Модель атома Томсона

Модель атома Томсона

Модель атома Томсона

В античные времена атом представлялся ученым (Эпикур, Лукреций, Демокрит) как мельчайшая неделимая частица вещества («атомос» — неразложимый). В средник века материалистические учения были не популярны, соответственно понятие об атомах не развивалось и не поддерживалось.

Ближе к XVIII веку вновь теории, связанные с понятием «атом» начинают возрождаться, получать популярность и развиваться. Так, в это время в работах А. Лавуазье, М.В. Ломоносова и Д. Дальтона доказывается существование атома. Но, следует заметить, что в это время вопроса о строении атома еще не существовало.

Атомы, как и в древности, считались неделимыми.

Замечание 1

Существенную и очень важную роль в развитии атомистической теории сыграли работы Д.И. Менделеева, который создал периодическую систему элементов.

Он первый на научной основе поставил вопрос о единстве природы атомов. Позднее, в XIX веке было показано, что электрон — составная часть любого вещества.

Множественные эксперименты и вышеизложенные теоретические положения сделали возможной постановку вопроса о строении атома.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Описание модели Томсона

В соответствии с классическими представлениями атом смог бы испускать монохроматическую волну, создавая линию в спектре, если бы электрон в атоме, при излучении выполнял гармонические колебания. Это означало бы, что электрон удерживается возле положения равновесия квазиупругой силой, имеющей вид:

где $\overrightarrow{r}$ — характеризует отклонение электрона от положения равновесия.

Замечание 2

Первой попыткой создать модель атома считается модель Дж. Дж. Томсона ($1903$ г.) Она создавалась на основе эмпирических обобщений. Так как большая часть массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части, то Томсон решил, что атом является непрерывно заряженным шаром, заряд которого положителен.

Положительный заряд распределен сферически симметрично. Радиус такого шара порядка ${10}{-10}м.$ Внутри такого шара совершают гармонические колебания, около своих положений равновесия, отрицательно заряженные электроны.

Колебания имеют определенные частоты, им соответствуют узкие линии спектра, которые ученые уже могли наблюдать в газоразрядных трубках. Ученый предположил, что электрон является центром рассеяния света при падении его на атом. При этом Томсон полагал, что колеблющиеся электроны легко выбить с их положений.

Как результат — появляются положительно заряженные «ионы» из которых состоят «каналовые лучи», наблюдаемые в экспериментах с масс- спектрографом. Сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду, который имеет шар. В результате атом в целом получается электрически нейтральным.

В невозбужденном атоме, имеющем один электрон, он (электрон покоится в центре сферы). Если в атоме несколько электронов, то атом подобен кексу с изюмом (в роли изюма выступают электроны).

Напряженность поля внутри равномерно заряженного шара может быть определена выражением (СИ):

где $q$ — заряд шара (будем считать, что в атоме один электрон), $R$ — радиус шара. На электрон, который находится на расстоянии $r$ (рис.1) от центра шара, будет действовать сила, равная:

При данных условиях, если электрон вывести из состояния равновесия, то он будет совершать колебания, частота которых равна:

где $m_e\ $- масса электрона, $q=q_e$ — заряд электрона (заряд шара) по модулю, $R$ — радиус атома.

Рисунок 1.

Выражение (4) используют для того, чтобы оценить размеры атома. При этом получают величины равные газокинетическим размерам атомов. Данный факт рассматривался как подтверждение истинности модели Томсона.

Проблемы модели атома Томсона

Модель Томсона объясняла излучение атомов, но вся совокупность эмпирических данных по спектрам атомов не нашли подтверждение в этой модели.

Так, для ряда химических элементов были найдены формулы, которые описали их спектры, но они входили в противоречие с моделью Томсона.

Итак, модель Томсона не смогла объяснить дискретный характер спектров атомов. Проблемой было объяснение устойчивости атома.

Модель Томсона не могла объяснить испускание атомами рентгеновского и гамма — излучений.

Данная модель не пояснила, что определяет размеры атома. Она вступила в противоречие с экспериментами по изучению распределения положительного заряда в атоме.

Через некоторое время такое представления об атоме было признано ошибочным. Сейчас данная модель имеет всего лишь историческое значение, как элемент в цепочке развития научных представлений о строении вещества.

