Модели строения атомов. Модели строения атома

Первую модель атома в 1903 г. предложил Джозеф Джон Томсон (1856 1940), создав ее вскоре после открытия им же в 1895 - 1897 гг. электрона. Длительность времени открытия электрона определяется продолжительностью проведения большой серии многосложных экспериментов, которые он вместе со своими сотрудниками проводил в Кавендишской лаборатории, которую с 1884 г. он же и возглавлял.

Представление об электроне, как мельчайшей заряженной частице созрело не сразу. Известно, что в экспериментах электроны предстают делокализованными, т.е. как бы размазанными по всему объему пространства атома. Кроме того, почти сразу же стало понятно, что масса электрона является переменной величиной; опыт Кауфмана, проведенный несколькими годами позже, подтвердил то, о чем Томсон только смутно догадывался. Позже он выведет формулу для массы электрона, движущегося со скоростью, сопоставимой со скоростью света, которая количественно давала те же результаты, что и релятивистская формула. У него же в экспериментах пока получалось так, что величина массы тесно была связана с зарядом.

При измерении величины заряда Томсон колебался, какую величину от измеренной необходимо отнести на счет массы, а какую на счет заряда. Поэтому Томсон не особенно торопился с выводами о существовании объекта, форму которого он себе плохо представлял. В 1897 г. он мог уверенно говорить лишь о том, что отношение электрического заряда к массе для частиц, которые образуют катодные лучи, намного больше, чем для ионов водорода. Если предположить, что заряды их по абсолютной величине равны, то, рассудил Томсон, масса катодных частиц должна быть намного меньше массы атомов водорода. Когда представление об электроне у него более или менее сложилось, он предложил модель «пудинга с изюмом». Согласно этой модели, отрицательные электроны, образуя правильные конфигурации, «плавают» в эфирной среде, заряженной положительно. О существовании положительного ядра атома он тогда ничего не подозревал; ядро было открыто несколько лет спустя.

Атом Резерфорда.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в семье новозеландского фермера. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила его семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году. Через два года он сдал экзамен в Кентерберийский колледж - филиал Новозеландского университета в Крайчестере. Резерфорд окончил колледж в 1893 году с отличием и получил степень магистра по физике и математике. В это время Резерфорд занялся изучением магнитного действия электромагнитных волн. В 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая печатная работа «Намагничивание железа высокочастотными разрядами». В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж. Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша. Так начался научный путь Резерфорда.

Резерфорд, продолжая свою работу над магнитным детектором, вместе с тем заинтересовался исследованиями Томсона по электропроводимости газов. В 1896 году появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В 1897 году выходит в свет заключительная статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает свои силы на исследовании нового разряда. В том же, 1897 году появляется его новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами». Вероятно, Резерфорд и Томсон вообще были одними из первых ученых, проявивших интерес к рентгеновским лучам и считавших открытие Рентгена исключительно важным и многообещающим.

В воскресенье 1 марта 1896 года Анри Беккерель обнаружил, что уран непрерывно испускает проникающее излучение неизвестной природы, которая оказалась совершенно отличной от природы рентгеновских лучей. Тем самым он обнаружил существование радиоактивности, начавшее новую эпоху в истории науки и человечества.

Сообщение об открытии Беккерелем радиоактивности произвело большой эффект в Кавендишской лаборатории, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением этих загадочных лучей. Сначала ему казалось, что существует какая-то связь между урановыми и рентгеновскими лучами. Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, производило ионизацию воздуха. Такое сходство в воздействии излучений на окружающую среду привело Резерфорда к мысли об опытном сравнении рентгеновских и беккерелевых лучей, что могло дать наиболее достоверные и точные сведения об их физических свойствах. Результатом этого явилась большая статья «Излучение урана и созданная им электропроводность».

Опыты продолжались почти год. Они показали, что сходства между двумя исследовавшимися излучениями, несмотря на их одинаковое ионизирующее действие, нет. Резерфорд также смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми ошибочно. Излучение урана вопреки заявлению Беккереля (правда, не подкрепленному опытами) не обнаружило свойств, характерных для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации.

В результате этих работ Резерфорда были открыты a-частицы. Резерфорд поместил радиоактивный источник в магнитное поле и получил три вида излучений, испускаемых ураном: a-, b-частицы и g-лучи.

Уже при проведении этих опытов Резерфорд предвидел, что a-частицы помогут исследовать структуру атома в качестве мощных инструментов для проникновения в атом.

