Модель атома по Бору и Резерфорду
Химия
АТОМ
АТОМ, мельчайшая частица вещества, которая может вступать в химические реакции. У каждого вещества имеется характерный только для него набор атомов. В свое время считалось, что атом неделим, однако, он состоит из положительно заряженного ЯДРА, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Ядро (наличие которого установил в 1911 г. Эрнст РЕЗЕРФОРД) состоит из плотно упакованных протонов и нейтронов. Оно занимает внутри атома лишь малую часть пространства, однако, на него приходится почти вся масса атома. В 1913 г. Нильс БОР предположил, что электроны движутся по фиксированным орбитам. С тех пор исследования по КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ привели к новому пониманию орбит: согласно ПРИНЦИПУ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Гейзенберга точную позицию и МОМЕНТ движения субатомной частицы одновременно узнать невозможно. Число электронов в атоме и их расположение определяют химические свойства элемента. При добавлении или отнятии одного или более электрона возникает ион.
Общая характеристика строения атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами _ядра атома (линейные размеры атома ~ 10~8см, его ядра ~ 10" -10" 13 см). Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значит.степени условны и зависят от способов их определения (см. Атомные радиусы). Ядро атома состоит из Z протонов и N нейтронов, удерживаемых ядерными силами (см. Ядро атомное). Положит.заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абс. величине и равны е= 1,60*10-19 Кл; нейтрон не обладает элек-трич. зарядом. Заряд ядра +Ze - осн. характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному хим. элементу. Порядковый номер элемента в периодич. системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.
|
|
|
В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соотв. в положит. или отрицат. ион, напр. Li+, Li2+ или О-, О2-. Говоря об атомах определенного элемента, подразумевают как нейтральные атомы, так и ионы этого элемента.
Масса атома определяется массой его ядра; масса электрона (1041-10.jpg9,109*10-28 г) примерно в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона (1041-11.jpg 1,67*10-24 г), поэтому вклад электронов в массу атома незначителен. Общее число протонов и нейтронов А = Z + N наз. массовым числом. Массовое число и заряд ядра указываются соотв. верхним и нижним индексами слева от символа элемента, напр. 2311Na. Вид атомов одного элемента с определенным значением N наз. нуклидом. Атомы одного и того же элемента с одинаковыми Z и разными N наз. изотопами этого элемента. Различие масс изотопов мало сказывается наих хим. и физ. св-вах. Наиболее значит, отличия (изотопные эффекты)наблюдаются у изотопов водорода вследствие большой относит. разницы в массах обычного атома1041-12.jpg (протия), дейтерия D1041-13.jpg и трития Т1041-14.jpg. Точные значения масс атомов определяют методами масс-спектрометрии.
|
|
|
Атомная масса
Одним из фундаментальных свойств атома является его масса. Абсолютная масса атома — величина, чрезвычайно малая. Так, атом водорода имеет массу около 1,67·10−24 г[2]. Поэтому в химии (для практических целей) преимущественно и значительно удобнее пользоваться относительной [условной] величиной, которую называют относительной атомной массой или просто атомной массой и которая показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше массы атома другого элемента, принятой за единицу измерения массы.
А́томнаяма́сса, относительная атомная масса (устаревшее название — атомный вес) — значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12C, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна точно 12. Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.
|
|
|
Зависимость атомной массы изотопа от массового числа такова: избыток массы положителен у водорода-1, с ростом массового числа он уменьшается и становится отрицательным, пока не достигается минимум у железа-56, потом начинает расти и возрастает до положительных значений у тяжёлых нуклидов. Это соответствует тому, что деление ядер, более тяжёлых, чем железо, высвобождает энергию, тогда как деление лёгких ядер требует энергии.
Атомная масса химического элемента (также «средняя атомная масса», «стандартная атомная масса») является средневзвешенной атомной массой всех стабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице Д. И. Менделеева, её используют в стехиометрических расчётах. Атомная масса элемента с нарушенным изотопным соотношением (например, обогащённого каким-либо изотопом) отличается от стандартной. Для моноизотопных элементов (таких как иод, золото и т. п.) атомная масса элемента совпадает с атомной массой его единственного представленного в природной смеси изотопа.
|
|
|
Молекулярной массой химического соединения называется сумма атомных масс элементов, составляющих её, умноженных на стехиометрические коэффициенты элементов по химической формуле соединения. Строго говоря, масса молекулы меньше массы составляющих её атомов на величину, равную энергии связи молекулы. Однако этот дефект массы на 9-10 порядков меньше массы молекулы, и им можно пренебречь.
Определение моля (и числа Авогадро) выбирается таким образом, чтобы масса одного моля вещества (молярная масса), выраженная в граммах, была численно равна атомной (или молекулярной) массе этого вещества. Например, атомная масса железа равна 55,847. Следовательно один моль железа (т. е. количество атомов железа, равное числу Авогадро, 6,022·1023) имеет массу 55,847 г.
Прямое сравнение и измерение масс атомов и молекул выполняется с помощью масс-спектрометрических методов.