Пример 1

Задание: Оцените размер атома исходя из модели Томсона, если известно, что электрон выводится из состояния равновесия пучком света с длиной волны равной $\lambda =6000\ A.$

Решение:

По условию задачи электрон совершает колебания с частотой равной:

\[\omega =\frac{2\pi c}{\lambda }\left(1.1\right),\]

где $c=3\cdot {10}8\frac{м}{с}$- скорость света в вакууме, длина волны света, который заставляет электрон колебаться.

Для оценки радиуса атома воспользуемся формулой для частоты колебаний электрона из модели Томсона:

\[\omega =\sqrt{\frac{{q_e}2}{{{4\pi {\varepsilon }_0m}_eR}3}}\left(1.2\right).\]

Из формулы (1.2) выразим радиус, получим:

\[R=\sqrt[3]{\frac{{q_e}2}{{4\pi {\varepsilon }_0\omega }2m_e}}\left(1.3\right).\]

В выражение (1.3) подставим вместо частоты правую часть выражения (1.2), имеем:

\[R=\sqrt[3]{\frac{{q_e}2}{{4\pi {\varepsilon }_0(\frac{2\pi c}{\lambda })}2m_e}}=\sqrt[3]{\frac{{\lambda }2{q_e}2}{{4\pi {\varepsilon }_0(2\pi c)}2m_e}}.\]

Переведем длину волны из внесистемных единиц в СИ: $\lambda =6000\ A=6\cdot {10}{-7}м.$ используем известные постоянные:

$m_e=9,1 \cdot {10}{-31}кг,$ $q_e=1,6 \cdot {10}{-19}Кл,$ $c=3\cdot 108\frac{м}{с}$, $\pi =3,14$, ${\varepsilon }_0=8,85\cdot {10}{-12}\frac{{Кл}2}{Нм}$.

Проведем вычисления:

\[R=\sqrt[3]{\frac{{(6 \cdot {10}{-7})}2{(1,6\cdot {10}{-19})}2}{{(16\cdot {(3,14)}3\cdot (3\cdot 108)}2\cdot 9,1\cdot {10}{-31}\cdot 8,85\cdot {10}{-12}}}\approx {10}{-10}\left(м\right).\]

Ответ: $R\approx {10}{-10}м.$

Пример 2

Задание: Сформулируйте, в чем заключается ценность работ Томсона по созданию модели атома.

Решение:

Модель атома Томсона не выдержала проверки в эксперименте. Но нельзя полагать, что она была вообще бесполезна. Она выявила основные проблемы, которые следовало решить при создании модели атома, которая, несомненно, должна была включить электроны как составные части.

Данные проблемы сводятся к следующим: требуется найти связь числа и распределения электронов с массой атома в целом; определить какова природа и распределения заряда (положительного и отрицательного); какова природа и распределение массы атома.

Томсон полагал, что основной проблемой, с которой сталкивается любая модель атома — это путь, который позволяет по эмпирическим данным делать вывод о количестве электронов, которые имеются в атоме.

Томсон, работая над своей моделью, предложил данный путь, полагая, что каждый электрон является центром рассеяния излучения, которое падает на атом.

Используя данную гипотезу можно оценивать: рассеяние рентгеновских лучей, дисперсию света, поглощение катодных лучей, отклонение частиц, обладающих зарядом, которые быстро движутся сквозь вещество. Продолжая работы в направлении, который указал Томсон, другие ученые сделали вывод о том, что количество электронов в атоме пропорционально атомному весу.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/predmet_i_zadachi_atomnoy_fiziki/model_atoma_tomsona/

Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома

Резерфордзаметил, что быстродвижущиеся альфа-частицыспособны проходить сквозь тонкую золотуюфольгу, не оставляя видимых следов, нопри этом слегка отклоняются.

Возниклопредположение, что атомы золота, твердые,непроницаемые, как «крошечныебильярдные шары» — как ранее считалиученые, — были мягкими внутри! Всевыглядело так, будто меньшие и болеетвердые альфа-частицы могут проходитьсквозь атомы золота как высокоскоростнаяпуля через желе.

В1909-1911гг. Резерфорд применил зондированиеатома с помощью α-частиц, которыевозникают при радиоактивном распадерадия и некоторых других элементов.Масса α-частиц приблизительно в 7300 разбольше массы электрона, а положительныйзаряд равен удвоенному элементарномузаряду.

В своих опытах Резерфордиспользовал α-частицы с кинетическойэнергией около 5 МэВ (скорость такихчастиц очень велика – порядка 107м/с,но она все же значительно меньше скоростисвета). α-частицы – это полностьюионизированные атомы гелия. Они былиоткрыты Резерфордом в 1899 году.

