2.3. Электронная (атомно-молекулярная) теория

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества. Вещество не заполняет целиком занимаемое им пространство, оно состоит из отдельных находящихся на очень малом расстоянии друг от друга частиц, называемых молекулами. Каждая молекула, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц - атомов. Число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов (С.И. Самыгин, 1997).

Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединяться, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные - молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молекулы при любой химической реакции - изменяются.

С открытием радиоактивности в самом конце XIX века представление о неделимости атома изменилось. Было доказано, что атомы веществ имеют сложное строение и что все химические изменения вызываются преимущественно действием электрических сил. Атомы всех элементов являются системами, образующимися из так называемых элементарных частиц - протонов, электронов, нейтронов. Атомы одного и того же элемента имеют ядро, содержащее одинаковое число протонов. Атомы разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.

Согласно электронной теории строения вещества атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы обращаются электроотрицательно заряженные электроны («электронная оболочка»), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным - заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, т.е. число электронов оболочки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным энергетически уравновешенным орбитам.

Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зрения, изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Изотопы применяют в ядерной технике как конструкционный материал, в качестве ядерного горючего, в термоядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко используются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т.д.

Учение о строении атома сыграло и играет колоссальную роль в химии и физике XX века. На основе атомной модели вскрыты глубинные принципы периодического изменения свойств химических элементов и развита теория периодической системы Д.И. Менделеева. Решающее значение здесь имело установление закономерностей формирования электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заряда атомного ядра. Другой важной количественной характеристикой атома является его масса. Атомная масса - относительная величина. В качестве единицы атомной массы используют ¹/₁₂ часть массы природного углерода. Третьей важной количественной характеристикой является радиус орбит электронов от ядра до максимальной плотности электронов на отдельных орбитах атома. Все эти характеристики являются основой теоретических и практических расчетов в химии.

Многообразие и единство элементарных частиц

Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц (табл. 2.3.1). Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10^-12 - 10^-13 см). Минимальное время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10 ^–26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми – даже тяжелее отдельных атомов (Солопов, 1998).

Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства, как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия – сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.

Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 10¹⁰ - 10¹¹ раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10^-15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 100-1000 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого намного порядков ниже слабого взаимодействия.

Даже слабое взаимодействие намного порядков превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 10⁴² раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной.

Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 10^-32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается «просматривать» расстояния, близкие к 10^-16 см.

Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобразными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитационное - гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой, возможно бесконечный радиус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, остальные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание одноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие переносят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно легким частицам - лептонам (электронам, позитронам и т.п.).

В настоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков - частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их считают «самьми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы - адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц - это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом, хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами - зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантово-физическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк».

Таким образом, список адронов – тяжелых частиц, характеризующихся сильным взаимодействием - состоит из трех частицам: кварка, антикварка и связывающего их глюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц - пептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.), – которым соответствует слабое взаимодействие. Известен также фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

Многообразие микромира (табл. 4.3.1) предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. Особенно важно превращение «пары» – частицы и античастицы – в частицы другого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля – фотоны и обратный процесс «порождения» электрона и позитрона из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.

В 1871 году Д.И.Менделеев дал классическую формулировку своего периодического закона. Свойства элементов, образуемых ими простых и сложных тел, состоят в периодической зависимости от их атомного веса.

Изучение радиоактивных элементов дало возможность найти ответ: что же является основой периодического закона. После того как было доказано, что заряд атома численно равен порядковому номеру, соответствующего элемента в периодической системе, закон Менделеева получил физическое обоснование, т.к. химические свойства элемента находятся в зависимости от заряда ядер их атома.

Ядро атомов состоит из положительно заряженных протонов, и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов атомов равно числу протонов в ядре. Это и есть атомный номер химического элемента, его порядковый номер в периодической системе Менделеева.

Вместе с тем, следует отметить, что значение атомной массы нисколько не уменьшилось, а возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в настоящее время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии.

Сходство элементов определяется одинаковым строением наружного слоя электронной оболочки атома. Масса атома сосредоточена в ядре. Движущейся вокруг атомного ядра электрон порождает магнитное поле. Магнитное поле различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома.

Периодический закон Менделеева воплотил в себе многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в иерархии природных систем.

Таблица 2.3.1

Стабильные по сильному взаимодействию частицы

Вывод из этого закона один: все химические и физические свойства вещества определяются строением атома:

-радиоактивность зависит от природы и строения атомного ядра;

-оптические свойства элементов – от строения электронной оболочки атома, совокупности всех его элементов.

Таким образом, периодический закон является всеобщим законом природы.