Строение атомов и их ядер

Введение
Первые модели строения атома
Строение атома
Электронное строение атома
Строение атомного ядра
Заключение
Список литературы
Приложение №1
Приложение №2

Строение атомов и их ядер

Электронное строение атома
Реальные электронные оболочки атомов, конечно, более сложны и мы пока знаем о них далеко не все. Однако современная электронная модель позволяет предсказывать химические и физические свойства атомов, поэтому широко используется в естественных науках.
Начнем с описания устройства одной из первых моделей - орбитальной модели Бора (рис. 1). ( Основы химии/ А.В. Мануйлов, И.В. Родионов. - М., 2001)
Схематичное изображение строения электронной оболочки атома в модели Бора.
В 1913 году датский физик Н. Бор предложил модель атома, в которой электроны-частицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенныерасстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это так, Н. Бор в то время объяснить не мог. Но он выяснил, что такая модель позволяет объяснить многие экспериментальные факты (
Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей к ядру. В дальнейшем мы будем называть такие орбиты уровнями. Уровни, в свою очередь, могут состоять из близких по энергии подуровней. Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней (3s, 3p и 3d). Четвертый уровень состоит из подуровней 4s, 4p,4d, 4f. В параграфе 2.7 мы расскажем, откуда взялись именно такие названия подуровней и о физических опытах, которые позволили "увидеть" электронные уровни и подуровни в атомах.
В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем если бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.
Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей Орбитали тоже удалось обнаружить экспериментально. Каждая орбиталь - это как бы «квартира» для электронов в «доме»-подуровне. Например, любой s-подуровень - это «дом» из одной «квартиры» (s-орбиталь), p-подуровни – «трехквартирные дома» (в каждом из них по три p-орбитали), d-подуровени – «дома» из 5 «квартир»-орбиталей, а f-подуровень – «дом» из 7 одинаковых по энергии орбиталей. В каждой «квартире»-орбитали могут «жить» не больше двух электронов. Запрещение электронам «селиться» более чем по-двое на одной орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. «Адрес» каждого электрона в атоме записывается набором квантовых чисел. Здесь мы упомянем лишь о главном квантовом числе n , которое в «адресе» электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон существует.
В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.
Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие «области вероятности» нахождения в электронном облаке s-, p- и d-электронов показаны на рис. 2
Рис. 2 Примерно такую форму в волновой модели атома имеют «области вероятности» существования электронов: s-, p-, и d-орбитали. Ядро атома находится в точке пересечения координат.
Итак, в волновой модели тоже существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали (рис. 2-7) и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами. Области вероятности нахождения разных электронов могут пересекаться. К этому свойству волновой модели следует отнестись спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.
Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.
Таблица 2 Наибольшее возможное число электронов на первых 4-х электронных уровнях.
Электронный уровень
(n)
Сколько может разместиться электронов на данном уровне (2n2)
1
2
2
8
3
18
4
32
Эти сведения нам нужны для того, чтобы научиться “расселять” электроны по уровням в атоме любого элемента. А химические свойства элемента, как мы увидим чуть позже, определяются электронами самого последнего (наиболее удаленного от ядра) заселенного уровня.
Строение атомного ядра
Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10–15–10–14 м.(http://atomas.ru/education/Shizika/1.2.htm)
Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме.
Нейтроны обозначают так: n0, а протоны так: p+ . По массе нейтроны и протоны почти одинаковы - 1,675 · 10−24 г и 1,673 · 10−24 г.
(http://atomas.ru/education/Shizika/1.2.htm)
Правда, считать массу таких маленьких частиц в граммах очень неудобно, поэтому ее выражают в углеродных единицах, каждая из которых равна 1,673 · 10−24 г.(там же) Для каждой частицы получают относительную атомную массу, равную частному от деления массы атома (в граммах) на массу углеродной единицы. Относительные атомные массы протона и нейтрона равны 1, а вот заряд у протонов положительный и равен +1, в то время как у нейтронов заряда нет.
Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.
Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10–14 м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.
На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект, рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.
Пpотоны и нейтpоны, составляющие ядpа атомов, имеют общее название нуклонов. То, что их объединяет, - это способность пpевpащения дpуг в дpуга (конечно, с поpождением новых частиц, поскольку нейтpоны электpически нейтpальны, а пpотоны - заpяженные частицы).
Атомные ядра могут быть стабильными, т.е. живущими неограниченно долго, и нестабильными, испытывающие спонтанные (радиоактивные) превращения.
Основными характеристиками стабильного атомного ядра являются число нуклонов в ядре, электрический заряд ядра, масса ядра, энергия связи ядра, размер ядра, спин ядра, магнитный и электрический моменты ядра, четность волновой функции, изотопический спин, статистика.
Нестабильные ядра имеют ряд дополнительных характеристик, таких как тип радиоактивного превращения, среднее время жизни, энергия, выделяемая при распаде.
Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях и как любая квантовая система имеют свою, присущую только ядру данного нуклида, систему энергетических уровней. Состояние с наименьшей энергией называется основным, остальные – возбужденными. Ядра в возбужденных состояниях неустойчивы и, в отличие от основных состояний, могут находиться в возбужденных состояниях ограниченное время, испытывая спонтанные переходы в состояния с меньшей энергией.
Заключение
Как вы уже могли заметить, атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Пpотоны и нейтpоны, составляющие ядpа атомов, имеют общее название нуклонов. В настоящее время твердо установлено и не вызывает сомнений, что в составе атома имеется ядро (Резерфорд, 1911 г.). Атомные ядра обладают целым рядом свойств, которые позволяют отличать ядра отдельных химических элементов друг от друга, и в то же время являются общими характеристиками для всех ядер.
Представления о строении атома радикально изменились в 20 в. под влиянием новых теоретических идей и экспериментальных данных. Дело в том, что знание внутреннего устройства атома позволяет объяснять и даже предсказывать многочисленные свойства окружающих нас веществ.
Список литературы
1. Основы химии/ А.В. Мануйлов, И.В. Родионов. - М., 2001
2. Структура ядра/. Л. Айзенбуд , Е. Вигнер .- М., 1959
3. Физика ядра/М.Престон. - М., 1964
4. Химия» N 1, 1993.электр. версия http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov1/04.html
5. http://atomas.ru/education/Shizika/1.2.htm
6. www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Sketch_8.html
7. http://www.alhimik.ru/teleclass/glava2/gl-2-1.shtml
8. www.wikipedia.ru
9. www.krugosvet.ru
Приложение №1
Таблица 3.Важнейшие характеристики электрона, протона и нейтрона
(Загорский В.В. Строение атома и Периодический закон / «Химия» N 1, 1993.электр. версия http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov1/04.html)
Характеристика
Электрон
Протон
Нейтрон
Год открытия
1897
1919