Этимичастицами Резерфорд бомбардировалатомы тяжелых элементов (золото, серебро,медь и др.). Электроны, входящие в составатомов, вследствие малой массы не могутзаметно изменить траекторию α-частицы.

Рассеяние, то есть изменение направлениядвижения α-частиц, может вызвать толькотяжелая положительно заряженная частьатома. Схема опыта Резерфорда представленана рис. 2.

Рисунок 2.Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

Отрадиоактивного источника, заключенногов свинцовый контейнер, α-частицынаправлялись на тонкую металлическуюфольгу. Рассеянные частицы попадали наэкран, покрытый слоем кристаллов сульфидацинка, способных светиться под ударамибыстрых заряженных частиц. Сцинтилляции(вспышки) на экране наблюдались глазомс помощью микроскопа.

Наблюдениярассеянных α-частиц в опыте Резерфордаможно было проводить под различнымиуглами φ к первоначальному направлениюпучка. Было обнаружено, что большинствоα-частиц проходит через тонкий слойметалла, практически не испытываяотклонения. Однако небольшая частьчастиц отклоняется на значительныеуглы, превышающие 30°.

Очень редкиеα-частицы (приблизительно одна на десятьтысяч) испытывали отклонение на углы,близкие к 180°. Но Резерфорд обнаружил,что некоторые α-частицы, проходя сквозьзолотую фольгу, отклоняются оченьсильно.

Фактически некоторые вообщеотлетают назад! Почувствовав, что заэтим кроется нечто важное, ученыйтщательно посчитал количество частиц,полетевших в каждом направлении.

Затемпутем сложного, но вполне убедительногоматематического анализа он показалединственный путь, которым можно былообъяснить результаты экспериментов:атом золота состоял почти полностью изпустого пространства, а практическився атомная масса была сконцентрированав центре, в маленьком «ядре» атома!

Этотрезультат был совершенно неожиданнымдаже для Резерфорда. Он находился врезком противоречии с моделью атомаТомсона, согласно которой положительныйзаряд распределен по всему объему атома.При таком распределении положительныйзаряд не может создать сильноеэлектрическое поле, способное отброситьα-частицы назад.

Электрическое полеоднородного заряженного шара максимальнона его поверхности и убывает до нуля помере приближения к центру шара. Если бырадиус шара, в котором сосредоточенвесь положительный заряд атома, уменьшилсяв nраз, то максимальная силаотталкивания, действующая на α-частицувозросла бы вn2раз.

Следовательно,при достаточно большом значенииnα-частицы могли бы испытать рассеяниена большие углы вплоть до 180°. Этисоображения привели Резерфорда к выводу,что атом почти пустой, и весь егоположительный заряд сосредоточен вмалом объеме. Эту часть атома Резерфордназвалатомным ядром.Так возниклаядернаямодельатома.

Рис. 3 иллюстрируетрассеяние α-частицы в атоме Томсона ив атоме Резерфорда.

Рисунок 3. Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

Такимобразом, опыты Резерфорда и его сотрудниковпривели к выводу, что в центре атоманаходится плотное положительно заряженноеядро, диаметр которого не превышает10–14–10–15м. Это ядрозанимает только 10–12часть полногообъема атома, но содержитвесьположительный заряд и не менее 99,95 %его массы.

Веществу, составляющему ядроатома, следовало приписать колоссальнуюплотность порядка ρ ≈ 1015г/см3.Заряд ядра должен быть равен суммарномузаряду всех электронов, входящих всостав атома.

Впоследствии удалосьустановить, что если заряд электронапринять за единицу, то заряд ядра вточности равен номеру данного элементав таблице Менделеева.

Опираясьна классические представления о движениимикрочастиц, Резерфорд предложилпланетарную модельатома.

Согласно этой модели, вцентре атома располагается положительнозаряженное ядро, в котором сосредоточенапочти вся масса атома.Атом вцелом нейтрален.

Вокруг ядра, подобнопланетам, вращаются под действиемкулоновских сил со стороны ядра электроны(рис. 4). Находиться в состоянии покояэлектроны не могут, так как они упалибы на ядро.

Планетарнаямодель атома, предложенная Резерфордом,несомненно, явилась крупным шагом вразвитии знаний о строении атома. Онабыла совершенно необходимой дляобъяснения опытов по рассеянию α-частиц.Однако она оказалась неспособнойобъяснить сам факт длительногосуществования атома, т. е. егоустойчивость.

По законам классическойэлектродинамики, движущийся с ускорениемзаряд должен излучать электромагнитныеволны, уносящие энергию. За короткоевремя (порядка 10–8с) всеэлектроны в атоме Резерфорда должнырастратить всю свою энергию и упастьна ядро.

То, что этого не происходит вустойчивых состояниях атома, показывает,что внутренние процессы в атоме неподчиняются классическим законам.

Источник: https://studfile.net/preview/1032560/page:4/

Модели атома Томсона и Резерфорда кратко

Модель атома Томсона

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 открыл электроны.

В современных школах именно с изучения его открытий начинается изучение курса квантовой механики.

Однако по сравнению с моделью Резерфорда, модель атома 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 золотой фольги. 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, Эрнест Резерфорд 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 моделью Солнечной системы.

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.

Источник: https://FB.ru/article/336702/modeli-atoma-tomsona-i-rezerforda-kratko

Строение атома. Модель Томсона

Модель атома Томсона

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 10-10м.

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.

Источник: https://megaobuchalka.ru/4/5648.html

История атома: теории и модели

Модель атома Томсона

От автора:Был очень удивлен поддержкой моего поста на тему образования (http://pikabu.ru/story/reaktsionnaya_sposobnost_metallov_486…), и благодарен всем тем кто поставил плюсики, а так же 10 моим подписчикам — серьезно, спасибо, без вас я бы не продолжил выкладывать материал!

Сегодня я привожу мою адаптацию, перевод и дополнение статьи «The History of the Atom – Theories and Models» (http://www.compoundchem.com/2016/10/13/atomicmodels/) от Compaund Interest, а также небольшую представляю инфографику по статье!

История атома: теории и модели

Вся материя состоит из атомов. Это то, что мы теперь представляем, как само собой разумеющееся, и одна из первых вещей, которую вы узнаете сразу в начале своего обучения химии. Несмотря на это, наши представления о том, что же такое атом появилось совсем недавно: всего за сто лет назад, причем ученые до сих пор спорят, как именно атом выглядит.

Графическое представление модели атома было предложено в 1800-х годах, но идея «атома» существовала задолго до того. Слово «атом» происходит от древнегреческого «ἄτομος» и примерно переводится как «неделимый».

Древнегреческая теория чаще всего приписывается Демокриту (460-370 до н.э.) и его наставнику Левкиппу.

Хотя их идеи об атомах были рудиментарными по сравнению с нынешней концепцией сегодня, они обрисовал важную идею, состоящую в том, что все состоит из атомов — невидимых и неделимых сфер материи бесконечного типа и числа.

Древнегреческие философы предположили, что атомы отличаются своей формой в зависимости от типа.

Например, атомы железа представлялись виде крючков, которые цеплялись друг за друга, что объясняло почему железо было твердым при комнатной температуре, а атомы воды были гладкими и скользкими, поэтому вода была жидкой при комнатной температуре. И хоть теперь мы знаем, что это не так, их идеи были заложены в основу будущих атомных моделей.

Новое представление об атоме появилось лишь в 1803 году, когда английский химик Джон Дальтон начал развивать научное определение атома. Он основывался на идеи древних греков в описании атомов как маленьких, твердых, неделимых сфер, как и у греческих философов, у Дальтона атомы одного элемента идентичны друг другу.

Последний пункт по-прежнему является в значительной степени верным, исключением являются изотопы различных элементов, которые отличаются по числу нейтронов. Однако, так как нейтрон не был обнаружен до 1932 года, мы, вероятно, можем простить Дальтону эту ошибку.

Дальтон также придумал теорию о том, как атомы объединяются, образуя соединения, а также представил первый набор химических символов для известных элементов.

Представление атомной теории Дальтона было началом развития современной модели атома. Однако затем последовал еще один период где наши знания об атоме никак не прогрессировала.

Конечно существовали попытки понять, как атомы могут выглядеть, например, такими попытками являлись например предположения лорда Кельвина, что атомы — это вихревые частицы, вращение которых объясняет их основные свойства, по аналогии с теорией гидродинамических вихрей.

Первый прорыв произошел в конце 1800-х годов, когда английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил, что атом не был столь же неделимым, как заявлялось ранее.

Он проводил эксперименты с использованием катодных лучей (электронных пучков), произведенных в разрядной трубке, и обнаружил, что лучи притягиваются положительно заряженными металлическими пластинами, но отталкивается отрицательно заряженными. Из этого он сделал вывод, что лучи должны быть заряжены отрицательно.

