O artigo abaixo fala sobre o átomo e sua estrutura: como foi descoberto, como pensadores e cientistas desenvolveram a teoria em suas mentes e durante experimentos. O modelo da mecânica quântica do átomo, como o mais moderno até hoje, descreve mais completamente seu comportamento e as partículas que o compõem. Leia sobre ele e suas características abaixo.

O conceito de átomo

Uma parte mínima quimicamente indivisível com um conjunto de propriedades características é um átomo. Inclui elétrons e um núcleo, que, por sua vez, contém prótons carregados positivamente e nêutrons não carregados. Se contiver o mesmo número de prótons e elétrons, o próprio átomo será eletricamente neutro. Caso contrário, ele tem uma carga: positiva ou negativa. Então o átomo é chamado de íon. Assim, sua classificação é realizada: um elemento químico é determinado pelo número de prótons e seu isótopo - por nêutrons. Ao se ligarem uns aos outros com base em ligações interatômicas, os átomos formam moléculas.

Um pouco de história

Pela primeira vez, antigos filósofos indianos e gregos antigos falaram sobre átomos. E durante o período dos séculos XVII e XVIII, os químicos confirmaram a ideia provando experimentalmente que algumas substâncias não podem ser divididas em seus elementos constituintes por meio de um método. ficou claro que o átomo não é indivisível. Em 1860, os químicos formularam os conceitos de átomo e molécula, onde o átomo se tornava a menor partícula de um elemento que fazia parte de substâncias simples e complexas.

Modelos da estrutura do átomo

1. Pedaços de matéria. Demócrito acreditava que as propriedades das substâncias podem ser determinadas pela massa, forma e outros parâmetros que caracterizam os átomos. Por exemplo, o fogo tem átomos afiados, razão pela qual tem a capacidade de queimar; os sólidos contêm partículas ásperas, devido às quais aderem umas às outras com muita força; na água são suaves, por isso tem a capacidade de fluir. De acordo com Demócrito, até a alma humana é feita de átomos.
2. Modelos Thomson. O cientista considerou o átomo como um corpo carregado positivamente, dentro do qual existem elétrons. Esses modelos foram refutados por Rutherford em seu famoso experimento.
3. Modelos planetários iniciais de Nagaoka. No início do século XX, Hantaro Nagaoka propôs modelos do núcleo do átomo, semelhantes ao planeta Saturno. Neles, os elétrons unidos em anéis giravam em torno de um pequeno núcleo, carregado positivamente. Essas versões, como as anteriores, acabaram sendo errôneas.
4. Planetário Após vários experimentos, ele sugeriu que o átomo é semelhante ao sistema planetário. Nele, os elétrons se movem em órbitas ao redor do núcleo, que é carregado positivamente e localizado no centro. Mas a eletrodinâmica clássica contradiz isso, pois, segundo ela, um elétron, movendo-se, irradia ondas eletromagnéticas e, portanto, perde energia. Bohr introduziu postulados especiais, segundo os quais os elétrons não irradiam energia, estando em alguns estados específicos. Descobriu-se que a mecânica clássica era incapaz de descrever esses modelos da estrutura do átomo. Mais tarde, isso levou ao surgimento da mecânica quântica, o que torna possível explicar tanto esse fenômeno quanto muitos outros.

Modelo da mecânica quântica do átomo

Este modelo é uma evolução do anterior. O modelo da mecânica quântica do átomo assume que o núcleo de um átomo contém nêutrons não carregados e prótons carregados positivamente. Ao redor dele estão elétrons carregados negativamente. Mas, de acordo com a mecânica quântica, os elétrons não se movem ao longo de trajetórias predeterminadas.Então, em 1927, W. Heisenberg pronunciou o princípio da incerteza, segundo o qual parece impossível determinar com precisão a coordenada da partícula e sua velocidade ou momento.

As propriedades químicas dos elétrons são determinadas por sua camada. Na tabela periódica, os átomos são organizados de acordo com as cargas elétricas dos núcleos (estamos falando do número de prótons), enquanto os nêutrons não afetam as propriedades químicas. O modelo da mecânica quântica do átomo provou que a maior parte de sua massa recai sobre o núcleo, enquanto a fração de elétrons permanece insignificante. É medido em unidades de massa atômica, que é igual a 1/12 da massa de um átomo do isótopo de carbono C12.

Função de onda e orbital

De acordo com o princípio de W. Heisenberg, é impossível dizer com absoluta certeza que um elétron que tem uma certa velocidade está localizado em qualquer ponto particular do espaço. A função de onda psi é usada para descrever as propriedades dos elétrons.

