Модель строения атома по томпсону. Модели строения атома (Модель Томсона, модель Резерфорда, модель Бора). Минусы теории Резерфорда

Cтраница 1

Первые модели атома было легко изобразить, но трудно описать.

Первая модель атома (Тсмсона) представляла атом в виде капли положительного электричества, в которой размещены электроны.

Первая модель атома, предложенная Дж. Томсоном в 1898 г., была основана на предположении, что атом - это положительно заряженный шар, в который внедряются электроны.

Первую модель атома предложил Кельвин (У. Томсон) в 1902 г. Согласно гипотезе Кельвина, атом представляет собой шар, по объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри шара находятся неподвижные электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атома.

Томсон предлагает первую модель атома, согласно которой положительный заряд равномерно заполняет весь объем атома, а отрицательный, представленный электронами, вкраплен в эту положительно заряженную сферу.

Бор на основе этих идей построил первую модель атома, к-рая представляла собой чисто внешнее соединение законов классич. Бор предположил, что существуют два различных типа состояний движения атома: стационарные состояния и переходы между ними. В стационарных состояниях электроны движутся вокруг ядра только по строго опред. Излучение происходит лишь при переходах (мгновенных перескоках) электрона с одной стационарной орбиты на другую, причем атом теряет (или поглощает) энергию, равную разности значений энергии стационарных состояний. Эти положения несовместимы с идеями классич.

В 1904 г. английский физик Томсон предложил первую модель атома, согласно которой атом представляет собой положительно заряженный шар размером 10 - 8 см с взвешенными внутри него электронами.

Томсон (Thomson), Джозеф Джон (1856 - 1940) - английский физик, известен исследованиями в области электричества и магнетизма, открыл электрон (1897) и предложил одну из первых моделей атома; по своим философским взглядам - стихийный материалист.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. 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 радиусом около см, внутри которого находится электрон.

Первые модели атома Эрнеста Резерфорда (1871 - 1937) напоминают схему солнечной системы. Попытки перенести эти представления на микроструктуру человека приводят к возникновению экспериментальной психологии, дифференциальной психологии, прикладной психологии и текстологии. Возникновение квантовой механики, связанное наряду с другими с именем Эрвина Шредингера (1887 - 1961), общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1879 - 1955) стимулировали новые шаги в философии, социологии и психологии.

После открытия электрона и появления первых моделей атомов был сделан ряд попыток объяснить валентность строением атомов.

Каждый любознательный человек теперь знает, что вокруг атомного ядра вращается ровно столько электронов, сколько протонов в ядре, и это число равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Вначале, когда Эрнст Резерфорд и Нильс Бор создавали первые модели атома, предполагалось, что электроны совершают свой бег группами по изначальным, раз навсегда положенным орбитам, имеющим вид концентрических колец или эллипсов - примерно так, как планеты движутся вокруг Солнца. Со временем эти неточные представления сменились более глубокими и близкими к истине, но и современные взгляды на электрон, его сущность и поведение не могут претендовать на законченность и абсолютную достоверность. Это только усовершенствованные гипотезы, более или менее хорошо согласующиеся с известными в настоящее время фактами; своеобразные и очень тонкие закономерности микрокосмоса различимы пока лишь в зыбких контурах.

Из того, что свет является частным видом электромагнитных волн, можно было заключить, что при испускании света электроны в атоме колеблются. Это представление, не подтвердившееся впоследствии, привело к созданию первой модели атома, первой наглядной картины его внутреннего строения.

Томсона пользовалась общим признанием. На почве этой первой модели атома было разработано учение о внутриатомных вибраторах, разъяснявшее сложный характер явлений дисперсии и поглощения света, возникло учение о поляризации атомов, был понят физический смысл диэлектрической постоянной, предсказано существование изотопов.

До применения квантовых идей непосредственно к атомной структуре физика дошла позднее, в начале второго десятилетия, после знаменитых экспериментальных исследований Резерфорда, вскрывших ядерную структуру атома, и на их основе. Ему принадлежит честь создания первой модели квантованного атома.

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.

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.

Впоследствии признанная несостоятельной. Впервые предложена Д.Д. Томсоном в 1904 году вскоре после открытия электронов, но до открытия атомного ядра.

Предыстория

В 1897 году в физике произошло знаменательное событие: Томпсон Джозеф Джон открыл электроны, тем самым экспериментально подтвердив предположение, что атом не является «монолитной» частицей. Однако точного представления, что же из себя представляют элементарные частицы, не было. Лишь в 1911 году будет представлена более точная модель атома Резерфорда, а до этого научный мир лихорадочно бился над «загадкой столетия».

Поиск ответа

После серии экспериментов выяснилось, что электроны отрицательно заряжены, а между тем уже было известно, что атомы имеют нейтральный заряд. Томсон разумно предположил, что в атоме должен быть некий источник положительного заряда для компенсации отрицательного заряда электронов.

