фактически соответствует "исчезновению" атома, похожего на солнечную систему. Однако атом на самом деле устойчив, и, следовательно, он не совсем соответствует модели по образу Солнечной системы. Возникла проблема соответствия планетарной модели реальной действительности. Стали необходимыми в этой связи новые подходы в исследовании закономерностей структуры атома.
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 синхронно 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 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.
Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильса 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.
Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров.