Un atom este cea mai mică particulă de materie. Studiul său a început în Grecia antică, când atenția nu numai a oamenilor de știință, ci și a filozofilor a fost concentrată asupra structurii atomului. Care este structura electronică a unui atom și ce informații de bază se cunosc despre această particulă?

Structura atomului

Oamenii de știință greci antici au ghicit deja existența celor mai mici particule chimice care alcătuiesc orice obiect și organism. Iar dacă în secolele XVII-XVIII. chimiștii erau siguri că atomul este o particulă elementară indivizibilă, apoi, la începutul secolelor XIX-XX, au reușit să demonstreze experimental că atomul nu este indivizibil.

Un atom, fiind o particulă microscopică de materie, este format dintr-un nucleu și electroni. Nucleul este de 10.000 de ori mai mic decât un atom, dar aproape toată masa sa este concentrată în nucleu. Principala caracteristică a nucleului atomic este că are o sarcină pozitivă și este format din protoni și neutroni. Protonii sunt încărcați pozitiv, în timp ce neutronii nu au sarcină (sunt neutri).

Ele sunt conectate între ele prin forța nucleară puternică. Masa unui proton este aproximativ egală cu masa unui neutron, dar în același timp este de 1840 de ori mai mare decât masa unui electron. Protonii și neutronii au un nume comun în chimie - nucleoni. Atomul însuși este neutru din punct de vedere electric.

Un atom al oricărui element poate fi notat printr-o formulă electronică și o formulă grafică electronică:

Orez. 1. Formula electron-grafică a atomului.

Singurul element din Tabelul Periodic care nu conține neutroni este hidrogenul ușor (protium).

Un electron este o particulă încărcată negativ. Învelișul de electroni este format din electroni care se mișcă în jurul nucleului. Electronii au proprietăți de a fi atrași de nucleu, iar între ei sunt influențați de interacțiunea Coulomb. Pentru a depăși atracția nucleului, electronii trebuie să primească energie dintr-o sursă externă. Cu cât electronul este mai departe de nucleu, cu atât este nevoie de mai puțină energie pentru aceasta.

Modele atomice

Multă vreme, oamenii de știință au căutat să înțeleagă natura atomului. Într-un stadiu incipient, filozoful grec antic Democrit a adus o mare contribuție. Deși acum teoria lui ni se pare banală și prea simplă, într-un moment în care conceptul de particule elementare abia începea să apară, teoria lui asupra bucăților de materie a fost luată destul de în serios. Democrit credea că proprietățile oricărei substanțe depind de forma, masa și alte caracteristici ale atomilor. Deci, de exemplu, în apropierea focului, credea el, există atomi ascuțiți - prin urmare, focul arde; apa are atomi netezi, deci poate curge; în obiectele solide, în opinia lui, atomii erau aspri.

Democrit credea că absolut totul este format din atomi, chiar și sufletul uman.

În 1904, J. J. Thomson și-a propus modelul atomului. Principalele prevederi ale teoriei s-au rezumat la faptul că atomul era reprezentat ca un corp încărcat pozitiv, în interiorul căruia se aflau electroni cu sarcină negativă. Mai târziu această teorie a fost infirmată de E. Rutherford.

Orez. 2. Modelul lui Thomson al atomului.

Tot în 1904, fizicianul japonez H. Nagaoka a propus un model planetar timpuriu al atomului prin analogie cu planeta Saturn. Conform acestei teorii, electronii sunt uniți în inele și se învârt în jurul unui nucleu încărcat pozitiv. Această teorie s-a dovedit a fi greșită.

În 1911, E. Rutherford, după ce a făcut o serie de experimente, a ajuns la concluzia că atomul din structura sa este similar cu sistemul planetar. La urma urmei, electronii, ca și planetele, se mișcă pe orbite în jurul unui nucleu greu încărcat pozitiv. Cu toate acestea, această descriere a contrazis electrodinamica clasică. Apoi, fizicianul danez Niels Bohr a introdus în 1913 postulatele, a căror esență era că electronul, aflându-se în unele stări speciale, nu radiază energie. Astfel, postulatele lui Bohr au arătat că mecanica clasică este inaplicabilă atomilor. Modelul planetar descris de Rutherford și completat de Bohr a fost numit modelul planetar Bohr-Rutherford.