В сентябре 1898 года Резерфорд был приглашен в университет Мак-Гила в Монреале (Канада) в качестве профессора кафедры теоретической физики. В Монреале он пробыл до 1907 года. Здесь он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация теория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность». В Монреале он начал тщательные исследования природы a-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по происхождению a-частиц через вещество.

Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале принес ему славу первоклассного исследователя. Им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность». Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период в его жизни.

Атом Бора.

Идеи о непримиримости законов классической механики и электродинамики во всей их полноте к исследованию внутреннего строения атома высказывались и до Бора. Мысли о необходимости учета квантового характера излучения были также не новыми. Тем не менее именно Нильс Бор заслуженно считается пионером квантовой теории атома. Имена его предшественников на этом пути - Никольсона, Штарка, Бьеррума и других, на которых Бор не устает ссылаться в своих первых статьях, сейчас мало кому известны. Это можно объяснить тем, что упомянутые авторы достигали только частных результатов, не объединенных в сколько-нибудь стройную систему, которая могла бы служить программой целого круга исследований и допускала бы количественную проверку на опыте.

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора. В 1903 году Бор поступил в Копенгагенский университет. Еще в студенческие годы Бор выполнил конкурсную работу по поверхностному натяжению. Работа была удостоена золотой медали Датской Академии наук. В 1909 году, спустя два года после окончания Бором университета, эта работа - «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» - была опубликована в трудах Лондонского Королевского общества.

Весной 1911 года состоялась защита докторской диссертации Бора на тему «Анализ электронной теории металла», в сентябре того же года Бор приехал на стажировку в Кембридж к Дж.Дж. Томсону. Томсон в это время занимался анализом положительных лучей. Им был разработан метод точного анализа - метод парабол, с помощью которого он впервые обнаружил у неона существование двух разновидностей атомов: с атомным весом 20 и 22. Продолжая эти исследования уже после войны, ученик Томсона Астон открыл изотопы многих стабильных элементов. Исследования самого Томсона были обобщены им в монографии «Лучи положительного электричества и их применение к химическому анализу», вышедшей в 1913 году. Томсон поручил и Бору провести эксперимент с положительными лучами. Бор собрал вакуумную установку, однако дело дальше не пошло, и он начал готовить к изданию свою докторскую диссертацию. Томсон отнесся без внимания к работе Бора и не прочитал ее.

В том же, 1911 году, когда Бор приехал в Кембридж, сотрудник Томсона Чарльз Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный ныне под названием «камера Вильсона». Этот прибор позволяет видеть частицу по оставляемому ею туманному следу. Резерфорд, приехавший на традиционный ежегодный обед в Кембридж, в своей речи с энтузиазмом отозвался о приборе Вильсона и полученных первых результатах. Бор, который впервые увидел Резерфорда на этом обеде, вспоминал, «что наибольшее восхищение у Резерфорда, как это он подчеркивал в своей речи, вызвала настойчивость, с которой Вильсон [в то время они уже были связаны тесной дружбой в Кавендишской лаборатории] продолжал свои исследования по образованию тумана с все более и более усовершенствованными аппаратами». Великий исследователь ядра ясно видел возможности, открываемые камерой Вильсона в изучении ядерных процессов. Позднее в том же Кембридже ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет (1897-1974) получил вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота a-частицей, первой ядерной реакции, открытой Резерфордом.

Встреча с Резерфордом произвела на Бора огромное впечатление. Вскоре по своим личным делам он побывал в Манчестере, и ему удалось встретиться и побеседовать с Резерфордом. «Во время беседы, в которой Резерфорд с подлинным энтузиазмом говорил о многих новых перспективах развития физики, он любезно согласился на мою просьбу о том, чтобы присоединиться к группе, работающей в его лаборатории, после того как ранней весной 1912 года я должен был закончить свои занятия в Кембридже; там я был сильно увлечен оригинальными идеями Дж.Дж. Томсона, касающимися электронного строения атомов».

