Первая квантовая теория атома

Первая квантовая теория атома

Первая квантовая теория атома

Все тела, которые встречаются в живой и неживой природе, состоят из самых мелких частиц – атомов. Первый, то высказал мнение об этом, был древнегреческий философ Демокрит. Именно он сказал, что атом является мельчайшей частицей, которая образует вещество.

Только в конце XIX столетия были сделаны открытия, которые показали сложность внутреннего строения атома, а также то, что они разлагаются на более мелкие частички, и поэтому в Демокритовском смысле «атомами» не являются.

Но, несмотря на это, термин используется в современной физике и химии, хотя не соответствует этимологии и современным представлениям о строении атома.

Первые представления о строении атома

Демокрит полагал, что если разделить яблоко на две половины, одну из которых еще на несколько частей, и продолжить такое деление до тех пор, пока результат деления перестанет быть яблоком, то можно получить мельчайшую частицу, которая сохранит свойства фрукта и будет являться его атомом.

Философ утверждал, что:

  • атомы существуют вечно;
  • атомы настолько мизерны, что их размеры невозможно измерить;
  • все атомы одинаковые, но отличаются внешне (атомы воды гладкие, поэтому все жидкости текучи, атомы железа имеют зубчики, которыми они крепятся друг к другу).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Группа древнегреческих философов, которые поддерживали тот взгляд, что существуют крошечные неделимые частички, называлась атомистами.

Определение 1

Атомизм – это натурфилософская теория, в соответствии с которой чувственно-воспринимаемые материальные вещи состояли из химически неделимых частиц, что назывались атомами.

Атомная теория – это теория физической науки, которая предполагала, что любое тело и вещество в окружающем мире состоит из мельчайших частиц – атомов, которые крепятся между собой электрическими и ядерными силами.

Некоторые теоретики поддерживали атомизм, но под атомами подразумевали фундаментальные частицы, что далее были неделимы.

Древнегреческие философы средних времен полагали, что окружающие их вещи состояли из двух частей: неделимых атомов, которые каким-то непонятным образом сцеплены друг с другом, и пространства между ними.

Атомы тогда считались неразрушимыми и вечными частицами – корпускулами. Эта позиция нашла отражение в трудах Демокрита или Левкиппа, однако никакого доказательства правоты этой теории в то время не было представлено.

Основы первой атомной теории строения вещества

Физик Дальтон Джон в 1806 году возродил атомизм и доказал реальность существования атомов. Именно он сказал, что атомы являются химическими элементами, которые не создаются заново, не разделяются на более мелкие частицы и не уничтожаются путем каких-либо химических превращений.

Он полагал, что любая химическая реакция просто меняет порядок группировки этих атомов. Также этот ученый ввел понятие «атомный вес» и впервые рассчитал атомные массы множества химических элементов.

Физик Дальтон Джон составил первую таблицу относительных атомных весов, заложив основу первой атомной теории строения вещества.

Физик Дальтон Джон был одним из самых уважаемых и знаменитым ученых того времени, он стал широко известным благодаря новаторским работам в различных областях физической и химической науки. В 1794 году он впервые провел исследования и описал дефект зрения, которым и сам страдал, — цветовая слепота, которая спустя некоторое время была названа дальтонизмом.

В 1801 году он открыл закон парциальных давлений, в 1802 году – закон растворимости газов в жидкостях, что получил название Генри-Дальтона. В 1803 году он установил закон кратных отношений и обнаружил явление полимеризации на примере бутилена и этилена. Но, несмотря на множество открытий, вопрос о строении атомов не возникал, поскольку они считались неделимыми.

Английский физик Дж. Томсон в 1897 году, изучая катодные лучи, сделал вывод, что атомы любого вещества состоят из отрицательно заряженных частиц, которые он назвал электронами.

Большой заслугой Томсона считается доказательство того, что все частички, что образуют катодные лучи, тождественны и являются составляющими вещества.

Именно он в 1904 году предположил первую модель атома «пудинг с изюмом».

По мнению Томсона, положительный атомный заряд занимает весь объем атома и распределяется там с постоянной плотностью. В той сфере, что заряжена положительно, располагается несколько электронов, поэтому атом напоминает кекс, в котором электроны играют роль изюминок.