A probabilidade de detectar uma partícula em um tempo específico é diretamente proporcional ao quadrado de seu módulo, que é calculado para um tempo específico. Psi ao quadrado é chamado de densidade de probabilidade, que caracteriza os elétrons ao redor do núcleo na forma de uma nuvem de elétrons. Quanto maior, maior a probabilidade de um elétron em um determinado espaço de um átomo.

Para uma melhor compreensão, você pode imaginar fotografias sobrepostas umas sobre as outras, onde as posições do elétron em diferentes pontos no tempo são fixas. No local onde haverá mais pontos e a nuvem se tornará a mais densa, e a probabilidade de encontrar um elétron é maior.

Calcula-se, por exemplo, que o modelo da mecânica quântica do átomo de hidrogênio inclui a maior densidade da nuvem de elétrons localizada a uma distância de 0,053 nanômetros do núcleo.

A órbita da mecânica clássica é substituída em quantum por uma nuvem de elétrons. elétron psi aqui é chamado de orbital, que é caracterizado pela forma e energia da nuvem de elétrons no espaço. Em relação a um átomo, isso se refere ao espaço ao redor do núcleo, no qual o elétron é mais provável de ser encontrado.

Impossível possível?

Como toda teoria, o modelo da mecânica quântica da estrutura do átomo revolucionou verdadeiramente o mundo científico e entre os leigos. Afinal, até hoje é difícil imaginar que a mesma partícula ao mesmo tempo possa estar simultaneamente não em um, mas em lugares diferentes! Para proteger as formas estabelecidas, eles dizem que ocorrem no microcosmo eventos que são impensáveis ​​e não são os mesmos no macrocosmo. Mas é realmente assim? Ou as pessoas estão simplesmente com medo de admitir a possibilidade de que "uma gota é como um oceano e um oceano é como uma gota"?

Um átomo é a menor partícula da matéria. Seu estudo começou na Grécia antiga, quando a atenção não apenas de cientistas, mas também de filósofos se concentrou na estrutura do átomo. Qual é a estrutura eletrônica de um átomo e quais informações básicas são conhecidas sobre essa partícula?

A estrutura do átomo

Já os antigos cientistas gregos adivinhavam a existência das menores partículas químicas que compõem qualquer objeto e organismo. E se nos séculos XVII-XVIII. os químicos tinham certeza de que o átomo é uma partícula elementar indivisível, então, na virada dos séculos 19 para 20, eles conseguiram provar experimentalmente que o átomo não é indivisível.

Um átomo, sendo uma partícula microscópica de matéria, consiste em um núcleo e elétrons. O núcleo é 10.000 vezes menor que um átomo, mas quase toda a sua massa está concentrada no núcleo. A principal característica do núcleo atômico é que ele tem carga positiva e é formado por prótons e nêutrons. Os prótons são carregados positivamente, enquanto os nêutrons não têm carga (são neutros).

Eles estão conectados uns aos outros pela força nuclear forte. A massa de um próton é aproximadamente igual à massa de um nêutron, mas ao mesmo tempo é 1840 vezes maior que a massa de um elétron. Prótons e nêutrons têm um nome comum em química - nucleons. O próprio átomo é eletricamente neutro.

Um átomo de qualquer elemento pode ser denotado por uma fórmula eletrônica e uma fórmula gráfica eletrônica:

Arroz. 1. Fórmula eletrônica do átomo.

O único elemento da Tabela Periódica que não contém nêutrons é o hidrogênio leve (prótio).

Um elétron é uma partícula carregada negativamente. A camada eletrônica consiste em elétrons que se movem ao redor do núcleo. Os elétrons têm propriedades de serem atraídos para o núcleo, e entre si são influenciados pela interação de Coulomb. Para vencer a atração do núcleo, os elétrons devem receber energia de uma fonte externa. Quanto mais longe o elétron está do núcleo, menos energia é necessária para isso.

Modelos de átomos

Por muito tempo, os cientistas procuraram entender a natureza do átomo. Em um estágio inicial, o antigo filósofo grego Demócrito deu uma grande contribuição. Embora agora sua teoria pareça banal e simples demais para nós, em uma época em que as idéias sobre partículas elementares estavam apenas começando a surgir, sua teoria sobre pedaços de matéria foi levada muito a sério. Demócrito acreditava que as propriedades de qualquer substância dependem da forma, massa e outras características dos átomos. Assim, por exemplo, perto do fogo, ele acreditava, existem átomos afiados - portanto, o fogo queima; a água tem átomos lisos, então pode fluir; em objetos sólidos, em sua opinião, os átomos eram ásperos.

