Nižšie uvedený článok hovorí o atóme a jeho štruktúre: ako bol objavený, ako myslitelia a vedci rozvíjali teóriu vo svojich mysliach a počas experimentov. Kvantovo-mechanický model atómu, ako doteraz najmodernejší, najúplnejšie popisuje jeho správanie a častice, ktoré ho tvoria. Prečítajte si o ňom a jeho vlastnostiach nižšie.

Pojem atóm

Chemicky nedeliteľná minimálna časť so súborom vlastností, ktoré sú pre ňu charakteristické, je atóm. Zahŕňa elektróny a jadro, ktoré zase obsahuje kladne nabité protóny a nenabité neutróny. Ak obsahuje rovnaký počet protónov a elektrónov, potom samotný atóm bude elektricky neutrálny. V opačnom prípade má náboj: kladný alebo záporný. Potom sa atóm nazýva ión. Preto sa vykonáva ich klasifikácia: chemický prvok je určený počtom protónov a jeho izotopom neutrónov. Vzájomnou väzbou na základe medziatómových väzieb tvoria atómy molekuly.

Trochu histórie

Po prvýkrát hovorili starí indickí a starogrécki filozofi o atómoch. A v období sedemnásteho a osemnásteho storočia chemici potvrdili myšlienku experimentálnym dôkazom, že niektoré látky sa nedajú rozdeliť na ich základné prvky pomocou metódy. Od konca devätnásteho do začiatku dvadsiateho storočia však fyzici zistili, že bolo jasné, že atóm nie je nedeliteľný. V roku 1860 chemici sformulovali pojmy atóm a molekula, kde sa atóm stal najmenšou časticou prvku, ktorý bol súčasťou jednoduchých aj zložitých látok.

Modely štruktúry atómu

1. Kúsky hmoty. Democritus veril, že vlastnosti látok môžu byť určené hmotnosťou, tvarom a inými parametrami, ktoré charakterizujú atómy. Napríklad oheň má ostré atómy, a preto má schopnosť horieť; tuhé častice obsahujú drsné častice, vďaka ktorým k sebe veľmi tesne priľnú; vo vode sú hladké, preto má schopnosť tiecť. Podľa Demokrita sa dokonca aj ľudská duša skladá z atómov.
2. Modely Thomson. Vedec považoval atóm za kladne nabité telo, vo vnútri ktorého sú elektróny. Tieto modely vyvrátil Rutherford vo svojom slávnom experimente.
3. Rané planetárne modely Nagaoky. Začiatkom dvadsiateho storočia navrhol Hantaro Nagaoka modely jadra atómu, podobného planéte Saturn. V nich sa elektróny spojené do prstencov točili okolo malého jadra, kladne nabitého. Tieto verzie, rovnako ako predchádzajúce, sa ukázali ako chybné.
4. Planetárny Po niekoľkých experimentoch navrhol, že atóm je podobný planetárnemu systému. V ňom sa elektróny pohybujú po dráhach okolo jadra, ktoré je kladne nabité a nachádza sa v strede. Ale klasická elektrodynamika tomu odporovala, pretože podľa nej elektrón, ktorý sa pohybuje, vyžaruje elektromagnetické vlny, a preto stráca energiu. Bohr zaviedol špeciálne postuláty, podľa ktorých elektróny nevyžarovali energiu, pričom boli v niektorých špecifických stavoch. Ukázalo sa, že klasická mechanika nedokázala opísať tieto modely štruktúry atómu. To neskôr viedlo k vzniku kvantovej mechaniky, ktorá umožňuje vysvetliť ako tento, tak aj mnohé ďalšie javy.

Kvantovo-mechanický model atómu

Tento model je vývojom predchádzajúceho. Kvantovo-mechanický model atómu predpokladá, že jadro atómu obsahuje nenabité neutróny a kladne nabité protóny. Okolo neho sú negatívne nabité elektróny. Ale podľa kvantovej mechaniky sa elektróny nepohybujú po vopred určených trajektóriách, takže v roku 1927 W. Heisenberg vyslovil princíp neurčitosti, podľa ktorého sa zdá nemožné presne určiť súradnicu častice a jej rýchlosť alebo hybnosť.