В апреле 1912 года Бор приехал в Манчестер. История позаботилась о том, чтобы создатель квантовой модели атома поработал сперва с автором первой модели атома, а затем приехал к автору планетарной модели, чтобы на основе этой модели создать теорию атома Резерфорда-Бора. Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории, начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их особенностей и различий. Интересно следующее замечание Бора: «Принципиальная разница между моделями атома, предложенными Томсоном и Резерфордом, заключается в том обстоятельстве, что силы, действующие на электрон в атоме Томсона, допускают определенные конфигурации и движение элементов, при которых система находится в устойчивом равновесии: такие конфигурации, очевидно, не существуют во второй модели атома. Природу этой разницы можно, по-видимому, сделать предельно ясной, если заметить, что среди величин, характеризующих первый атом, фигурирует некоторая величина - радиус положительной сферы размерности длины и того же порядка, что и линейные размеры атома, в то время как среди величин, характеризующих второй атом, - зарядов и масс элементов положительного ядра - такой длины не только не имеется, но она не может быть определена только с помощью этих последних величин». Иными словами в модели Дж.Дж. Томсона определенность пространственных размеров атома вытекает из жесткой количественной определенности элементарного свойства положительно заряженной части атома, что было естественным с точки зрения классического понимания категории структуры. В модели же Резерфорда определенность размеров атома требовала количественной определенности элементарного отношения (расстояние между ядром и самым удаленным электроном), в то время как классическое понимание категории структуры устанавливало только качественную определенность элементарных отношений.

Дискретность электрического заряда

Начиная изучение электродинамики, перед тем как приступать к рассмотрению основных понятий заряда, сохранения зарядов, электризации и т. д., необходимо обратиться к первым экспериментальным фактам, полученным человеком по этому вопросу. Впервые электрические опыты были задокументированно произведены в пятом веке до нашей эры в Греции. А именно, было замечено явление притягивания янтарной расчёской, которой недавно расчёсывали волосы, небольших частиц любого ве­щества: волосков, пылинок, кусочков ткани, бумаги и т. д. (рис. 1).

Рис. 1. Действие потёртой о волосы или мех янтарной расчёски (Источник)

Собственно говоря, мы сейчас и пришли к этимологии слова «электричество, ведь «электрон» в переводе с греческого и означает «янтарь».

Следующие опыты по электризации тел были проведены лишь в 1729 году французским исследователем Шарлем Дюфе (рис. 2). Он проводил натирание стеклянных и смоляных палочек шёлком и шерстью соответственно. В результате получился эффект в точности такой же, какой и был описан древними греками. И палочки, и тряпочки начали притягивать мелкие кусочки материалов. Дюфе понял эти явления так, что, конечно же, при натирании палочки меняют свои свойства. И вот новые свойства стеклянной палочки он назвал «стеклянными», или же что палочка приобретает «стеклянный» заряд. Соответственно, на смоляную палочку перетекает «смоляной» заряд в терминологии Дюфе.

Рис. 2. Шарль Дюфе (Источник)

Строение атома

Теперь рассмотрим непосредственно, откуда берутся указанные электрические заряды. Для этого следует обратиться к структуре атома. Как известно из курса химии, все вещества состоят из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Атом же состоит из трёх различных частиц: электронов, протонов и нейтронов.

Рис. 5. Строение атома гелия

Подробнее разберём строение атома на примере атома гелия – второго химического элемента в таблице Менделеева (рис. 5). Химическая формула атома гелия:

Индекс 2 говорит нам о том, что в ядре атома гелия находятся две положительно заряженные частицы – протоны (р). Таким же количеством частиц – электронами (е), и скомпенсирован положи­тельный заряд ядра. Электроны непрерывно вращаются вокруг ядра на значительно большем расстоянии, нежели размеры самого ядра. Индекс же 4 означает, что всего в ядре находится 4 частицы. Две дополнительные частицы – это нейтроны (n), которые не имеют электрического заряда.

Электризация

Рассмотрим теперь собственно сам механизм электризации (то есть перераспределение заряда). Для начала, скажем, что проводить её можно несколькими способами:

Способы электризации:

*Трением (прикосновением);

*Влиянием;

*Освещением;

*Химическим способом

А теперь примем во внимание, что элементарным носителем зарядов является электрон. Так как практически невозможно вырвать протон из ядра (очень сильные ядерные связи можно разорвать только вследствие ядерной реакции), то поменять заряд какого-либо тела, а значит, поменять заряд какого-то количества атомов можно, либо забирая из атомов электроны, либо передавая новые. В результате этих процессов атом превращается в ион.

Определение. Ион – атом, потерявший или приобревший один или несколько электронов, вследствие чего получивший положительный или отрицательный заряд соответственно.