Датский физик Нильс Бор полагал, что поведение частиц нельзя описывать такими же законами, что и макроскопические тела. Он предположил, что величины, которые характеризуют микромир, должны квантоваться, иными словами, они могут принимать только некоторые дискретные значения.

Бор считал, что законы микромира – это квантовые законы. В начале XX столетия эти законы еще не были установлены наукой. Ученый сформулировал их в виде трех постулатов. Его теория спустя некоторое время привела к созданию тройной теории движения микрочастиц – квантовой механики.

Первый постулат Бора: атомная система может существовать только в особых квантовых или стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарном состоянии атом энергию не излучает.

Второй постулат Бора: излучение света происходит только при переходе атома из стационарного состояния с большой энергией в иное стационарное состояние с малой энергией.

Квантовая теория строения атома

Квантовая теория сменила постулаты Бора. Она учитывает волновые свойства электронов и других элементарных элементов, которые образуют атом.

Основу современной теории атома составляют следующие положения.

Каждый электрон имеет корпускулярно-волновую природу. Он ведет себя как частица и как волна одновременно. Электрон обладает определенным зарядом и массой, в то же время он проявляет волновые свойства во время движения (например, характеризуется способностью к дифракции). Длина волны электрона и его скорость связываются отношением де Бройля:

$\lambda = \frac {h}{mv}$, где ${mv}$ — это масса электрона.

Для любого электрона невозможно одновременно точно измерить скорость и координату. Чем точнее измеряется скорость, тем больше существует неопределенности в координате. Принцип неопределенности Гейзенберга математическим выражением можно описать так:

$\Delta x m \Delta v = \frac {h}{2}$, где:

  • $\Delta x$ — это неопределенность положения координаты;
  • $\Delta v$ — это погрешность измерения скорости.

В атоме электрон не движется по определенной траектории, а располагается в любой части около ядерного пространства. Но вероятность его нахождения в различных частях этого пространства не одинакова. Пространство около ядра, в котором вероятность нахождения электронов велика, называется орбиталью.

Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов. Число протонов в ядре приравнивается порядковому номеру элемента, а сумма чисел нейтронов и протонов равно его массовому числу.

Последнее положение первой квантовой теории атома было сформулировано после того, как Резерфорд в 1920 году открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик — нейтрон.

Положения, которые описаны выше, дали начало новой теории, что раскрывает движение частиц более детально – квантовой механики. Наибольший вклад в развитие квантовой теории атома внес Л.

де Бройль, австриец Шредингер, немец Гейзенберг, англичанин Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Математически квантовая механика является очень сложной теорией. Однако главная сложность заключается не в этом.

Процессы, что описываются квантовой механикой (процессы микромира), недоступны для восприятия органами чувств человека.

Люди не имеют возможности представить их наглядно, поскольку они кардинально отличаются от тех макроскопических явлений, которые на протяжении миллиона лет наблюдало человечество.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/pervaya_kvantovaya_teoriya_atoma/

Атомная теория строения вещества

Первая квантовая теория атома

Слово «атом» — греческого происхождения, и переводится оно «неделимый».

Принято считать, что первым идею о том, что кажущаяся гладкой и непрерывной материя на самом деле состоит из великого множества мельчайших и потому невидимых частиц, выдвинул древнегреческий философ Демокрит (чей «расцвет», согласно восхитительному по образности выражению классиков, пришелся на V век до н. э.).

О жизни Демокрита нам, однако, практически ничего неизвестно, и оригинальные труды этого мыслителя до наших дней не дошли. Поэтому об идеях Демокрита остается судить в основном по цитатам из его работ, которые мы находим у других авторов, прежде всего у Аристотеля.

Логика рассуждений Демокрита, если перевести ее на современный язык, была крайне проста. Представим, говорил он, что у нас есть самый острый в мире нож.

Берем первый попавшийся под руку материальный объект и разрезаем его пополам, затем одну из получившихся половинок также разрезаем пополам, затем разрезаем пополам одну из получившихся четвертинок и так далее.

Рано или поздно, утверждал он (основываясь, как и все древнегреческие мыслители, прежде всего на философских соображениях), мы получим частицу столь мелкую, что дальнейшему делению на две она не поддается. Это и будет неделимый атом материи.

По представлениям Демокрита атомы были вечными, неизменными и неделимыми. Изменения во Вселенной происходили исключительно из-за изменений в связях между атомами, но не в них самих. Тем самым он тонко обошел давнишний спор древнегреческих философов о том, подвержена ли переменам сама суть видимого мира или все перемены в нем носят чисто внешний характер.

От древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве что само слово «атом». Теперь мы знаем, что атом состоит из более фундаментальных частиц (см. Элементарные частицы).

Ясно, что между древнегреческой теорией и современными научными исследованиями мало общего: идеи Демокрита не основывались ни на каких наблюдениях или практических опытах.

Демокрит, подобно всем натурфилософам античности, просто рассуждал и делал умозрительные заключения относительно природы мира.

Тем не менее труды Демокрита не остались без признания и в современном мире. На последней греческой монете достоинством 10 драхм (теперь она выведена из обращения и заменена евро) на лицевой стороне изображен портрет Демокрита, а на оборотной — схематическая модель атома.

Я весьма признателен своему другу Гансу фон Байеру, обратившему мое внимание на то, что на монете изображен атом с тремя электронами — стало быть, это атом лития. Демокрита называли «смеющимся философом» (похоже, он обладал несвойственным другим античным философам чувством юмора).

Не потому ли на монете, увековечивающей его память, изображен именно атом лития — химического элемента, который теперь широко используется для лечения депрессии?

Идея об атомном строении материи так и оставалась чисто философским умопостроением вплоть до начала XIX века, когда сформировались основы химии как науки. Химики первыми и обнаружили, что многие вещества в процессе реакций распадаются на более простые компоненты. Например, вода распадается на водород и кислород.

Однако некоторые вещества — те же водород и кислород — разложению на составляющие при помощи химических реакций не поддаются. Такие вещества назвали химическими элементами.

К началу XIX века было известно около 30 химических элементов (на момент написания этой статьи их открыто более 110, включая искусственно полученные в лабораторных условиях; см. Периодическая система).

Кроме того, было установлено, что в процессе химических реакций количественное соотношение веществ, участвующих в данной реакции, не изменяется. Так, для получения воды неизменно берутся восемь массовых долей кислорода и одна доля водорода (см. Закон Авогадро).

Первым осмысленную интерпретацию этих фактов предложил Джон Дальтон, чьё имя увековечено в открытом им законе Дальтона. В своих химических опытах он исследовал поведение газов (см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля и Основной закон термодинамики), но этим круг его интересов не ограничивался.

В 1808 году он приступил к публикации своего фундаментального двухтомного труда «Новая система химической философии», радикально повлиявшего на дальнейшее развитие химии.

В этой работе Дальтон предположил, что осмыслить и интерпретировать последние достижения экспериментальной химии можно только приняв, что каждому химическому элементу в этих опытах соответствует уникальный для него атом, и что именно смешение и объединение в различных пропорциях этих атомов приводит к образованию наблюдаемых в природе химических веществ. Например, вода, по Дальтону, состоит из сочетания двух атомов водорода и одного атома кислорода (общеизвестная формула H2O). Тот факт, что все атомы одного вида неразличимы между собой, удачно объяснял, почему при химических реакциях они всегда обнаруживаются в неизменных пропорциях. Так, в случае с водой, два атома водорода всегда одни и те же, где бы мы ни взяли эту воду, и всегда находятся в одной и той же связи с единственным атомом кислорода.

Для Дальтона, как и для Демокрита, атомы оставались неделимыми. В черновиках и книгах Дальтона мы находим рисунки, где атомы представлены в виде шариков. Однако основное положение его работы — что каждому химическому элементу соответствует особый тип атома — легло в основу всей современной химии.

Этот факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе является сложной структурой (см. Опыт Резерфорда) и состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра и легких, отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра. Достаточно обратиться к сложностям квантовой механики (см.

также Атом Бора и Уравнение Шрёдингера), чтобы понять, что концепция атома не исчерпала себя и в XXI веке.

Неплохо, однако, для идеи, зародившейся в философских спорах 2500 лет назад!

См. также:

Источник: https://elementy.ru/trefil/6/Atomnaya_teoriya_stroeniya_veshchestva

Первые теории строения атома

Первая квантовая теория атома

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

После открытия электрона стало ясно, что атом имеет сложную структуру, и встал вопрос, какое место в ней занимает электрон, и какие есть ещё субатомные частицы.