Chemické vlastnosti elektrónov sú určené ich obalom. V periodickej tabuľke sú atómy usporiadané podľa elektrických nábojov jadier (hovoríme o počte protónov), pričom neutróny neovplyvňujú chemické vlastnosti. Kvantovo-mechanický model atómu dokázal, že väčšina jeho hmoty pripadá na jadro, zatiaľ čo podiel elektrónov zostáva zanedbateľný. Meria sa v jednotkách atómovej hmotnosti, čo sa rovná 1/12 hmotnosti atómu izotopu uhlíka C12.

Vlnová funkcia a orbitál

Podľa princípu W. Heisenberga nie je možné s absolútnou istotou povedať, že elektrón, ktorý má určitú rýchlosť, sa nachádza v nejakom konkrétnom bode priestoru. Vlnová funkcia psi sa používa na opis vlastností elektrónov.

Pravdepodobnosť detekcie častice v konkrétnom čase je priamo úmerná druhej mocnine jej modulu, ktorý je vypočítaný pre konkrétny čas. Psi na druhú sa nazýva hustota pravdepodobnosti, ktorá charakterizuje elektróny okolo jadra vo forme elektrónového oblaku. Čím je väčšia, tým vyššia je pravdepodobnosť výskytu elektrónu v určitom priestore atómu.

Pre lepšie pochopenie si môžete predstaviť prekryté fotografie jednu na druhej, kde sú polohy elektrónu v rôznych časových bodoch fixné. V mieste, kde bude viac bodov a oblak bude najhustejší a pravdepodobnosť nájdenia elektrónu je najvyššia.

Vypočítalo sa napríklad, že kvantový mechanický model atómu vodíka zahŕňa najvyššiu hustotu elektrónového mraku umiestneného vo vzdialenosti 0,053 nanometrov od jadra.

Dráha z klasickej mechaniky je kvantovo nahradená elektrónovým oblakom. elektrónové psi sa tu nazýva orbitál, ktorý je charakterizovaný tvarom a energiou elektrónového oblaku vo vesmíre. Vo vzťahu k atómu sa to týka priestoru okolo jadra, v ktorom sa s najväčšou pravdepodobnosťou nachádza elektrón.

Nemožné - možné?

Ako každá teória, aj kvantový mechanický model štruktúry atómu skutočne spôsobil revolúciu vo vedeckom svete a medzi laikmi. Koniec koncov, dodnes je ťažké si predstaviť, že tá istá častica môže byť súčasne nie na jednom, ale na rôznych miestach! Na ochranu zavedených spôsobov hovoria, že v mikrokozme sa dejú udalosti, ktoré sú nemysliteľné a nie sú rovnaké v makrokozme. Ale je to naozaj tak? Alebo sa ľudia jednoducho boja čo i len pripustiť možnosť, že „kvapka je ako oceán a oceán je ako kvapka“?

Atóm je najmenšia častica hmoty. Jeho štúdium sa začalo v starovekom Grécku, keď sa pozornosť nielen vedcov, ale aj filozofov upriamila na štruktúru atómu. Aká je elektrónová štruktúra atómu a aké základné informácie sú známe o tejto častici?

Štruktúra atómu

Už starovekí grécki vedci hádali existenciu najmenších chemických častíc, ktoré tvoria akýkoľvek predmet a organizmus. A ak v XVII-XVIII storočia. chemici si boli istí, že atóm je nedeliteľná elementárna častica, potom sa im na prelome 19.-20. storočia podarilo experimentálne dokázať, že atóm nedeliteľný.

Atóm, ktorý je mikroskopickou časticou hmoty, pozostáva z jadra a elektrónov. Jadro je 10 000-krát menšie ako atóm, no takmer celá jeho hmota je sústredená v jadre. Hlavnou charakteristikou atómového jadra je, že má kladný náboj a skladá sa z protónov a neutrónov. Protóny sú kladne nabité, zatiaľ čo neutróny nemajú náboj (sú neutrálne).

Sú navzájom spojené silnou jadrovou silou. Hmotnosť protónu je približne rovnaká ako hmotnosť neutrónu, no zároveň je 1840-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Protóny a neutróny majú v chémii spoločný názov – nukleóny. Atóm samotný je elektricky neutrálny.