Замкнутая система – совокупность тел, взаимодействующих между собой, на которые не действуют внешние силы.

Примером выполнения закона служит следующий случай. Если два одинаковых шара зарядить зарядами Кл и Кл, а потом соединить, то после совмещения заряд разделится таким образом, что на каждом из шаров остаётся по 1 Кл. Так как суммарный заряд что до соединения, что после должен оставаться постоянным, а именно Кл. А так как тела одинаковые, заряды всегда разделятся поровну.

Строение атома. Модель Томсона

После того, как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.

Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном, который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона, атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны. В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т. е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10 -10 м. Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» – это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» – это электроны (рис. 1).

Рис. 1. Модель атома Томсона («пудинг с изюмом»)

Модель Резерфорда

Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э. Резерфорду. На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.

Опыт Резерфорда

Давайте обратимся к схеме опыта Резерфорда (рис. 2) и обсудим результаты, которые привели к созданию планетарной модели.

Рис. 2. Схема опыта Резерфорда

Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка. Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку. Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц. Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.

Более того, когда экран сделали почти замкнутым, выяснилось, что есть частицы, которые каким-то образом летят в обратную сторону. Они отклоняются под углом 90° и больше. Эти наблюдения были проанализированы Резерфордом, и выяснилась следующая довольно любопытная вещь.

К началу XX века было достоверно установлено, что в состав каждого атома входят отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные частицы. В целом атом электронейтрален.

В 1911 г. английский физик Резерфорд предложил ядерную модель строения атома, сохранившую свое значение и до настоящего времени, хотя некоторые положения Резерфорда рассматриваются иначе с современной точки зрения. Согласно теории Резерфорда весь положительный заряд и почти вся масса атома (99,4%) сосредоточены в атомном ядре. Размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером атома (10 –13 см и 10 –8 см). Вокруг ядра по замкнутым эллиптическим орбитам, которые в первом приближении можно считать круговыми, движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен по абсолютной величине суммарному заряду электронов. В 1919 году Резерфордом был открыт носитель положительного заряда–протон.

Согласно гипотезе, высказанной в 1923 году Д. Иваненко и являющейся теперь общепризнанной, в состав атомных ядер входят положительно заряженные протоны и электронейтральные нейтроны. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Масса протона почти равна массе нейтрона и в 1836 раз больше массы электрона. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, а сумма протонов и нейтронов равна округленному до целого числа атомному весу.

Таким образом, атом в целом является совокупностью небольшого числа очень малых частиц–электронов, протонов и нейтронов, распределенных в сравнительно очень большом объеме.

Затруднения теории Резерфорда

Предложенная Резерфордом модель строения атома покоится на твердых экспериментальных данных и хорошо объясняет их. Но в то же время она не объясняет ни спектральных закономерностей, ни самого факта испускания атомом монохроматического излучения. В самом деле, движение электрона по орбите, как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно законам классической электродинамики криволинейное движение должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. В частности, при равномерном движении по кругу частота излучения равна частоте обращения по кругу. Следовательно, при движении электрона вокруг ядра атом должен излучать энергию. Но непрерывное уменьшение энергии приводит к непрерывному уменьшению радиуса орбиты электрона и электрон будет двигаться по спирали приближаясь к ядру. А так как скорость движения электрона остается неизменной, то увеличивается число оборотов в секунду, т.е. непрерывно должна увеличиваться частота излучении, спектр излучения должен быть непрерывным. Непрерывно приближаясь к ядру электрон через малую долю секунды должен упасть на ядро, т.е. атом должен являться неустойчивой системой.

Таким образом, применение классической электродинамики к модели атома Резерфорда приводит к полному противоречию с экспериментальными фактами. Согласно классической теории должно быть:

а) непрерывное приближение электрона к ядру, т.е. неустойчивость атома, но в действительности атом является весьма устойчивой системой;

б) спектр излучения должен быть только непрерывным, сплошным, в действительности же наблюдаются спектры линейчатые.

Для объяснения этих противоречий понадобилось новая физическая теория – квантовая теория.

Еще во времена Древней Греции философы догадывались о внутреннем строении вещества. А первые модели строения атомов появились уже в начале XX века. Гипотеза Дж. Томсона не была воспринята научным сообществом того времени критично - ведь до нее уже были выдвинуты различные теории о том, что же находится внутри мельчайших частиц материи.