Существование атомов различных масс было предложено в 1808 году Джоном Дальтоном, чтобы объяснитьзакон кратных отношений. Соответствие различных оценок числа Авогадро предоставила решающее доказательство для атомистической теории.

В 1904 году появилась первая модель атома, известная как модель «пудинга с изюминками», где атом представлял собой положительно заряженное тело, с равномерно перемешанными в нём электронами.

Движутся они там или нет — этот вопрос был оставлен открытым.

Одновременно японский физик Нагаока предложил планетарную модель, но Вин сразу указал, что круговые орбиты электронов несовместимы с классической электродинамикой: при всяком отклонении от прямой электрон должен терять энергию.

В 1909—1910 годах эксперименты Резерфорда и Гейгера по рассеянию альфа-частиц в тонких пластинках обнаружили, что внутри атома существует небольшая компактная структура — атомное ядро. От «модели пудинга» пришлось отказаться. Резерфорд предложил уточнённую планетарную модель: положительное ядро, заряд которого (в единицах заряда электрона) соответствует номеру элемента в таблице Менделеева.

Первым успехом новой теории было объяснение существования изотопов. Но были и другие модели. Дж. Дж. Томсон полагал, что взаимодействие электронов и ядра отличается от кулоновского; делались попытки привлечь теорию относительности и даже неевклидовы геометрии.

Первую успешную теорию, объяснившую спектр атома водорода, построил Нильс Бор в 1913 году. Бор дополнил модель Резерфорда постулатами неклассического характера:

1. Существуют орбиты, на которых электрон будет стабилен (не будет терять энергию).

2. При перескоке с одной дозволенной орбиты на другую электрон излучает или поглощает энергию, соответствующую разнице энергий орбит.

Спектр атома водорода теория Бора предсказывала точно, но для других элементов согласия не было.

В 1915 году теория Бора была дополнена Зоммерфельдом и Вильсоном; были объяснены эффект Зеемана итонкая структура спектра водорода. Бор добавил к своим постулатам принцип соответствия, который позволил определить интенсивность спектральных линий.

В 1925 году Паули высказал гипотезу о наличии у электрона спина, а позже — принцип запрета, по которому никакие два электрона не могут иметь одинаковые квантовые числа (с учётом спина). После этого стало наконец понятно, как и почему распределяются электроны по слоям (орбитам) в атоме.

1932: Чадвик открыл нейтрон, предсказанный Резерфордом ещё в 1920-м. Структура ядра стала теперь ясна.Протон фактически был открыт в 1919 году, когда Резерфорд обнаружил расщепление атома азота при обстреле альфа-частицами; само название частицы Резерфорд придумал позднее.

В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон.

Квантовая теория

В 1880-е годы был экспериментально получен спектр излучения абсолютно чёрного тела; распределение энергии по частотам оказалось несогласованным со всеми имевшимися теориями, особенно для длинных (инфракрасных) волн.

Правильную формулу подобрал в 1900 году Макс Планк.

Несколькими неделями позже он выяснил, что эта формула может быть строго доказана, если сделать допущение, что излучение и поглощение энергии происходит порциями не меньше некоторого порога (кванта), пропорционального частоте волны. Сам Планк вначале рассматривал такую модель как чисто математический трюк; даже много позже, в 1914 году, он пытался опровергнуть собственное открытие, но безуспешно.

Эйнштейн сразу принял гипотезу квантов света, причём считал, что квантование относится не только ко взаимодействию света с веществом, но является свойством самого света.

В 1905 году он построил на этой основе теорию фотоэффекта, в 1907 году — теорию теплоёмкости, которая до Эйнштейна при низких температурах расходилась с экспериментом.

В 1912 году Дебай и Борн уточнили теорию теплоёмкости Эйнштейна, и согласие с опытом было достигнуто.

Наконец, в 1920-х годах были обнаружены сразу несколько существенно квантовых явлений, необъяснимых с классических позиций. Наиболее показателен был эффект Комптона — вторичное излучение при рассеяниирентгеновских лучей в лёгких газах. В 1923 году Комптон разработал теорию этого явления (основанную на работе Эйнштейна 1917 года) и предложил термин «фотон».

1923: Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой дуализм свойственен не только свету, но и веществу. Каждой материальной частице он сопоставил волну определённой частоты. Это объясняет, почемупринцип Ферма в оптике похож на принцип Мопертюи, а также — почему устойчивые орбиты Бора именно таковы: только у них длина волны де Бройля укладывается на орбите целое число раз.

