Будова атома. Квантово-механічна модель атома

У поданій нижче статті розповідається про атом і його будову: як його відкривали, як розвивали теорію в своїх умах і при проведенні експериментів мислителі і вчені. Квантово-механічна модель атома як найсучасніша на сьогоднішній день найбільш повно описує його поведінку і частки, що входять до складу. Про неї і її особливості читайте нижче.

поняття атома

Відео: Хімія. 8 клас, 2014. Будова атома: Моделі будови атома. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд»

Хімічно неподільної мінімальної частиною хімічного елемента з набором характерних для нього властивостей є атом. У нього входять електрони і ядро, яке, в свою чергу, містить позитивно заряджені протони і незаряджені нейтрони. Якщо в ньому міститься однакове число протонів і електронів, то сам атом буде електрично нейтральним. В іншому випадку у нього з`являється заряд: позитивний або негативний. Тоді атом називається іоном. Таким чином здійснюється їх класифікація: хімічний елемент визначається кількістю протонів, а його ізотоп - нейтронами. Зв`язуючись один з одним на основі міжатомних зв`язків, атоми утворюють молекули.

Трохи історії

Вперше про атомах заговорили давньоіндійські і давньогрецькі філософи. А в період сімнадцятого і вісімнадцятого століть хіміки підтвердили ідею, експериментально довівши, що деякі речовини не можна розщеплювати на складові їх елементи за допомогою хімічних дослідів. Однак з кінця дев`ятнадцятого до початку двадцятого століть фізики відкрили субатомні частинки, завдяки чому стало зрозуміло, що атом не є неподільним. У 1860 році хіміки сформулювали поняття атома і молекули, де атом став найменшою часткою елемента, який входив до складу як простих, так і складних речовин.

Моделі будови атома

1. Шматочки матерії. Демокріт вважав, що властивості речовин можуть бути визначені масою, формою та іншими параметрами, які характеризують атоми. Наприклад, вогонь має гострі атоми, з-за чого має здатність обжігать- тверді тіла містять шорсткі частинки, завдяки чому зчіплюються один з одним дуже міцно-у воді вони гладкі, тому вона має можливість текти. За Демокріту, навіть людська душа складається з атомів.
2. Моделі Томсона. Вчений розглядав атом як позитивно заряджене тіло, всередині якого знаходяться електрони. Ці моделі спростував Резерфорд, провівши свій знаменитий досвід.
3. Ранні планетарні моделі Нагаока. На початку двадцятого століття Хантаро Нагаока запропонував моделі ядра атома, подібні планеті Сатурн. У них навколо маленького ядра, зарядженого позитивно, оберталися об`єднані в кільця електрони. Ці версії так само, як і попередні, виявилися помилковими.
4. Планетарні моделі Бора-Резерфорда. Після проведення декількох експериментів Ернест Резерфорд припустив, що атом подібний до планетної системи. У ньому електрони пересуваються по орбітах навколо ядра, яке заряджена позитивно і знаходиться в центрі. Але класична електродинаміка суперечила цьому, так як, по ній, електрон, рухаючись, випромінює електромагнітні хвилі, а тому втрачає енергію. Бор ввів спеціальні постулати, за якими електрони що випромінювали енергію, перебуваючи при цьому в деяких специфічних станах. Виходило, що класична механіка виявилася нездатною описати ці моделі будови атома. Це в подальшому призвело до появи квантової механіки, що дозволяє пояснити як дане явище, так і багато інших.

Квантово-механічна модель атома

Відео: Електронна оболонка атома. Квантові числа. електронні орбіталі

Ця модель є розвитком попередньої. Квантово-механічна модель атома передбачає, що в ядрі атома знаходяться не мають заряд нейтрони і позитивно заряджені протони. Навколо нього розташовані негативно заряджені електрони. Але по квантовій механіці, електрони що рухаються за заздалегідь заданими певним траекторіям.Так, в 1927 році В. Гейзенберг озвучив принцип невизначеності, за яким видається неможливим точне визначення координати частинки і її швидкості або імпульсу.

Відео: Природа лінійчатих спектрів атома водню (по Бору)

Хімічні властивості електронів визначено їх оболонкою. У таблиці Менделєєва атоми розташовані згідно електричним зарядів ядер (Мова йде про кількість протонів), нейтрони при цьому не впливають на хімічні властивості. Квантово-механічна модель атома довела, що основна його маса припадає на ядро, а частка електронів при цьому залишається незначною. Вона вимірюється в атомних одиницях маси, яка дорівнює 1/12 маси атома ізотопу вуглецю С12.

Хвильова функція і орбіталь

Згідно з принципом В. Гейзентберга, не можна говорити зі стовідсотковою впевненістю про те, що електрон, який має певну швидкість, знаходиться в будь-якої конкретної точці простору. Для того щоб описати властивості електронів, використовують хвильову функцію пси.

Ймовірність виявлення частки в конкретний час прямо пропорційна квадрату її модуля, який обчислено для певного часу. Псі в квадраті називають щільністю ймовірності, яка характеризує електрони навколо ядра у вигляді електронної хмари. Чим вона буде більше, тим ймовірність електрона в певному просторі атома буде вище.

Для кращого розуміння можна уявити накладені фотографії одна на іншу, де зафіксовані положення електрона в різні моменти часу. У тому місці, де точок буде більше і хмара стане самим щільним, і найбільш висока ймовірність знаходження електрона.

Розраховано, наприклад, що квантово-механічна модель атома водню включає в себе найбільшу щільність електронної хмари, що знаходиться на відстані 0,053 нанометра від ядра.

Орбіта з класичної механіки замінена в квантової електронним хмарою. Хвильова функція електрона пси тут називається орбиталью, яка характеризується формою і енергією електронного хмари в просторі. Стосовно до атому мається на увазі простір навколо ядра, в якому перебування електрона є найбільш імовірним.

Неможливе можливо?

Як і вся теорія, квантово-механічна модель будови атома зробила воістину революцію в науковому світі і серед обивателів. Адже і до цього дня важко уявити, що одна і та ж частка в один і той же момент часу може знаходитися одночасно не в одній, а в різних місцях! Для захисту усталених укладів кажуть, що в мікросвіті відбуваються події, які немислимі і не є такими в макросвіті. Але чи так це насправді? Або люди просто бояться навіть припустити можливість того, що «крапля подібна океану і океан - краплі»?