«Пудинг с изюмом», или модель Томсона

Вплоть до XIX века ученые предполагали, что атом является неделимым. Однако все изменилось после того, как Джозеф Томсон в 1897 году открыл электрон - стало понятно, что ученые ошибались. Обе модели атома Томсона и Резерфорда были выдвинуты в начале прошлого столетия. Первой появилась модель У. Томсона, который высказывал предположение о том, что атом является сгустком материи, имеющей положительный электрический заряд. Внутри этого сгустка находятся равномерно распределенные электроны - именно поэтому данная модель была названа «кексовой». Ведь согласно ей электроны в материи располагаются подобно изюминкам в кексе. Другое неофициальное название модели - «Пудинг с изюмом».

Заслуги Дж. Томсона

Данная модель была разработана еще более детально Дж. Дж. Томсоном. В отличие от У. Томсона, он предполагал, что электроны в атоме располагаются строго на одной плоскости, представляющие собой концентрические кольца. Несмотря на одинаковую важность моделей атома Томсона и Резерфорда для науки того времени, стоит отметить, что Дж. Томсоном, помимо всего прочего, впервые был предложен способ определения количества электронов внутри атома. Его метод был основан на рассеивании рентгеновских лучей. Дж. Томсон предположил, что именно электроны являются теми частицами, которые должны быть в центре рассеивания лучей. Кроме того, именно Томсон был тем ученым, который В современных школах именно с изучения его открытий начинается изучение курса квантовой механики.

Минусы теории Томсона

Однако по сравнению с Томсона имела один существенный недостаток. Она не могла объяснить дискретный характер излучения атома. Нельзя было с ее помощью и сказать что-либо о причинах устойчивости атома. Окончательно она была опровергнута, когда были произведены знаменитые опыты Резерфорда. Модель атома Томсона при этом имела не меньшую ценность для науки того времени, нежели другие гипотезы. Необходимо учитывать, что все эти модели, имевшиеся на тот момент, являлись сугубо гипотетическими.

Особенности опыта Резерфорда

В 1906-1909 годах Г. Гейгером, Э. Мардсеном и Э. Резерфордом были проведены опыты, в ходе которых альфа-частицы подвергались рассеиванию на поверхности Кратко модели атома Томсона и Резерфорда описываются следующим образом. В модели Томсона электроны распределены в атоме неравномерно, а в теории Резерфорда - вращаются в концентрических плоскостях. Отличительным фактором в опыте Резерфорда было использование именно альфа-частиц вместо электронов. Альфа-частицы, в отличие от электронов, обладали гораздо большей массой, и не претерпевали значительных отклонений, когда сталкивались с электронами. Поэтому у ученых была возможность регистрировать только те столкновения, которые происходили с положительно заряженной частью атома.

Роль открытия Резерфорда

Этот опыт имел решающее значение для науки. С его помощью ученые смогли получить ответы на те вопросы, которые оставались загадкой для авторов различных моделей атома. Томсон, Резерфорд и Бор, хотя и обладали одинаковой базой, все же внесли несколько различный вклад в науку - и результаты опытов Резерфорда в данном случае были поразительными. Их результаты оказались прямо противоположными тому, что ожидали увидеть ученые.

Большая часть альфа-частиц проходило через лист фольги по прямым (или практически прямым) траекториям. Однако траектории некоторых альфа-частиц отклонялись на значительные углы. А это было свидетельством того, что в атоме находилось образование с очень большой плотностью, и имевшее положительный заряд. В 1911 году на основе экспериментальных данных была выдвинута модель строения атома Резерфорда. Томсон, теория которого до этого считалась господствующей, в это время продолжал работать в лаборатории Кавендишского университета. До конца своей жизни ученый продолжал верить в существование механического эфира, несмотря на все успехи в научных исследованиях того времени.

Планетарная модель Резерфорда

Обобщив результаты экспериментов, выдвинул основные положения своей теории: согласно ей, атом состоит из тяжелого и плотного ядра очень малых размеров; вокруг этого ядра расположены электроны, находящиеся в непрерывном движении. Радиусы орбит этих электронов также малы: они составляют 10-9 м. Эта модель была названа «планетарной» за свое сходство с В ней планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг огромного и массивного центра, обладающего притяжением - Солнца.

Электроны вращаются в атоме с такой гигантской скоростью, что образуют вокруг поверхности атома нечто вроде облака. Согласно теории Резерфорда, атомы располагаются друг от друга на некотором расстоянии, что позволяет им не слипаться друг с другом. Ведь вокруг каждого из них существует отрицательно заряженная электронная оболочка.