Demócrito acreditava que absolutamente tudo consiste em átomos, até mesmo a alma humana.

Em 1904, J. J. Thomson propôs seu modelo do átomo. As principais disposições da teoria se resumiam ao fato de que o átomo era representado como um corpo carregado positivamente, dentro do qual havia elétrons com carga negativa. Mais tarde esta teoria foi refutada por E. Rutherford.

Arroz. 2. O modelo do átomo de Thomson.

Também em 1904, o físico japonês H. Nagaoka propôs um modelo planetário inicial do átomo por analogia com o planeta Saturno. De acordo com essa teoria, os elétrons estão unidos em anéis e giram em torno de um núcleo carregado positivamente. Esta teoria acabou por estar errada.

Em 1911, E. Rutherford, tendo feito uma série de experimentos, concluiu que o átomo em sua estrutura é semelhante ao sistema planetário. Afinal, os elétrons, como os planetas, se movem em órbitas ao redor de um núcleo pesado carregado positivamente. No entanto, esta descrição contradiz a eletrodinâmica clássica. Então o físico dinamarquês Niels Bohr em 1913 introduziu os postulados, cuja essência era que o elétron, estando em alguns estados especiais, não irradia energia. Assim, os postulados de Bohr mostraram que a mecânica clássica é inaplicável aos átomos. O modelo planetário descrito por Rutherford e complementado por Bohr foi chamado de modelo planetário de Bohr-Rutherford.

Arroz. 3. Modelo planetário de Bohr-Rutherford.

Um estudo mais aprofundado do átomo levou à criação de uma seção como a mecânica quântica, com a ajuda da qual muitos fatos científicos foram explicados. Ideias modernas sobre o átomo se desenvolveram a partir do modelo planetário de Bohr-Rutherford.

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O primeiro modelo da estrutura do átomo foi proposto por J. Thomson em 1904, segundo o qual o átomo é uma esfera carregada positivamente com elétrons embutidos nela. Apesar de sua imperfeição, o modelo de Thomson permitiu explicar os fenômenos de emissão, absorção e espalhamento da luz pelos átomos, bem como determinar o número de elétrons em átomos de elementos leves.

Arroz. 1. Átomo, segundo o modelo de Thomson. Os elétrons são mantidos dentro de uma esfera carregada positivamente por forças elásticas. Aqueles que estão na superfície podem facilmente "nocautear", deixando um átomo ionizado.

1. 2.2 modelo Rutherford

O modelo de Thomson foi refutado por E. Rutherford (1911), que provou que a carga positiva e quase toda a massa de um átomo estão concentradas em uma pequena parte de seu volume - o núcleo, em torno do qual os elétrons se movem (Fig. 2).

Arroz. 2. Este modelo da estrutura do átomo é conhecido como planetário, porque os elétrons giram em torno do núcleo como os planetas do sistema solar.

De acordo com as leis da eletrodinâmica clássica, o movimento de um elétron em um círculo ao redor do núcleo será estável se a força de atração de Coulomb for igual à força centrífuga. No entanto, de acordo com a teoria do campo eletromagnético, os elétrons neste caso devem se mover em espiral, irradiando energia continuamente e cair sobre o núcleo. No entanto, o átomo é estável.

Além disso, com radiação contínua de energia, um átomo deve ter um espectro contínuo e contínuo. De fato, o espectro de um átomo consiste em linhas e séries individuais.

Assim, este modelo contradiz as leis da eletrodinâmica e não explica a natureza linear do espectro atômico.

2.3. Modelo Bohr

Em 1913, N. Bohr propôs sua teoria da estrutura do átomo, sem negar completamente as ideias anteriores. Bohr baseou sua teoria em dois postulados.

O primeiro postulado diz que o elétron pode girar em torno do núcleo apenas em certas órbitas estacionárias. Estando sobre eles, não irradia nem absorve energia (Fig. 3).

Arroz. 3. Modelo da estrutura do átomo de Bohr. A mudança no estado de um átomo quando um elétron se move de uma órbita para outra.