Orez. 3. Modelul planetar Bohr-Rutherford.

Studiul suplimentar al atomului a dus la crearea unei astfel de secțiuni precum mecanica cuantică, cu ajutorul căreia au fost explicate multe fapte științifice. Ideile moderne despre atom s-au dezvoltat din modelul planetar Bohr-Rutherford.

Rata medie: 4.4. Evaluări totale primite: 422.

Primul model al structurii atomului a fost propus de J. Thomson în 1904, conform căruia atomul este o sferă încărcată pozitiv cu electroni încorporați în el. În ciuda imperfecțiunii sale, modelul Thomson a făcut posibilă explicarea fenomenelor de emisie, absorbție și împrăștiere a luminii de către atomi, precum și determinarea numărului de electroni în atomii elementelor ușoare.

Orez. 1. Atom, după modelul Thomson. Electronii sunt ținuți în interiorul unei sfere încărcate pozitiv prin forțe elastice. Aceia dintre ei care se află la suprafață se pot „knock out” cu ușurință, lăsând un atom ionizat.

1. 2.2 Modelul Rutherford

Modelul lui Thomson a fost infirmat de E. Rutherford (1911), care a demonstrat că sarcina pozitivă și aproape întreaga masă a unui atom sunt concentrate într-o mică parte a volumului său - nucleul, în jurul căruia se mișcă electronii (Fig. 2).

Orez. 2. Acest model al structurii atomului este cunoscut sub numele de planetar, deoarece electronii se învârt în jurul nucleului la fel ca planetele sistemului solar.

Conform legilor electrodinamicii clasice, mișcarea unui electron într-un cerc în jurul nucleului va fi stabilă dacă forța de atracție Coulomb este egală cu forța centrifugă. Cu toate acestea, conform teoriei câmpului electromagnetic, electronii în acest caz ar trebui să se miște în spirală, radiind continuu energie și să cadă pe nucleu. Cu toate acestea, atomul este stabil.

În plus, cu radiația continuă de energie, un atom ar trebui să aibă un spectru continuu, continuu. De fapt, spectrul unui atom este format din linii individuale și serii.

Astfel, acest model contrazice legile electrodinamicii și nu explică natura liniei spectrului atomic.

2.3. Modelul Bohr

În 1913, N. Bohr și-a propus teoria structurii atomului, fără a nega complet ideile anterioare. Bohr și-a bazat teoria pe două postulate.

Primul postulat spune că electronul se poate roti în jurul nucleului doar pe anumite orbite staționare. Fiind pe ele, nu radiază și nu absoarbe energie (Fig. 3).

Orez. 3. Modelul structurii atomului Bohr. Schimbarea stării unui atom atunci când un electron se deplasează de pe o orbită pe alta.

Când se deplasează de-a lungul oricărei orbite staționare, furnizarea de energie a unui electron (E 1, E 2 ...) rămâne constantă. Cu cât orbita este mai aproape de nucleu, cu atât rezerva de energie electronică este mai mică Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . Energia unui electron pe orbite este determinată de ecuația:

unde m este masa electronului, h este constanta lui Planck, n este 1, 2, 3... (n=1 pentru prima orbită, n=2 pentru a doua, etc.).

Al doilea postulat spune că atunci când se deplasează de pe o orbită pe alta, un electron absoarbe sau eliberează o cuantică (porțiune) de energie.

Dacă atomii sunt expuși influenței (încălzire, radiații etc.), atunci un electron poate absorbi un cuantum de energie și se poate deplasa pe o orbită mai îndepărtată de nucleu (Fig. 3). În acest caz, se vorbește despre o stare excitată a atomului. În timpul tranziției inverse a unui electron (la o orbită mai aproape de nucleu), energia este eliberată sub forma unui cuantum de energie radiantă - un foton. În spectru, aceasta este fixată de o anumită linie. Pe baza formulei

,

unde λ este lungimea de undă, n = numere cuantice care caracterizează orbitele apropiate și îndepărtate, Bohr a calculat lungimile de undă pentru toate seriile din spectrul atomului de hidrogen. Rezultatele obţinute au fost în concordanţă cu datele experimentale. Originea spectrelor de linii discontinue a devenit clară. Ele sunt rezultatul emisiei de energie de către atomi în timpul tranziției electronilor de la o stare excitată la una staționară. Tranzițiile electronilor pe orbita 1 formează un grup de frecvențe din seria Lyman, către a 2-a - seria Balmer, către a 3-a serie Paschen (Fig. 4, Tabelul 1).