Atóm akéhokoľvek prvku možno označiť elektrónovým vzorcom a elektronickým grafickým vzorcom:

Ryža. 1. Elektrón-grafický vzorec atómu.

Jediným chemickým prvkom z periodickej tabuľky, ktorého jadro neobsahuje neutróny, je ľahký vodík (protium).

Elektrón je záporne nabitá častica. Elektrónový obal pozostáva z elektrónov pohybujúcich sa okolo jadra. Elektróny majú vlastnosti priťahovať sa k jadru a medzi sebou sú ovplyvnené Coulombovou interakciou. Na prekonanie príťažlivosti jadra musia elektróny prijímať energiu z vonkajšieho zdroja. Čím ďalej je elektrón od jadra, tým menej energie je na to potrebné.

Modely atómov

Vedci sa dlho snažili pochopiť podstatu atómu. V ranom štádiu výrazne prispel staroveký grécky filozof Demokritos. Hoci sa nám teraz jeho teória zdá banálna a príliš jednoduchá, v čase, keď sa pojem elementárnych častíc len začínal objavovať, bola jeho teória kúskov hmoty braná celkom vážne. Democritus veril, že vlastnosti akejkoľvek látky závisia od tvaru, hmotnosti a iných charakteristík atómov. Veril, že napríklad v blízkosti ohňa sú ostré atómy - preto horí oheň; voda má hladké atómy, takže môže prúdiť; v pevných predmetoch boli podľa jeho názoru atómy drsné.

Demokritos veril, že absolútne všetko pozostáva z atómov, dokonca aj ľudská duša.

V roku 1904 J. J. Thomson navrhol svoj model atómu. Hlavné ustanovenia teórie sa scvrkli na skutočnosť, že atóm bol reprezentovaný ako kladne nabité telo, vo vnútri ktorého boli elektróny so záporným nábojom. Neskôr túto teóriu vyvrátil E. Rutherford.

Ryža. 2. Thomsonov model atómu.

V roku 1904 tiež japonský fyzik H. Nagaoka navrhol raný planetárny model atómu analogicky s planétou Saturn. Podľa tejto teórie sú elektróny spojené do prstencov a obiehajú okolo kladne nabitého jadra. Táto teória sa ukázala ako nesprávna.

V roku 1911 E. Rutherford po vykonaní série experimentov dospel k záveru, že atóm vo svojej štruktúre je podobný planetárnemu systému. Elektróny sa totiž podobne ako planéty pohybujú po dráhach okolo ťažkého kladne nabitého jadra. Tento opis však odporoval klasickej elektrodynamike. Potom dánsky fyzik Niels Bohr v roku 1913 predstavil postuláty, ktorých podstatou bolo, že elektrón, ktorý je v niektorých špeciálnych stavoch, nevyžaruje energiu. Bohrove postuláty teda ukázali, že klasická mechanika je na atómy neaplikovateľná. Planetárny model opísaný Rutherfordom a doplnený Bohrom sa nazýval Bohr-Rutherfordov planetárny model.

Ryža. 3. Bohr-Rutherfordov planetárny model.

Ďalšie štúdium atómu viedlo k vytvoreniu takej sekcie, ako je kvantová mechanika, pomocou ktorej boli vysvetlené mnohé vedecké fakty. Moderné predstavy o atóme sa vyvinuli z Bohr-Rutherfordovho planetárneho modelu.

Priemerné hodnotenie: 4.4. Celkový počet získaných hodnotení: 422.

Prvý model štruktúry atómu navrhol J. Thomson v roku 1904, podľa ktorého je atóm kladne nabitá guľa, v ktorej sú uložené elektróny. Thomsonov model napriek svojej nedokonalosti umožnil vysvetliť javy emisie, absorpcie a rozptylu svetla atómami, ako aj určiť počet elektrónov v atómoch ľahkých prvkov.

Ryža. 1. Atóm podľa Thomsonovho modelu. Elektróny sú držané vo vnútri kladne nabitej gule elastickými silami. Tie z nich, ktoré sú na povrchu, môžu ľahko „vyraziť“ a zanechať tak ionizovaný atóm.