1925: Вернер Гейзенберг предложил использовать в теории субатомных явлений только наблюдаемые величины, исключив координаты, орбиты и т. п. Для определения наблюдаемых величин он разработал т. н.

«матричную механику».

Гейзенберг, Макс Борн и Йордан сформулировали правила, по которым классическим величинам сопоставлялись эрмитовы матрицы, так что каждое дифференциальное уравнение классической механики переходило в квантовое.

Синтез идей де Бройля и Гейзенберга осуществил Эрвин Шрёдингер, который в 1926 году создал «волновую механику» на базе выведенного имуравнения Шрёдингера для нового объекта — волновой функции.

Новая механика, как показал сам Шрёдингер, эквивалентна матричной: элементы матрицы Гейзенберга, с точностью до множителя — собственные функцииоператора Гамильтона (а собственными значениями оказалась квантованная энергия).

В таком виде волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной.

Первоначально Шрёдингер считал, что амплитуда волновой функции описывает плотность заряда, но этот подход был быстро отвергнут, и было принято предложение Борна (1926) истолковывать её как плотность вероятности обнаружения частицы («копенгагенская интерпретация»).

1927: Дэвиссон обнаружил дифракцию электронов, что было воспринято как подтверждение вероятностной концепции, а Гейзенберг сформулировалпринцип неопределённости.

Бор обобщил его до «принципа дополнительности»: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга; если нас интересует причинная связь, удобно корпускулярное описание, а если пространственно-временная картина, то волновое.

Фактически же микрообъект не является ни частицей, ни волной; эти классические понятие возникают только потому, что наши приборы измеряют классические величины. Школа Бора вообще считала, что все атрибуты атома не существуют объективно, а появляются только при взаимодействии с наблюдателем. «Нет реальности, не зависящей от способа её наблюдения» (Бор).

Многие физики (Эйнштейн, Планк, де Бройль, Бом и др.) пытались заменить копенгагенскую интерпретацию иной, но успеха не добились.

1928: Поль Дирак дал релятивистский вариант квантовой механики (уравнение Дирака) и предсказал существование позитрона, положив начало квантовой электродинамике.

1935: опубликован знаменитый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена.

Ко второй половине XX века в в физике сложилось представление, что все взаимодействия физической природы можно свести к всего лишь четырём типам взаимодействия:

ñ гравитация

ñ электромагнетизм

ñ сильное взаимодействие

ñ слабое взаимодействие

В последнюю декаду XX века накопились астрономические данные, подтверждающие существование космологической постоянной, тёмной материи и тёмной энергии.

Идут поиски общей теории поля — теории всего, которая описала бы все фундаментальные взаимодействия обобщённым физико-математическим образом.

Одним из серьёзных кандидатов на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, — недавнее развитиетеории суперструн.

Всё больше проблем связано с эволюцией Вселенной, с её ранними этапами, с природой вакуума, и, наконец, с окончательной природой свойств субатомных частиц. Частичные теории являются в настоящее время лучшим, что физика может предложить.

В течение всего XX века продолжались попытки построить квантовую теорию гравитации; основные из них — этотеории суперструн и петлевая квантовая гравитация.

[править]XXI век и новые рубежи

С 1970-х годов в теоретической физике наблюдается некоторое затишье, некоторые учёные даже заговорили о «кризисе физики» или даже о «конце науки»[1]. Тем не менее намечаются некоторые открытия.

Так, например, проводятся попытки сравнить скорости распространения гравитационного и электромагнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают.

В ЦЕРНе построен и эксплуатируется Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить две фундаментальные теории:Суперсимметрия и бозон Хиггса.

Ряд физиков выделяет актуальные фундаментальные задачи, решение которых приведёт к существенному прогрессу физики[1].

1. Разработка квантового варианта теории гравитации, построение «теории всего».

2. Физическое (не только математическое) обоснование квантовой механики или обобщение её до теории с более понятным физическим смыслом.

3. Найти причины «тонкой настройки Вселенной», для чего желательно свести число фундаментальных констант к минимуму.

4. Раскрыть сущность тёмной материи и тёмной энергии, расширить экспериментальную базу космологии.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Дата добавления: 2016-12-18; просмотров: 1297 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник: https://lektsii.org/13-21290.html

Booksm
Добавить комментарий