Изучая частицы в лучах, он смог сделать вывод о том, что они были в две тысячи раз легче, чем водород, а также путем изменения металла катода, он продемонстрировал, что эти частицы присутствовали во многих типах атомов. Таким образом он открыл электрон (хотя он называл его как «корпускул»), и показал, что атомы не являются неделимыми. За это открытие он получил Нобелевскую премию в 1906 году.

В 1904 году он выдвинул свою модель атома на основе своих выводов, названную «пудинговой моделью атома». Данная модель представляла атом как положительно заряженную сферу, с электронами, усеянными в сфере, как сливы в пудинге. Модель Томсона была вскоре опровергнута его учеником.

Эрнест Резерфорд являлся физиком из Новой Зеландии, обучался в Кембриджском университете у Томсона. Работая в Университете Манчестера, он представил новое представление о модели атома. Его работа была опубликована уже после того, как он получил Нобелевскую премию в 1908 году за исследования в химии радиоактивных веществ.

Резерфорд разработал эксперимент, который помог исследовать атомную структуру. Для этого он стрелял положительно заряженными альфа-частицами в тонкий лист золотой фольги. Альфа-частицы были настолько малы, что проходили сквозь золотую фольгу.

В соответствии с моделью Томсона, в которой положительный заряд диффундирует по всему атому, альфа частицы должны были пройти насквозь листа практически без отклонения.

Проводя этот эксперимент, Резерфорд надеялся, подтвердить модель Томсона — своего учителя, однако, все оказалось как раз наоборот.

В ходе эксперимента, большинство из альфа-частиц, проходили через фольгу практически без отклонения. Тем не менее, очень небольшое число частиц отклонялись от намеченного пути, отклоняясь при этом на очень большой угол.

Это было совершенно неожиданно; как заметил сам Резерфорд, «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выпустили 15-дюймовый снаряд в папиросную бумагу, а он вернулся бы и ударил бы тебя».

Единственным возможным объяснением было то, что положительный заряд не распространялся по всему атому, а был локализован в небольшом, плотном центре — ядре. Согласно этому, большой частью остальной части атома являлось просто пустое пространство.

Открытие Резерфордом ядра означало необходимость переосмысления атомной модели. Он предложил модель, в которой электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Однако, он не объяснил, что держит электроны, вращающиеся вокруг ядра вместо того, чтобы просто упасть на ядро.

Новая модель была представлена Нильсом Бором. Бор был датским физик, который приступил к решению проблем, связанных с моделью Резерфорда. Так как, классическая физика не могла правильно объяснить, что происходит на атомном уровне, он обратился к квантовой теории для объяснения расположение электронов.

Его модель постулировала существование энергетических уровней или электронных оболочек. Электроны могут находится только на этих энергетических уровнях; Другими словами, их энергия квантуется, и не может принять только какое-либо значение между квантованными уровнями.

Электроны могут перемещаться между этими энергетическими уровнями (именуемыми Бором как «стационарные состояния»), но при условии поглощения или испускания энергии.

Предложение Бором стабильных энергетических уровней в некоторой степени решала проблему падения электронов по спирали на ядро.

Истинные причины сложнее и они скрыты в сложном мире квантовой механики; и, как Бор сам сказал: «Если квантовая механика вас не потрясла до глубины души, то вы просто еще этого поняли(или вы еще не достаточно хорошо понимаете квантовую механику — игра слов, прим. переводчика)».

Модель Бора не решает всех проблем атомной модели. Она хорошо подходит для атомов водорода, но не может объяснить наблюдения за более тяжелыми элементами.

Это также нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, один из краеугольных камней квантовой механики, в которой говорится, что мы не можем знать точное местоположение и импульс электрона одновременно.

Тем не менее, модель атома Бора наиболее широко распространена и известна, что связано с удобством объяснения химической связи и реакционной способности некоторых групп элементов на начальном этапе обучения.

Во всяком случае, модель все еще требует переработки. На данный момент, многие ученые проводили исследования и пытаясь разработать квантовую модель атома. Главным среди них являлся австрийский физик Эрвин Шредингер, которого вы, вероятно, знаете благодаря «Коту Шредингера».

В 1926 Шредингер предположил, что, электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением.

То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведёт себя во многом подобно волне.

Шредингер решил ряд математических уравнений для описания модели распределения электрона в атоме. Его модель демонстрирует ядро, окруженное облаками электронной плотности.