Модели атома Томсона и Резерфорда: основные отличия

Каковы же основные различия между двумя важнейшими теориями строения атома? Резерфорд предполагал, что в центре атома находится ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, и объем которого, в сравнении с размерами атома, ничтожно мал. Томсон же предполагал, что весь атом представляет собой образование с большой плотностью. Вторым главным отличием было понимание положения электронов в атоме. Согласно Резерфорду, они вращаются вокруг ядра, и их число примерно равно ½ атомной массы химического элемента. В теории Томсона же электроны внутри атома распределены неравномерно.

Минусы теории Резерфорда

Однако, несмотря на все достоинства, на тот момент теория Резерфорда содержала в себе одно важное противоречие. По законам классической электродинамики, электрон, вращавшийся вокруг ядра, должен был постоянно испускать порции электрической энергии. Из-за этого радиус орбиты, по которой двигается электрон, должен был непрерывно испускать электромагнитное излучение. Согласно этим представлениям, время жизни атома должно быть ничтожно малым.

Чаще всего, когда говорят об открытии внутреннего строения атома, упоминают имена Томсона и Резерфорда. Опыты Резерфорда, модель атома которого сейчас известна каждому студенту физико-математических отделений в вузах, в настоящее время является частью истории науки. Когда Резерфорд сделал свое открытие, он воскликнул: «Теперь мне известно, как выглядит атом!» Однако в действительности он ошибался, ведь истинная картина стала известна ученым гораздо позднее. Хотя модель Резерфорда и была подвергнута с течением времени значительным коррективам, ее смысл остался неизменным.

Модель Бора

Однако, помимо моделей атома Томсона и Резерфорда, существовала еще одна теория, объяснявшее внутреннее строение этих мельчайших частиц материи. Она принадлежит Нильсу Бору - датскому физику, предложившему свое объяснение в 1913 году. Согласно его модели, электрон в атоме не подчиняется стандартным физическим законам. Именно Бор был тем ученым, который ввел в науку понятие о соотношении между радиусом орбиты электрона и его скоростью.

В процессе создания своей теории Бор взял за основу модель Резерфорда, однако подверг ее значительной доработке. Модели атомов Бора, Резерфорда и Томсона сейчас могут показаться несколько простыми, однако именно они легли в основу современных представлений о внутреннем строении атома. Сегодня общепринятой является квантовая модель атома. Несмотря на то что квантовая механика не может описывать движение планет Солнечной системы, понятие орбиты до сих пор осталось в теориях, описывающих внутренне строение атома.

Модели строения атома (Модель Томсона, модель Резерфорда, модель Бора)

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов. Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Опыты, произведенные впервые великим английским физиком Эрнестом Резерфордом, сыграли столь большую роль в понимании строения атома. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра. Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сформулировал основные положения новой теории. Причем и законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения. Успех теории Бора был тем не менее поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашёл правильный путь развития теории. Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микрочастиц - квантовой механики. Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, в стационарном состоянии атом не излучает. Согласно второму постулату Бора при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитной энергии. Излучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Поглощение атомом энергии сопровождается переходом атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией.

Место физики в системе естествознания

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает множество естественно-научных отраслей: физику, химию, биологию, физическую химию, биофизику, биохимию, геохимию и др. Оно охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое. Огромное ветвистое древо естествознания медленно произрастало из натурфилософии - философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Натурфилософия зарождалась в VI - Vb.b. до н.э. В древней Греции в ионийской школе и была, по существу, первой исторической формой философии, которая носила стихийно-материалистический характер. Ее основоположники - крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский и др. - руководствовались идеями о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (воды, воздуха, огня) и о всеобщей одушевленности материи. Интерес к природе как объекту познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрождения, который связан с трудами известных мыслителей - Дж. Бруно, Б. Телезио, Т.Кампанелла и др. Позднее натурфилософские взгляды, основанные на объективно-идеалистической диалектике природы как живого организма развивались немецким философом Ф. Шеллингом (1775 - 1854) и его последователями. Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастическими представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалектической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественно-научные знания. Таким образом, в недрах натурфилософии зарождалась физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Физика составляет основу естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения она подразделяется на физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. На ее стыке с другими естественными науками возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др. Физика знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом. Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы. Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.