Строение атома

Лекция №1. Строение атома

1. Начальные представления о строении атома. Модель Томсона.

Возникновение понятия «атом» (от греч. «атомос» − неделимый) относят приблизительно к V в. до н.э., когда философы Древней Греции (Левкипп, а затем Демокрит) предположили, что вещество состоит из мельчайших частиц, сохраняющих его свойства. Однако это утверждение было чисто умозрительным, т.е. не подтвержденным экспериментальными фактами, поэтому имело не только сторонников, но и противников.

В дальнейшем атомно-молекулярное учение активно развивали М.В. Ломоносов, Л. Лавуазье, Ж. Пруст, Д. Дальтон, А. Авогадро и другие исследователи. В 1858 г. итальянский химик Станислао Канницаро разграничил понятия «атом» и «молекула».

Однако для полной победы атомно-молекулярного учения потребовалось более 2000 лет и лишь в 1860 году состоялся Первый международный химический конгресс, на котором после долгих дискуссий были приняты основные положения атомно-молекулярной теории:

1) Все вещества состоят из молекул. Молекула − наименьшая часть вещества, обладающая его химическими свойствами.

2) Молекулы состоят из атомов. Атом − наименьшая частица элемента в химических соединениях. Разным элементам соответствуют разные атомы.

3) Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении.

4) В результате химических реакций молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ. Атомы при химических реакциях не изменяются.

Таким образом, несмотря на победу атомно-молекулярной теории, в середине XIX века представления природе атомов существенно не изменились:

Атом − наименьшая частица в химических соединениях (Канницаро, 1860, слайд 2)

Однако экспериментальные данные, полученные в конце XIX века, неопровержимо доказали: атом имеет сложную структуру! (слайд 2)

В 1874 г. английский ученый Джонстон Стонней пришел к выводу, что электричество существует в виде единичных зарядов и эти единичные заряды ассоциированы с атомами.

За этим открытием последовали и другие (слайд 3):

1895 г − открытие рентгеновских лучей (Вильгельм Конрад Рентген);

1896 − открытие радиоактивности (Антуан Беккерель);

1897 − открытие электрона (Джозеф Джон Томсон).

В 1897 г. Джозефом Томсоном был открыт электрон − элементарная частица, имеющая отрицательный заряд, равный 1,6⋅10−19 Кл и массу, равную 9,1⋅10−28 г, что почти в 2000 раз меньше атома водорода. Исходя из того, что электрон заряжен отрицательно, а атом электронейтрален, можно предположить, что в атоме должны содержаться и положительно заряженные частицы. Действительно, в 1899 г. молодой физик Эрнест Резерфорд, работавший под руководством Томсона, установил, что излучение, испускаемое ураном, состоит по крайней мере из двух типов лучей, представляющих собой потоки положительно и отрицательно заряженных частиц (α- и β-излучение, соответственно). Вскоре после этого французский исследователь Поль Вилар обнаружил и третий вид излучения − 
γ-излучение.

Все эти открытия однозначно указывали на сложную структуру атома. Одной из первых попыток дать модельные представления о строении атома была модель Томсона, кратко называемая «изюм в булке» (слайд 4). Действительно, согласно модели Томпсона электроны находились внутри атома, в полном соответствии с приведенной аналогией. Подобные представления о строении атома главенствовали до опыта Резерфорда.

2. Ядерная модель Резерфорда.

В 1911 г. Эрнест Резерфорд провел ряд опытов по изучению рассеивания
α-частиц тонким листком слюды. Большая часть α-лучей проходила через фольгу «как положено»: с небольшими отклонениями от курса (~ 1%), вызванными многочисленными столкновениями. Небольшая же доля α-частиц очень существенно отклонялась, часто на угол более 900. На основании этих данных Резерфорд предложил ядерную модель атома, согласно которой основная масса и положительный заряд сосредоточены в малом объеме (d ~ 10−13 − 10−12 см), называемом ядром. Видно, что при размерах самого атома (d ~ 10−8 см) ядро составляет очень малую часть атома (слайд 5). Чем больше заряд атомного ядра, тем сильнее будет отталкиваться от него α-частица, и тем чаще будут встречаться случаи отклонения α-частиц от ядра при прохождении через фольгу с равной толщиной. Это дало возможность определить и заряд атомного ядра, и его массу.