1. 2.2 Rutherfordov model

Thomsonov model vyvrátil E. Rutherford (1911), ktorý dokázal, že kladný náboj a takmer celá hmotnosť atómu sú sústredené v malej časti jeho objemu – v jadre, okolo ktorého sa pohybujú elektróny (obr. 2).

Ryža. 2. Tento model štruktúry atómu je známy ako planetárny, pretože elektróny obiehajú okolo jadra ako planéty slnečnej sústavy.

Podľa zákonov klasickej elektrodynamiky bude pohyb elektrónu v kruhu okolo jadra stabilný, ak sa Coulombova príťažlivá sila rovná odstredivej sile. Podľa teórie elektromagnetického poľa by sa však elektróny v tomto prípade mali pohybovať po špirále, nepretržite vyžarovať energiu a dopadať na jadro. Atóm je však stabilný.

Navyše, pri nepretržitom žiarení energie by mal mať atóm súvislé, súvislé spektrum. V skutočnosti sa spektrum atómu skladá z jednotlivých línií a radov.

Tento model je teda v rozpore so zákonmi elektrodynamiky a nevysvetľuje čiarový charakter atómového spektra.

2.3. Bohrov model

V roku 1913 N. Bohr navrhol svoju teóriu štruktúry atómu bez toho, aby úplne poprel predchádzajúce myšlienky. Bohr založil svoju teóriu na dvoch postulátoch.

Prvý postulát hovorí, že elektrón sa môže otáčať okolo jadra iba na určitých stacionárnych dráhach. Tým, že je na nich, nevyžaruje ani nepohlcuje energiu (obr. 3).

Ryža. 3. Model štruktúry Bohrovho atómu. Zmena stavu atómu, keď sa elektrón pohybuje z jednej dráhy na druhú.

Pri pohybe po akejkoľvek stacionárnej dráhe zostáva dodávka energie elektrónu (E 1, E 2 ...) konštantná. Čím bližšie je orbita k jadru, tým nižšia je energetická rezerva elektrónu Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . Energia elektrónu na obežných dráhach je určená rovnicou:

kde m je hmotnosť elektrónu, h je Planckova konštanta, n je 1, 2, 3… (n=1 pre 1. orbit, n=2 pre 2., atď.).

Druhý postulát hovorí, že pri pohybe z jednej obežnej dráhy na druhú elektrón pohltí alebo uvoľní kvantum (časť) energie.

Ak sú atómy vystavené vplyvom (zohrievanie, žiarenie atď.), potom elektrón môže absorbovať kvantum energie a presunúť sa na obežnú dráhu vzdialenejšiu od jadra (obr. 3). V tomto prípade sa hovorí o excitovanom stave atómu. Pri spätnom prechode elektrónu (na dráhu bližšie k jadru) sa uvoľňuje energia vo forme kvanta žiarivej energie – fotónu. V spektre je to fixované určitou čiarou. Na základe vzorca

,

kde λ je vlnová dĺžka, n = kvantové čísla charakterizujúce blízke a vzdialené dráhy, Bohr vypočítal vlnové dĺžky pre všetky série v spektre atómu vodíka. Získané výsledky boli v súlade s experimentálnymi údajmi. Pôvod nespojitých čiarových spektier bol jasný. Sú výsledkom emisie energie atómami pri prechode elektrónov z excitovaného stavu do stacionárneho. Prechody elektrónov na 1. dráhu tvoria skupinu frekvencií Lymanovho radu, 2. - Balmerovho radu, 3. Paschenovho radu (obr. 4, tabuľka 1).

