Лекция 1. Строение вещества. Атом. Модели атома. Периодическая система Д.И. Менделеева
Еще античные философы утверждали, что все тела состоят из маленьких частиц. С появлением микроскопов существование этих частиц было доказано научно, назвали их молекулы. Молекулы имеют свой размер и свой вес. Размеры молекул лежат в пределах от 10-10 м до 10-7 м. Число молекул из-за их небольшого размера в каждом теле огромно.
Между молекулами действуют силы притяжения (их отсутствие привело бы к тому, что все тела были бы в газообразном состоянии) и отталкивания (без них все тела слиплись бы в один большой комок).
На основе представлений о строении вещества была сформулирована молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Она возникла в XIX веке и рассматривает строение вещества (в основном газов) с точки зрения трёх основных положений:
- все тела состоят из частиц;
- частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);
- частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.
МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали: диффузия, броуновское движение, изменение агрегатных состояний вещества.
Молекулы состоят из более мелких частиц, которые называются атомами. Учение о том, что все тела состоят атомов, возникло в Древней Греции в IV в. до н.э. Основоположником атомистической теории был философ Демокрит. Также идею атомарной теории поддержали древнегреческие ученые философы Левклипп и Эпикур (V-III в. до н.э.).
Молекулы достаточно маленькие частицы, а размеры атомов еще меньше. Диаметр атомов составляет примерно 10-10 м. Такие маленькие размеры представить очень сложно, поэтому прибегнем к методу сравнения. Сравним размер атома с объектом, который можно увидеть без микроскопа. Диаметр атома 10-10 м, а обычной «пальчиковой» батареи типа ААА 1 см, другими словами один миллиард атомов может выстроиться по диаметру батареи.
Понятие «атом», как было сказано ранее, пришло к нам из античных времён. В переводе с греческого «атом» означает «неделимый», так как его считали мельчайшей частицей вещества. В дальнейшем, многочисленные эксперименты показали, что атом имеет сложное строение, к ним можно отнести следующие открытия:
- рентгеновских лучей К. Рентгеном в 1895 году;
- катодных лучей Дж. Томсоном в 1897 году;
- радиоактивности А. Беккерелем в 1907 году.
Изучение феномена катодных лучей привело к открытию электрона. В 1896 году Хендрик Лоренц создал электронную теорию о том, что электроны являются частью атома. Эту гипотезу в 1897 году подтвердили эксперименты Джозефа Джона Томсона. 30 апреля 1897 года Томсон представил свой доклад на заседании Лондонского королевского общества, где сформулирован вывод о том, что существуют частицы с наименьшим отрицательным зарядом, которые он назвал «корпускулы». Вскоре их стали называть «электронами». Этот день можно считать днем рождения электрона, и там же отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов. Открытие электрона заложило основу современной модели атома.
Томсон продолжил работу в этой области и в 1904 г. предложил свою модель атома. Атом он представил как сферическую каплю, весь объем которой занимает равномерно распределенный положительный заряд. Внутри сферы находятся отрицательно зараженные электроны. В целом атом имеет нейтральный заряд. Эта модель получила образное название «пудинг с изюмом», сфера атома это – «пудинг», а роль «изюма» играют электроны, которые вкраплены него.
Модель атома Дж. Томсона не была подтверждена экспериментальными фактами и осталась гипотезой. Ответы на вопросы верна ли модель атома Томсона и как на самом деле распределен положительный и отрицательный заряд в атоме можно было получить только после проведения эксперимента, который позволил бы рассмотреть атом внутри. Такой эксперимент провел ученик Томсона, английский физик Э. Резерфорд в 1907 году.
В своем эксперименте Резерфорд облучал тонкую золотую фольгу α-частицами (ядра атома гелия). Сам прибор был помещен в сосуд, в котором был откачан воздух. Источником α-частиц был радиоактивный препарат, помещенный внутрь свинцового цилиндра, с небольшим отверстием. Пучок α-частиц попадал на тонкую фольгу, после рассеяния они попадали на экран, который фиксировал α-частицы (появлялась вспышка света).
Если попытаться описать результат этого эксперимента с помощью модели атома Томсона, то все α-частицы должны пройти сквозь атом, не отклоняясь и попасть на экран, так как масса α-частицы приблизительно в 8000 раз больше массы электрона, и встреча с электроном не повлияет на ее дальнейшую траекторию. Количество α-частиц на выходе должно быть равно количеству вспышек на экране.
На практике же все получилось иначе. Экран фиксировал отклонение траектории α-частиц от их первоначального направления под разными углами. Наглядное видео опытов Э. Резерфорда можно посмотреть здесь.
Опытные данные о количестве частиц, отклоненных от первоначальной траектории в зависимости от угла, приведены в таблице:
Угол отклонения α-частиц φ° | 15° | 60° | 105° | 150° | 180° |
|---|---|---|---|---|---|
Число частиц N | 132000 | 477 | 70 | 33 | 1-3 |
Таблица 1. количество частиц, отклоненных от первоначальной траектории при разных углах отклонения α-частиц.