Ao se mover ao longo de qualquer órbita estacionária, o fornecimento de energia de um elétron (E 1, E 2 ...) permanece constante. Quanto mais próxima a órbita estiver do núcleo, menor será a reserva de energia do elétron Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . A energia de um elétron em órbitas é determinada pela equação:

onde m é a massa do elétron, h é a constante de Planck, n é 1, 2, 3… (n=1 para a 1ª órbita, n=2 para a 2ª, etc.).

O segundo postulado diz que ao passar de uma órbita para outra, um elétron absorve ou libera um quantum (porção) de energia.

Se os átomos são expostos à influência (aquecimento, radiação, etc.), então um elétron pode absorver um quantum de energia e mover-se para uma órbita mais distante do núcleo (Fig. 3). Neste caso, fala-se de um estado excitado do átomo. Durante a transição reversa de um elétron (para uma órbita mais próxima do núcleo), a energia é liberada na forma de um quantum de energia radiante - um fóton. No espectro, isso é fixado por uma determinada linha. Com base na fórmula

,

onde λ é o comprimento de onda, n = números quânticos que caracterizam as órbitas próximas e distantes, Bohr calculou os comprimentos de onda para todas as séries no espectro do átomo de hidrogênio. Os resultados obtidos foram consistentes com os dados experimentais. A origem dos espectros de linha descontínua tornou-se clara. Eles são o resultado da emissão de energia pelos átomos durante a transição dos elétrons de um estado excitado para um estacionário. As transições de elétrons para a 1ª órbita formam um grupo de frequências da série de Lyman, para a 2ª - série de Balmer, para a 3ª série de Paschen (Fig. 4, Tabela 1).

Arroz. 4. Correspondência entre transições eletrônicas e linhas espectrais do átomo de hidrogênio.

tabela 1

Verificação da fórmula de Bohr para séries do espectro de hidrogênio

No entanto, a teoria de Bohr falhou em explicar a divisão de linhas nos espectros de átomos multieletrônicos. Bohr partiu do fato de que o elétron é uma partícula e usou as leis características das partículas para descrever o elétron. Ao mesmo tempo, acumulavam-se fatos que mostravam que o elétron também é capaz de exibir propriedades ondulatórias. A mecânica clássica revelou-se incapaz de explicar o movimento dos micro-objetos, que têm simultaneamente as propriedades das partículas materiais e as propriedades de uma onda. Este problema foi resolvido pela mecânica quântica - uma teoria física que estuda os padrões gerais de movimento e interação de micropartículas com uma massa muito pequena (Tabela 2).

mesa 2

Propriedades das partículas elementares que formam um átomo

Objetivo: implementação de comunicações interdisciplinares; desenvolvimento do raciocínio lógico e consolidação dos conhecimentos adquiridos nas aulas; criando uma atmosfera de criatividade, a alegria de compreender a verdade, aumentando o interesse por assuntos do ciclo das ciências naturais, desenvolvendo a atenção e a memória.

Tarefas: envolver-se no interessante mundo da física, química e biologia, desenvolver o espírito de competição saudável.

Equipamento: projetor multimídia, computador, tela, apresentação.

Tempo de jogo: 45 minutos

Número de participantes: 9 pessoas (3 equipas de 3 pessoas)

Preparação preliminar

Prêmio para a equipe vencedora e prêmios de consolação para as equipes perdedoras;

Uma semana antes do torneio, os alunos de cada turma do paralelo escolhem uma equipe de 3 pessoas. A equipe prepara uma saudação original por 2-3 minutos, um nome, um emblema;

Organizando o tempo.

Saudações da equipe.

Anúncio das condições do jogo: O jogo tem uma rodada, que dura cerca de 30 minutos; 1 minuto para pensar. A equipe cujo capitão levanta a mão responde primeiro. No caso de uma resposta correta, a equipa recebe um número de pontos que corresponde ao preço da pergunta, sendo-lhe ainda atribuído o direito de escolher a pergunta seguinte. Em caso de resposta incorreta, a equipe é penalizada com o número de pontos correspondente, enquanto outras equipes têm a oportunidade de responder à pergunta. Se no tempo previsto nenhuma das equipes puder oferecer a versão correta, o líder responde. A equipe que marcar mais pontos vence o jogo.

Se as equipes não tiverem dúvidas, começamos o jogo!

Determinando a ordem de turno: a equipe que respondeu corretamente à pergunta geral no menor tempo vai primeiro.

Pergunta geral: Nomeie o metal da Tabela Periódica dos Elementos Químicos que causa "febre" (ouro)

Perguntas e respostas ao quiz "Jogo próprio" sobre o tema "Estrutura do átomo".