Эти облака являются облаками вероятности; хотя мы не знаем точно где электроны в тот или иной момент времени, но мы знаем в каких заданных областях пространства они вероятно могут находится. Эти участки пространства называются электронными орбитами.

Становится понятно, почему в средней школе уроки химии зачастую не приводят эту модель, хотя это модель считается наиболее точной!

Уже после Шредингера, в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (ученик Эрнеста Резерфорда) обнаружил существование нейтрона, завершая нашу картину субатомных частиц, составляющих атом.

Однако, история не заканчивается на этом; физики обнаружили, что протоны и нейтроны, составляющие ядро, сами делится на частицы, называемые кварками — но это уже совсем другая история! Во всяком случае, модель атома дает нам отличный пример того, как научные модели могут меняться с течением времени, и показывает, как новые данные могут привести к появлению новых моделей.

Химия Compaundinterest Образование Атом Длиннопост

Источник: https://pikabu.ru/story/istoriya_atoma_teorii_i_modeli_4865321

Модели атома: Томпсона (1904), Резерфорда (1911), Бора (1913), Шрёдингера

Модель атома Томсона
Модели атома: Томпсона (1904), Резерфорда (1911), Бора (1913), Шрёдингера.

Томпсон Джон в 1904 г. предложил пудинговую модель атома (безядерную).

Томпсон Джон (1856-1940) открыл электроны в 1897 г. а в марте1904 г. опубликовал статью (28 стр.), в которой предложил пудинговую модель атома. «Что- то вроде пудинга с изюмом», как сказал  Томсон.

Ядра атома у Томпсона не было!

«атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу (не шар), имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд…[2]

http://www.chemteam.info/Chem-History/Thomson-Stru…

Модель Томсона подобна модели сатурнианских колец для электронов атомов, которую выдвинул тоже в 1904 году Нагаока, по аналогии с моделью колец Сатурна Джеймса Клерка Максвелла). 

Томсон предложил модель атома[5], который состоит из положительно заряженной сферы, в которой электроны находятся в стабильном статическом равновесии с их взаимным отталкиванием и притяжением к положительно заряженной сфере, и смог показать, что такая модель будет иметь периодические свойства, если электроны собираются в последовательные кольца по мере увеличения их числа. Модель Томсона дала, по существу, то же основание периодического закона, что и более продвинутые модели, основанные на ядре атома, которые были выведены Бором из спектральных данных.   ==================================================================================================

Резерфорд в 1911 г.

предложил ядерную, планетарную модель атома.

Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой ядро находится в центре атома, а электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Заряды электронов уравновешиваются положительным зарядом ядра, и атом в целом остается электронейтральным.

Возникающая вследствие вращения электронов центробежная сила уравновешивается электростатическим притяжением электронов к противоположно заряженному ядру. Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10-14–10-15 м.

Это ядро занимает только десятую-двенадцатую часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

==================================================================================================

Боровская модель атома (Модель Бора) — полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом.

Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать энергию непрерывно и очень быстро и, потеряв её, упасть на ядро.

Чтобы преодолеть эту проблему, Бор ввёл допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают энергию, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причём, стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка[1].

  • Не смогла объяснить интенсивность спектральных линий.
  • Справедлива только для водородоподобных атомов и не работает для атомов, следующих за ним в таблице Менделеева без экспериментальных данных (энергии ионизации или других).
  • Теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой. В системе двух уравнений, лежащих в её основе, одно — уравнение движения электрона — классическое, другое — уравнение квантования орбит — квантовое.

Теория Бора являлась недостаточно последовательной и общей. Поэтому она в дальнейшем была заменена современной квантовой механикой, основанной на более общих и непротиворечивых исходных положениях. Сейчас известно, что постулаты Бора являются следствиями более общих квантовых законов. Но правила квантования широко используются и в наши дни как приближённые соотношения: их точность часто бывает очень высокой.=====================================================================================================

 Э. Шрёдингер рассматривал электрон в атоме как отрицательно заряженное облако, плотность которого пропорциональна квадрату значения волновой функции в соответствующей точке атома. В таком виде понятие электронного облака было воспринято и в теоретической химии.

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами.

Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой.

Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро).

Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

работы: 0
Количество рецензий: 0
Количество сообщений: 0
Количество просмотров: 1283 © 30.06.2017 Юрий Пиотровский

Свидетельство о публикации: izba-2017-2010548

Рубрика произведения: Проза -> Мистика

Источник: https://www.chitalnya.ru/work/2010548/

Booksm
Добавить комментарий