Английский физик представил три возможных механизма взаимодействия внутри частиц.

В первой модели атома Томсона каждый отрицательно заряженный электрон прилипал к положительно заряженной частице, которая следовала за ним всюду внутри атома.
Во второй модели электроны вращаются вокруг центральной области положительного заряда, имеющего такую же величину, что и все электроны.
В третьей модели электроны занимали область пространства, которая сама была однородным положительным зарядом (часто рассматриваемым как «суп» или «облако» положительного заряда).

Ученый выбрал третий вариант - наиболее вероятную структуру атомов.

Внимание общественности

Модель атома Томсона в 1904 году была опубликована в мартовском выпуске Philosophical Magazine - авторитетном научном журнале Британии. По мнению автора, атомы элементов состоят из ряда отрицательно наэлектризованных корпускул (электронов), заключенных в сферу равномерной положительной электризации. Томсон отказался от более ранней своей гипотезы «туманного атома», в которой частицы состояли из нематериальных вихрей.

Публикация вызвала неподдельный интерес у научного сообщества. Однако прочных доказательств она не имела, а, следовательно, критиковалась многими авторитетными физиками. Впрочем, она соответствовала тем представлениям и экспериментальным данным, которые были известны на то время.

Описание модели

Будучи проницательным и практичным ученым, Томсон основывал свою атомную модель на известных экспериментальных данных. Предложение о положительном объеме заряда отражает характер его научного подхода к открытию, которое стало руководством к действию для будущих экспериментов.

Согласно теории, орбиты электронов внутри атомной модели Томсона были стабилизированы тем, что, когда электрон удалялся от центра положительно заряженной сферы (облака), он подвергался воздействию увеличивающейся силы притяжения. Эта сила возвращает электрон обратно, поскольку по закону Гаусса, внутри сферы более высокая концентрация положительного заряда. Согласно модели, электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые были дополнительно стабилизированы взаимодействием между электронами, а спектроскопические значения объясняли энергетические различия между отдельными кольцевыми орбитами.

Согласно представлению того времени, электроны располагались в положительно заряженной сфере словно изюминки в пироге, или кусочки фруктов в любимом англичанами десерте - сливовом пудинге. Поэтому концепцию еще называют «пудинговой» моделью атома.

Дилемма несоответствия

По мере накопления экспериментальных данных все отчетливее наблюдалось несоответствие данной теории. Томсон безуспешно пытался переделать свою модель, чтобы объяснить некоторые из основных спектральных линий, экспериментально выявленных для нескольких элементов.

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под кураторством профессора Эрнеста Резерфорда провели эксперименты с тонким листом золота, рассеивая альфа-частицы на золотой фольге. Данные оказались отличными от ожидаемых. В 1911 году Резерфорд после долгих размышлений опубликовал собственную концепцию, названную впоследствии моделью атома Резерфорда. Он предположил наличие очень маленького ядра с сильнейшим положительным зарядом в центре атомов золота, достаточного для удержания порядка ста электронов.

Дальнейшее развитие

Сразу после того, как Резерфорд опубликовал свои результаты, Антониус Ван ден Брук интуитивно предположил, что атомный номер элемента представляет собой общее количество единиц заряда, присутствующих в его ядре. Генри Мозли в 1913 году предоставил необходимые данные для доказательства предложения Ван ден Брука. Было обнаружено, что эффективный ядерный заряд соответствует атомному номеру.

Данная работа послужила базисом для создания Нильсом Бором полуклассической модели атомов в 1913 году. Она напоминает взаимодействие светила и планет в Солнечной системе, но только с квантовыми ограничениями.

Значение для науки

Модель атома Томсона послужила толчком для стремительного развития ядерной физики. Концепция «сливового пудинга» с одним электроном использовалась физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки численного значения постоянной Планка и боровского радиуса атомов водорода. Работа Хааса была опубликована за три года до выводов Нильса Бора. Следует отметить, что боровская модель обеспечивает достаточно точные прогнозы для атомных и ионных систем, имеющих один эффективный электрон.

Кроме того, теория «пудинга» позволяет определить оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемой проблемой Томсона. Кстати, физическая система, воплощенная в проблеме Томсона, является частным случаем одной из восемнадцати нерешенных математических задач, предложенных математиком Стивом Смейлом - «Распределение точек на двумерной сфере».

Проблема Томсона является естественным следствием модели «пучкового пудинга» в отсутствие равномерного положительного фонового заряда. Электростатическое взаимодействие электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками, также аналогично их обработке в атомной модели Томсона. В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простая диэлектрическая сфера (вместо однородной, положительно заряженной сферы, как в модели «пучкового пудинга»), в которой находятся свободные или избыточные электроны.