Orez. 4. Corespondența dintre tranzițiile electronice și liniile spectrale ale atomului de hidrogen.

tabelul 1

Verificarea formulei Bohr pentru serii din spectrul hidrogenului

Cu toate acestea, teoria lui Bohr nu a reușit să explice divizarea liniilor din spectrele atomilor multielectroni. Bohr a pornit de la faptul că electronul este o particulă și a folosit legile caracteristice particulelor pentru a descrie electronul. În același timp, s-au acumulat fapte care au arătat că electronul este, de asemenea, capabil să prezinte proprietăți de undă. Mecanica clasică s-a dovedit a fi incapabilă să explice mișcarea micro-obiectelor, care au simultan proprietățile particulelor de material și proprietățile unei unde. Această problemă a fost rezolvată de mecanica cuantică - o teorie fizică care studiază modelele generale de mișcare și interacțiunea microparticulelor cu o masă foarte mică (Tabelul 2).

masa 2

Proprietățile particulelor elementare care formează un atom

Articolul de mai jos spune despre atom și structura lui: cum a fost descoperit, cum gânditorii și oamenii de știință au dezvoltat teoria în mintea lor și în timpul experimentelor. Modelul mecanic-cuantic al atomului, ca cel mai modern până în prezent, descrie cel mai complet comportamentul său și particulele care îl alcătuiesc. Citiți mai jos despre el și despre caracteristicile sale.

Conceptul de atom

O parte minimă indivizibilă din punct de vedere chimic cu un set de proprietăți caracteristice este un atom. Include electroni și un nucleu, care, la rândul său, conține protoni încărcați pozitiv și neutroni neîncărcați. Dacă conține același număr de protoni și electroni, atunci atomul însuși va fi neutru din punct de vedere electric. În caz contrar, are o sarcină: pozitivă sau negativă. Atunci atomul se numește ion. Astfel, se realizează clasificarea lor: un element chimic este determinat de numărul de protoni, iar izotopul său - de neutroni. Prin legarea între ei pe baza legăturilor interatomice, atomii formează molecule.

Un pic de istorie

Pentru prima dată, filozofii din India și Grecia antică au vorbit despre atomi. Și în perioada secolelor al XVII-lea și al XVIII-lea, chimiștii au confirmat ideea demonstrând experimental că unele substanțe nu pot fi împărțite în elementele lor constitutive prin intermediul unei metode.Totuși, de la sfârșitul secolului al XIX-lea până la începutul secolului al XX-lea, fizicienii au descoperit că a devenit clar că atomul nu este indivizibil. În 1860, chimiștii au formulat conceptele de atom și moleculă, unde atomul a devenit cea mai mică particulă dintr-un element care făcea parte atât din substanțe simple, cât și din cele complexe.