Нуклид
НУКЛИД, совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра Z (числом протонов в ядрах) и массового числа А (суммой чисел протонов Z и нейтронов N в ядрах). Для обозначения нуклида используют назв. элемента, к к-рому через дефис присоединяют значение А (напр., кислород-16, иод-131, уран-235), или символ хим. элемента, рядом с к-рым вверху слева указывают А (16О, 131I, 235U). Масса атома нуклида, выраженная в атомных единицах массы (а. е. м.), округленно равна А (только у одного нуклида 12С значение массы атома в а. е. м. целочисленно и в точности равно 12). Точные значения масс атомов отдельных нуклидов определяют экспериментально методом масс-спектрометрии. В принципе масса атома каждого нуклида равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядер, минус масса, отвечающая энергии связи протонов и нейтронов в ядре (т. наз. д е ф е к т м а с с ы), плюс масса электронов, образующих электронную оболочку атома, минус масса, отвечающая энергии связи электронов с ядром. Для нуклидов легких элементов массы атомов обычно несколько меньше массовых чисел (напр., масса 16О 15,99491464 а. е. м.), для нуклидов тяжелых элементов массы атомов м. б. несколько больше массовых чисел (напр., масса 232Th 232,038053805 а.е.м.).
Нуклиды подразделяют на стабильные и радиоактивные (радионуклиды). У каждого элемента с четным Z (до Z = 82) существует 2 или более стабильных нуклидов, встречающихся в природе, у элементов с нечетными Z м. б. 1 или самое большее 2 стабильных нуклида; у "нечетных" элементов Тс (Z = 43), Pm (Z = 61) и у всех "нечетных" элементов с Z >= 85 стабильных нуклидов нет, все нуклиды радиоактивны. Всего стабильных нуклидов ок. 270; из всех радионуклидов ок. 50 встречаются в природе, остальные радионуклиды (ок. 1700) получены искусственно. В настоящее время радионуклиды известны практически у всех элементов. Мн. стабильные и радиоактивные нуклиды используются как изотопные индикаторы (меченые атомы). В СССР промышленно производится ок. 140 радионуклидов и большое число препаратов, обогащенных определенными стабильными нуклидами.
Нуклиды одного элемента наз. изотопами; нуклиды разл. элементов с одинаковыми значениями А -и з о б а р а м и. Возможно существование двух и даже трех стабильных изобаров (напр., 96Zr, 96Mo и 96Ru). Из-за различий в энергиях связи протонов и нейтронов в ядрах точные значения масс отдельных изобаров различаются между собой. Нуклиды разл. элементов с одинаковым значением N наз. и з о т о н а м и (напр., 95Мо, 96Тс, 97Ru).
Для ядер стабильных нуклидов с Z приблизительно до 20-25 число протонов примерно равно числу нейтронов, по мере дальнейшего увеличения Z для стабильных нуклидов отношение числа нейтронов в ядре к числу протонов постепенно увеличивается до 1,5. Ядра нуклидов, содержащие большее число нейтронов, чем это соответствует стабильным ядрам данного элемента, при радиоактивном распаде обычно испускают b--частицы, причем Z увеличивается на 1; ядра нуклидов, обедненные нейтронами, м. б. как b+-радиоактивными, так и претерпевать электронный захват, при этом Z уменьшается на 1 (см. Радиоактивность).
Модель атома по Бору и Резерфорду
Эту модель часто называют «планетарной» — в ней, подобно тому как планеты вращается вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра. Но такой атом не может быть устойчивым: под действием кулоновского притяжения ядра каждый электрон движется с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам классической электродинамики, должен излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Количественный расчет показывает, что такая «радиационная неустойчивость» атома катастрофична: примерно за стомиллионную долю секунды все электроны должны были бы потерять энергию и упасть на ядро. Но в действительности ничего такого не происходит, и многие атомы вполне стабильны. Возникла проблема, которая могла показаться неразрешимой. И она действительно не могла быть разрешена без привлечения радикальных новых идей. Именно такие идеи и были выдвинуты Бором.
Он постулировал, что (вопреки законам механики и электродинамики) в атомах существуют такие орбиты, двигаясь по которым электроны не излучают. По Бору, орбита является стабильной, если момент количества движения находящегося на ней электрона кратен h / 2p , где h— постоянная Планка . Излучение же происходит только при переходе электрона с одной устойчивой орбиты на другую, и вся освобождающаяся при этом энергия уносится одним квантом излучения. Энергия такого кванта, равная произведению частоты n на h, в соответствии с законом сохранения энергии, равна разности начальной и конечной энергии электрона («Правило частот»). Таким образом, Бор предложил соединить модельные представления Резерфорда с идеей квантов, впервые высказанной Планком в 1900. Такое соединение в корне противоречило всем положениям и традициям классической теории. Но, в то же время, эта классическая теория не отвергалась полностью: электрон рассматривался как материальная точка, движущаяся по законам классической механики, но только из всех орбит «разрешенными» объявлялись лишь те, которые отвечают «условиям квантования».
Энергии электрона на таких орбитах получаются обратно пропорциональными квадратам целых чисел — номеров орбит. Привлекая «правило частот», Бор пришел к выводу, что частоты излучения должны быть пропорциональны разности обратных квадратов целых чисел. Эта закономерность действительно была уже установлена спектроскопистами, но не находила дотоле своего объяснения.
Бор объяснил не только спектр простейшего из атомов — водорода, но и гелия, в том числе, и ионизованного, показал, как учесть влияние содвижения ядра, предугадал структуру заполнения электронных оболочек, что позволило понять физически природу периодичности химических свойств элементов — периодическую таблицу Менделеева. За эти работы Бор в 1922 был удостоен Нобелевской премии.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 601; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!