Ryža. 4. Korešpondencia medzi elektrónovými prechodmi a spektrálnymi čiarami atómu vodíka.

stôl 1

Overenie Bohrovho vzorca pre sériu vodíkového spektra

Bohrova teória však nedokázala vysvetliť štiepenie čiar v spektrách multielektrónových atómov. Bohr vychádzal zo skutočnosti, že elektrón je častica a na opis elektrónu použil zákony charakteristické pre častice. Zároveň sa hromadili fakty, ktoré ukázali, že elektrón je schopný vykazovať aj vlnové vlastnosti. Ukázalo sa, že klasická mechanika nedokáže vysvetliť pohyb mikroobjektov, ktoré majú súčasne vlastnosti hmotných častíc a vlastnosti vlny. Tento problém vyriešila kvantová mechanika – fyzikálna teória, ktorá študuje všeobecné vzorce pohybu a interakcie mikročastíc s veľmi malou hmotnosťou (tabuľka 2).

tabuľka 2

Vlastnosti elementárnych častíc, ktoré tvoria atóm

Účel: implementácia interdisciplinárnej komunikácie; rozvoj logického myslenia a upevňovanie vedomostí získaných na hodinách; vytváranie atmosféry tvorivosti, radosti z pochopenia pravdy, zvyšovanie záujmu o predmety prírodovedného cyklu, rozvíjanie pozornosti a pamäti.

Úlohy: zapojiť sa do zaujímavého sveta fyziky, chémie a biológie, rozvíjať ducha zdravej súťaživosti.

Vybavenie: multimediálny projektor, počítač, plátno, prezentácia.

Čas hry: 45 minút

Počet účastníkov: 9 osôb (3 tímy po 3 osoby)

Predbežná príprava

Cena pre víťazný tím a ceny útechy pre porazené tímy;

Týždeň pred turnajom si žiaci každej triedy z paralelného výberu vyberú tím 3 ľudí. Tým pripraví originálny pozdrav na 2-3 minúty, meno, znak;

Organizácia času.

Tímové pozdravy.

Oznámenie podmienok hry: Hra má jedno kolo, ktoré trvá cca 30 minút; 1 minúta na premýšľanie. Tím, ktorého kapitán zdvihne ruku ako prvý, odpovedá. V prípade správnej odpovede tím získava počet bodov, ktorý zodpovedá cene otázky, a zároveň má právo výberu ďalšej otázky. V prípade nesprávnej odpovede je tím potrestaný zodpovedajúcim počtom bodov, zatiaľ čo ostatné tímy dostanú možnosť odpovedať na otázku. Ak v stanovenom čase žiadny z tímov nemôže ponúknuť správnu verziu, odpovie vedúci. Hru vyhráva tím, ktorý získa najviac bodov.

Ak tímy nemajú žiadne otázky, začíname hru!

Určenie poradia na ťahu: tím, ktorý správne odpovedal na všeobecnú otázku v najkratšom čase, ide prvý.

Všeobecná otázka: Pomenujte kov periodickej tabuľky chemických prvkov, ktorý spôsobuje "horúčku" (zlato)

Otázky a odpovede na kvíz „Vlastná hra“ na tému „Štruktúra atómu“.