Modele ale structurii atomului

1. Bucăți de materie. Democrit credea că proprietățile substanțelor pot fi determinate de masă, formă și alți parametri care caracterizează atomii. De exemplu, focul are atomi ascuțiți, motiv pentru care are capacitatea de a arde; solidele conțin particule aspre, datorită cărora aderă foarte strâns unele la altele; în apă sunt netede, deci are capacitatea de a curge. Potrivit lui Democrit, chiar și sufletul uman este format din atomi.
2. Modele Thomson. Omul de știință a considerat atomul ca un corp încărcat pozitiv, în interiorul căruia se află electroni. Aceste modele au fost infirmate de Rutherford în celebrul său experiment.
3. Modelele planetare timpurii ale lui Nagaoka. La începutul secolului al XX-lea, Hantaro Nagaoka a propus modele ale nucleului atomului, asemănătoare cu planeta Saturn. În ei, electronii uniți în inele se învârteau în jurul unui nucleu mic, încărcat pozitiv. Aceste versiuni, ca și cele anterioare, s-au dovedit a fi eronate.
4. Planetar După mai multe experimente, el a sugerat că atomul este similar cu sistemul planetar. În ea, electronii se mișcă pe orbite în jurul nucleului, care este încărcat pozitiv și situat în centru. Dar electrodinamica clasică a contrazis acest lucru, deoarece, conform ei, un electron, care se mișcă, radiază unde electromagnetice și, prin urmare, pierde energie. Bohr a introdus postulate speciale, conform cărora electronii nu radiau energie, în timp ce se aflau în unele stări specifice. S-a dovedit că mecanica clasică nu a putut descrie aceste modele ale structurii atomului. Acest lucru a dus mai târziu la apariția mecanicii cuantice, ceea ce face posibilă explicarea atât a acestui fenomen, cât și a multor altele.

Modelul mecanic cuantic al atomului

Acest model este o dezvoltare a celui precedent. Modelul mecanic cuantic al atomului presupune că nucleul unui atom conține neutroni neîncărcați și protoni încărcați pozitiv. În jurul lui se află electroni încărcați negativ. Dar, conform mecanicii cuantice, electronii nu se mișcă pe traiectorii predeterminate.Așadar, în 1927, W. Heisenberg a exprimat principiul incertitudinii, conform căruia pare imposibil să se determine cu exactitate coordonatele particulei și viteza sau impulsul acesteia.

Proprietățile chimice ale electronilor sunt determinate de învelișul lor. În tabelul periodic, atomii sunt aranjați în funcție de sarcinile electrice ale nucleelor ​​(vorbim despre numărul de protoni), în timp ce neutronii nu afectează proprietățile chimice. Modelul mecanic-cuantic al atomului a demonstrat că cea mai mare parte a masei sale cade pe nucleu, în timp ce fracția de electroni rămâne nesemnificativă. Se măsoară în unități de masă atomică, care este egală cu 1/12 din masa unui atom al izotopului de carbon C12.

Funcția de undă și orbital

Conform principiului lui W. Heisenberg, este imposibil să spunem cu certitudine absolută că un electron care are o anumită viteză este situat într-un anumit punct al spațiului. Funcția de undă psi este folosită pentru a descrie proprietățile electronilor.

Probabilitatea de a detecta o particule la un anumit moment este direct proporțională cu pătratul modulului acesteia, care este calculat pentru un anumit timp. Psi pătratul se numește densitate de probabilitate, care caracterizează electronii din jurul nucleului sub forma unui nor de electroni. Cu cât este mai mare, cu atât este mai mare probabilitatea ca un electron într-un anumit spațiu al unui atom.

Pentru o mai bună înțelegere, vă puteți imagina fotografii suprapuse una peste alta, în care pozițiile electronului în diferite momente sunt fixate. În locul în care vor fi mai multe puncte și norul va deveni cel mai dens, iar probabilitatea de a găsi un electron este cea mai mare.

Se calculează, de exemplu, că modelul mecanic-cuantic al atomului de hidrogen include cea mai mare densitate a norului de electroni situat la o distanță de 0,053 nanometri de nucleu.

Orbita din mecanica clasică este înlocuită cuantică de un nor de electroni. electron psi aici se numește orbital, care se caracterizează prin forma și energia norului de electroni din spațiu. În raport cu un atom, acesta se referă la spațiul din jurul nucleului, în care electronul este cel mai probabil să fie găsit.

Imposibil - posibil?

Ca orice teorie, modelul mecanic cuantic al structurii atomului a revoluționat cu adevărat lumea științifică și în rândul profanului. La urma urmei, până astăzi este greu de imaginat că aceeași particulă în același timp poate fi simultan nu într-unul, ci în locuri diferite! Pentru a proteja căile stabilite, ei spun că în microcosmos au loc evenimente care sunt de neconceput și nu sunt la fel în macrocosmos. Dar este chiar așa? Sau pur și simplu le este frică oamenilor să admită posibilitatea ca „o picătură să fie ca un ocean și un ocean să fie ca o picătură”?