Assunto da pergunta	pontuação	Pergunta	Responda
Em homenagem aos cientistas	10	O átomo, segundo este cientista, é muito semelhante ao “pudim de passas”, onde o “mingau” é a substância carregada positivamente do átomo, e os elétrons são as “passas” nele contidas.	Joseph Thomson
	20	Em 1986, Henri Becquerel fez uma descoberta muito importante. O que foi isso?	Becquerel descobriu que o urânio emite espontaneamente raios invisíveis anteriormente desconhecidos, mais tarde chamados de radiação radioativa.
	30	Quem estabeleceu que a carga do núcleo de um átomo é numericamente igual ao número atômico do elemento no sistema periódico de elementos de D.I. Mendeleev?	Henry Moseley
	40	Este cientista descobriu o elétron. Seus alunos frequentemente lembravam que ele gostava de repetir as palavras de Maxwell de que nunca se deve dissuadir uma pessoa de fazer um experimento planejado. Mesmo que não encontre o que procura, poderá descobrir outra coisa e obter mais benefícios para si mesmo do que com mil discussões. Quem é esse cientista?	Joseph Thomson
A história da descoberta do átomo.	10	Qual filósofo grego antigo é considerado o fundador da doutrina atomística?	Demócrito (séculos V-VI aC)
	20	Que experiência confirma a complexidade da estrutura do átomo?	A experiência de Rutherford em bombardear uma placa de ouro com átomos de hélio
	30	Quais cientistas e em que ano estabeleceram que o átomo é divisível, consiste em um núcleo e elétrons se movendo em torno dele?	Ernest Rutherford, 1911 Niels Bohr, 1913
	40	A eletricidade é transportada pelas menores partículas que existem nos átomos de todos os elementos químicos. Quem e quando introduziu o termo "elétron" (do grego - âmbar)?	George Johnston Stoney em 1874 introduziu o termo "elétron" e calculou a magnitude de sua carga.
A estrutura do átomo.	10	Adicione o nome da cidade de Rho, localizada no norte da Itália, ao nome da substância que causa o envenenamento, e você terá a parte central do átomo, carregada positivamente.	núcleo
	20	Que átomo de um elemento químico, que difere de outro átomo do mesmo elemento em sua massa, "inclui" a cidade de Ito, localizada no Japão?	isótopo
	30	Qual é o modelo atômico de E. Rutherford?	Átomos de elementos químicos têm uma estrutura interna complexa. No centro de um átomo há um núcleo carregado positivamente. Os elétrons estão constantemente se movendo ao redor do núcleo. Em geral, o átomo é eletricamente neutro.
	40	Explique por que o modelo planetário da estrutura do átomo proposto por Rutherford é chamado de nuclear. Por que prótons e nêutrons são chamados coletivamente de nucleons?	Núcleo é o núcleo. Prótons e nêutrons fazem parte do núcleo de um átomo
Átomo e biologia.	10	Isótopos de um elemento são usados ​​na medicina para irradiar tumores cancerígenos. Especifique o nome do elemento, o número de prótons e nêutrons no núcleo.	Cobalto, prótons 27, nêutrons 33
	20	Os biólogos usam o isótopo de cálcio - 45 para estudar o metabolismo nos organismos, bem como para estudar a nutrição das plantas ao usar vários fertilizantes. Núcleo de cálcio - 45? - radioativo. Escreva uma reação.
	30	Para suprimir a germinação de tubérculos de batata e desinfestação de grãos, são utilizadas instalações de radiação gama, que usam o isótopo de césio - 137. A energia máxima de radiação neste caso é de 0,66 MeV. Determine o núcleo formado nesta reação.	Com a radiação gama do núcleo de césio - 137, o núcleo passa de um estado excitado para um estado estacionário, ou seja, durante essa reação, o núcleo não muda e o núcleo de césio - 137 permanece.
	40	Com a ajuda de "átomos marcados", os cientistas soviéticos descobriram que a velocidade média do movimento da água da raiz ao longo do tronco e galhos das plantas é de 4 mm / s. Especifique como isso foi feito e determine quanto tempo depois de regar a água atingirá o topo de um metro de planta de casa	Um isótopo radioativo foi adicionado à água para irrigação, por exemplo, potássio - 42. Pelo movimento desse isótopo da raiz para as folhas, foi determinada a velocidade do movimento da água ao longo do tronco da árvore. Em 72 segundos, a água se moverá para o topo da planta de casa.

Resumindo os resultados do jogo e recompensando os participantes.

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