Из таблицы видно, что большая часть частиц проходит сквозь фольгу, не отклоняясь, значительно меньшая часть отклоняется от первоначальной траектории на небольшие углы и совсем малая часть отклоняется на углы от 100° до 180°. Исходя из опытов Резерфорд предположил, что отклонение α-частиц от первоначального направления происходит вследствие того, что на их пути встречается большая положительно заряженная частица, по массе приблизительно равная массе α-частиц, столкновение с которой и приводит к отклонению траектории α-частиц на угол от 100° до 180°.
Исходя из результатов проделанного опыта, Резерфорд предложил свою модель атома [2], согласно которой в целом атом нейтрален, в центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг него по замкнутым круговым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Поэтому данная модель получила название «планетарная» (рис.2).
Планетарная модель атома легко объясняет результаты опыта Резерфорда. α-частицы, которые прошли пространство между ядром и электронами прошли через фольгу не отклоняясь. Ядра атома гелия, которые столкнулись с электронами, отклонились на малые углы, а те, которые столкнулись с ядром, отклонились на углы от 100° до 180°.
Планетарная модель атома достоверно описывала строение атома, но не объясняла процесс поглощения и испускания энергии атомом. Нильс Бор в 1913 году предложил квантовую модель строения атома, которая объясняла эти процессы. Саму модель он сформулировал в виде постулатов.
В 1932 году российский физик Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг независимо друг от друга разработали протонно-нейтронную теория ядра, согласно которой положительно заряженное ядро атома состоит из положительно заряженных протонов (p) и нейтрально заряженных нейтронов (n).
Таким образом, мы получили достоверное представление о строении атома, согласно которого: атом — это электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов. Частицы, которые образуют ядро (протоны и нейтроны), называют нуклонами.
Атомы всех известных нам элементов представлены в Периодической таблице Д. Менделеева. Он собирал и классифицировал данные по всем открытым на тот момент элементам, проверял и уточнял ее в ходе экспериментов. Всю информацию об элементах Менделеев собирал на карточках, и, раскладывая и перемещая их, пытался выстроить в логическую цепочку. Первую версию своей таблицы он представил в 1869 году, в журнале русского химического общества. Процесс этот был длительный и трудоемкий, привел он Дмитрия Ивановича Менделеева к выводу о том, что «свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса и величины заряда ядер» [1]. Так был открыт периодический закон. В дальнейшем ученый многократно дорабатывал и улучшал схему, пока она не приобрела привычный вид. Благодаря открытому периодическому закону, Менделеев предсказал открытие новых элементов, описав в точности их свойства.
Современная Периодическая таблица Менделеева содержит 118 химических элементов. Каждый из них занимает своё место (порядковый номер) в зависимости от атомного числа и обозначается одной или двумя латинскими буквами. Оно показывает, сколько протонов содержит ядро атома элемента и сколько электронов в атоме находятся вокруг него. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, это объясняет его нейтральный заряд. Атом каждого последующего элемента содержит на один протон больше, чем предыдущий. Массовое (нуклонное) число это сумма числа протонов и нейтронов.
A=Z+N
A – массовое число;
Z – число протонов в ядре;
N – число нейтронов в ядре.
В виде формулы любой элемент выглядит следующим образом:
Воспользовавшись интерактивной таблицей Д. Менделеева, можно изучить каждый атом. Порядковый номер элемента (число протонов в его ядре) обычно пишется в левом верхнем углу. В каждой ячейке элемента указана его относительная атомная масса, она же и является суммой масс протонов и нейтронов. Это усреднённая величина, для ее расчёта используются атомные массы всех изотопов элемента с учётом их содержания в природе. Поэтому обычно она является дробным числом.
Строки таблицы называются периодами, их семь. У всех элементов одного периода одинаковое количество заполненных электронами энергетических уровней. Свойства элементов меняются в пределах периода (слева направо): металлические свойства ослабевают (неметаллические усиливаются), уменьшается атомный радиус, возрастает электроотрицательность.
Столбцы таблицы называются группами. В группы в периодической таблице объединены элементы с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Каждая группа делится на главную (A) и побочную (B) подгруппы, которые объединяют элементы со сходными химическими свойствами. Химические свойства элементов меняются в пределах групп (сверху вниз): металлические свойства усиливаются (неметаллические ослабевают), увеличивается атомный радиус, усиливаются основные свойства гидроксидов и кислотные свойства водородных соединений неметаллов.
Список использованных источников:
1. Саенко О.Е. Естествознание: учебное пособие/ О.Е. Саенко, Т.П. Трушина, О.В. Арутюнян. – 6-е изд., стер. – Москва: КНОРУС, 2017. – 364 с. – (Среднее профессиональное образование). .– ISBN 978-5-406-05720-9.
2. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 23-е изд. М.: Просвещение, 2014. – 399 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 9798-5-09-032373-4.