Predmet otázky	skóre	Otázka	Odpoveď
Na počesť vedcov	10	Atóm je podľa tohto vedca veľmi podobný „hrozienkovému pudingu“, kde „kaša“ je kladne nabitá látka atómu a elektróny sú „hrozienka“ v ňom.	Joseph Thomson
	20	V roku 1986 urobil Henri Becquerel veľmi dôležitý objav. Čo to bolo?	Becquerel zistil, že urán spontánne vyžaruje dovtedy neznáme neviditeľné lúče, neskôr nazývané rádioaktívne žiarenie.
	30	Kto stanovil, že náboj jadra atómu sa číselne rovná atómovému číslu prvku v periodickom systéme prvkov D.I. Mendelejeva?	Henry Moseley
	40	Tento vedec objavil elektrón. Jeho študenti často spomínali, že rád opakoval Maxwellove slová, že človek by nikdy nemal odrádzať od plánovaného experimentu. Aj keď nenájde to, čo hľadá, dokáže objaviť niečo iné a získať pre seba väčší úžitok ako z tisícky diskusií. kto je tento vedec?	Joseph Thomson
História objavenia atómu.	10	Ktorý staroveký grécky filozof je považovaný za zakladateľa atomistickej doktríny?	Democritus (V-VI storočia pred naším letopočtom)
	20	Aké skúsenosti potvrdzujú zložitosť štruktúry atómu?	Rutherfordov experiment o bombardovaní zlatého taniera atómami hélia
	30	Ktorí vedci a v ktorom roku zistili, že atóm je deliteľný, pozostáva z jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho pohybujú?	Ernest Rutherford, 1911 Niels Bohr, 1913
	40	Elektrina je prenášaná najmenšími časticami, ktoré existujú v atómoch všetkých chemických prvkov. Kto a kedy zaviedol pojem "elektrón" (z gréčtiny - jantár)?	George Johnston Stoney v roku 1874 zaviedol pojem „elektrón“ a vypočítal veľkosť jeho náboja.
Štruktúra atómu.	10	Pridajte názov mesta Rho, ktoré sa nachádza v severnom Taliansku, k názvu látky, ktorá spôsobuje otravu, a získate centrálnu, kladne nabitú časť atómu.	jadro
	20	Ktorý atóm chemického prvku, ktorý sa svojou hmotnosťou líši od iného atómu toho istého prvku, „zahŕňa“ mesto Ito, ktoré sa nachádza v Japonsku?	izotop
	30	Aký je atómový model E. Rutherforda?	Atómy chemických prvkov majú zložitú vnútornú štruktúru. V strede atómu je kladne nabité jadro. Elektróny sa neustále pohybujú okolo jadra. Vo všeobecnosti je atóm elektricky neutrálny.
	40	Vysvetlite, prečo sa planetárny model štruktúry atómu, ktorý navrhol Rutherford, nazýva jadrový. Prečo sa protóny a neutróny súhrnne nazývajú nukleóny?	Jadro je jadro. Protóny a neutróny sú súčasťou jadra atómu
Atóm a biológia.	10	Izotopy prvku sa v medicíne používajú na ožarovanie rakovinových nádorov. Uveďte názov prvku, počet protónov a neutrónov v jadre.	Kobalt, protóny 27, neutróny 33
	20	Biológovia používajú izotop vápnika - 45 na štúdium metabolizmu v organizmoch, ako aj na štúdium výživy rastlín pri používaní rôznych hnojív. Vápnikové jadro - 45? - rádioaktívny. Napíšte reakciu.
	30	Na potlačenie klíčenia zemiakových hľúz a dezinsekciu obilia sa používajú zariadenia gama žiarenia, ktoré využívajú izotop cézia - 137. Maximálna energia žiarenia je v tomto prípade 0,66 MeV. Určte jadro vzniknuté pri tejto reakcii.	Pri gama žiarení jadra cézia - 137 prechádza jadro z excitovaného stavu do stacionárneho stavu, to znamená, že počas tejto reakcie sa jadro nezmení a jadro cézia - 137 zostane.
	40	S pomocou „označených atómov“ sovietski vedci zistili, že priemerná rýchlosť pohybu vody z koreňa pozdĺž kmeňa a konárov rastlín je 4 mm/s. Uveďte, ako sa to urobilo, a určite, ako dlho po zalievaní voda dosiahne vrchol metrovej izbovej rastliny	Do vody na zavlažovanie sa pridával rádioaktívny izotop, napríklad draslík - 42. Pohybom tohto izotopu z koreňa na listy sa určovala rýchlosť pohybu vody po kmeni stromu. Za 72 sekúnd sa voda presunie na vrch izbovej rastliny.

Zhrnutie výsledkov hry a odmeňovanie účastníkov.

Bibliografia:

1. Gorlová L.A.
Netradičné hodiny, mimoškolské aktivity. M.: Wako, 2006.
2. Enyakova T.M.
Mimoškolská práca v chémii. M.: Drop, 2005.
3. Oržekovskij P.
A., Meshcheryakova L.M., Pontak L.S. Chémia. 9. ročník - M.: AST: Astrel, 2007. Od 38-54.
4. Semke A.I.
Neštandardné úlohy z fyziky. Jaroslavľ: Akadémia rozvoja, 2007.
5. Stepin B.D., Alikberová L.Yu.
Zábavné úlohy a efektívne experimenty z chémie. M.: Drop, 2002.
6. Shcherbakova Yu.V.
Zábavná fyzika v triede a mimoškolské aktivity, ročníky 7-9, M .: Globus, 2008.