Эволюция представлений о строении атома 6
Атом – система, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.
Атом – составная часть молекулы, в переводе с греческого означает «неделимый». Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома, 1906 г. – Нобелевская премия по физике.
В 1911 г. Эрнест Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. В результате также было доказано, что число протонов в ядре атома равно порядковому номеру элемента в системе Менделеева. В результате проделанной работы была предложена ядерная модель атома: в ядре атома размером 10-15 - 10-14 м сосредоточены весь его положительный заряд и 99,9 % массы атома; вокруг ядра движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет 0,1 % массы атома. Это означало, что электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 тыс. до 100 тыс. поперечников ядра, т.е. основную часть атома составляет пустое пространство. Из-за сходства со строением Солнечной системы модель атома Резерфорда была названа планетарной.
|
|
|
Однако планетарная модель не может объяснить устойчивость ядра.
При преодолении противоречия была создана качественно новая теория атома – квантовая, создал которую датский физик Нильс Бор (1885-1962) в 1913 г.; Нобелевская премия 1922 г. В основу своей теории Бор положил следующие постулаты:
1)в атоме электроны могут двигаться только по определенным (разрешенным или стационарным) орбитам, на которых они не излучают электромагнитных волн; электрон на каждой орбите обладает определенной энергией;
2) атом излучает или поглощает квант (порцию) электромагнитной энергии при переходе с одной стационарной орбиты на другую.
По Бору атом и его элементарные частицы обладают двойственной природой, они одновременно имеют свойства материальной точки и свойства волны. Из-за этого корпускулярно-волнового дуализма электрон как бы «размазан» вокруг ядра и его орбита – это место наиболее вероятного нахождения электрона в атоме.
При движении вокруг ядра электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом – принципом В. Паули 1925 г. (швейцарец):
- в любом атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел (квантовые числа – это характеристика электрона в атоме);
|
|
|
- в состояниях с определенным значением энергии в атоме могут находиться не более 2n2 электронов, где n – номер электронной оболочки, начиная от ядра атома (на первой оболочке – 2, на второй – 8, на третьей – 18 и т.д.).
Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов. Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.), называется относительной атомной массой. 1 а.е.м. = = 1,667 10-27кг.
Атомов известно лишь немногим более 100 видов, т.е. столько, сколько химических элементов. А вот молекул – свыше 18 млн. Столь богатое разнообразие определяется двумя обстоятельствами. Во-первых, тем, что почти все виды атомов, взаимодействуя друг с другом, способны объединяться в молекулы. И, во-вторых, тем, что молекулы могут содержать разное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, – двухатомны, воды – трехатомны и т.д. Молекулы наиболее сложных веществ – высших белков и нуклеиновых кислот – построены из такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч (макромолекулы). Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве. Важно и то, что такие последовательности и пространственные расположения при одном и том же составе атомов могут быть различными. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных химических веществ очень велико.
|
|
|
Вопрос.
Во второй половине XIX в. на основе исследований М. Фарадея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина мира. Согласно этой картине материя существует в двух видах — в виде вещества и в виде поля, причем между указанными видами материи имеется непереходимая грань: вещество не превращается в поле, а поле не превращается в вещество.
Количественное изучение электрических явлений началось с работ Кулона (1785 г.), установившего сначала закон взаимодействия электрических зарядов и распространившего его позднее на взаимодействие "магнитных зарядов". Однако вплоть до 1820 г. электрические и магнитные явления рассматривали как различные явления, не связанные между собой.
В 1812 г. по просьбе Фарадея Дэви взял его к себе в лабораторию. С 1816 г. Фарадей занимается самостоятельными научными исследованиями. Узнав об открытии датского физика Х.К. Эрстеда, он сосредоточился на исследовании электрических и магнитных явлений.
|
|
|
В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. В 1819 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Примерно в это же время A.M. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов и пришел к выводу, что все магнитные явления сводятся к взаимодействию токов, магнитных же зарядов не существует.
Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество». Но только в 1831 г. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Это открытие привело к разработке принципов электродвигателя и электрогенератора, играющих важнейшую роль в современной технике.
Фарадей придерживался оригинальных взглядов на природу материи. Он возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Если пустота — проводник, то все тела должны быть проводниками, а если пустота — не проводник, то все тела должны быть изоляторами. Но ни того, ни другого не наблюдается. Фарадей создает новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы — лишь сгустки силовых линий поля. Материя, по Фарадею, занимает все пространство. Материя активна и немыслима без движения. Ее основными характеристиками являются силы притяжения и отталкивания. Под силой Фарадей подразумевает характеристику активности тела или материи вообще, т.е. его понятие силы скорее ближе к понятию движения, чем собственно силы. Атомы, по Фарадею, являются лишь центрами этих сил притяжения и отталкивания. Они проницаемы и простираются на бесконечно большое пространство. Таким образом, в концепции Фарадея среда между зарядами выступает не просто передатчиком взаимодействия одного заряда с другим, а является носителем сил; заряды же он низводит до ранга вторичных образований, продуктов такого реального силового поля.
В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напомнить некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории, и вытекающие из нее выводы.
Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции, вследствие чего появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т. е. силы не электростатического происхождения. Поэтому закономерно возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь «прибором», обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.
Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле – в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.
Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться или движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного – только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.
Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимно связаны и образуют единое электромагнитное поле.
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!