logo
ксе(с 1 по 20)

3.4.4. Создание атомно-молекулярной концепции

Сегодня известно более сотни элементов, однако элементы от 102 по 109 – крайне неустойчивы: период их полураспада измеряется сотыми и тысячными долями секунды. Известны многие сотни тысяч чистых веществ, построенных из стабильных элементов. Существуют тысячи минералов, десятки тысяч неорганических и, особенно, органических соединений, неисчислимое количество сплавов.

Все разнообразие веществ возникает из сложного, но повторяющегося сочетания мельчайших составных частиц – атомов.

К концу XIX века стало известно, что существуют положительные и отрицательные заряды, из которых построено вещество. Минимальная «порция» вещества – атом. Следовательно, и атом должен состоять из положительных и отрицательных зарядов и, по существующим на тот момент представлениям, быть неделимым.

К 1914 г. были открыты отрицательные и положитель­ные частицы: отрицательная – электрон – в конце XIX в., положительная – позже, и в 1920 г. английский ученый Э. Резерфорд назвал ее протоном. В 1932 г. английский уче­ный Д. Чедвик открыл частицу с такой же мас­сой, как у протона, но не несущую электрического заряда. Ее назвали нейтроном. В. Гейзенберг сразу же после откры­тия нейтрона предположил, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой протонно-нейтронные комбинации.

Тогда существовала простейшая модель атома – модель желе (пудинга с изюмом), в котором смешаны положительные и отрицательные заряды, и разделить их нельзя (модель Томсона, 1904 год).

Решающий эксперимент по проверке этой модели был проделан в 1910 году английским физиком Э. Резерфордом (см. 1.5.5) и его сотрудниками, среди которых был Х. Гейгер (1882–1945), немецкий физик-эксперимен­татор, работающий в области атомной и ядерной физики, космических лучей, создатель прибора (совместно с Э. Резерфордом) для регистрации заряженных частиц (счетчик Гейгера). Э. Резерфорд с 1906 г. бомбардировал альфа-частицами тонкие листочки металла. На основании того, что большин­ство альфа-частиц беспрепятственно проходили через пла­стинки, а некоторые резко отклонялись, он создал теорию строения атома, в соответствии с которой атом имеет не­большое плотное ядро и электронные оболочки, занима­ющие основную часть объема атома. Немецкий ученый М. Лауэ (1879-1960), занимающийся в области атомной физики, сверхпроводимости и теории относительности, в 1909 г., бомбардируя рентгеновски­ми лучами кристаллы, установил, что они состоят из ато­мов, образующих кристаллическую решетку. Лауреат Нобелевской премии 1914 г.

Возникающие при радиоактивном распаде -частицы (ядра гелия, имеющие положительный заряд) направляли на тонкую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их движения после прохождения через металл. Если верна модель «желе», то -частицы не должны отклоняться от первоначального направления. Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то -частицы должны были бы по-разному отклоняться неоднородностями электрического заряда.

Было обнаружено совершенно неожиданное явление: некоторые -частицы отклонялись от первоначального направления настолько сильно, что почти возвращались к источнику.

Э. Резерфорд вспоминал свою первую реакцию на эти результаты: «...Я помню... ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: «Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния -частиц назад». Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись, попал бы в вас».

Тогда у Резерфорда и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд.

Атом состоит не из смеси положительно и отрицательно размазанных по объему частиц, а из массивного положительного заряда – ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, значительно более легкими, чем ядро. Исследования в электролитах привели к развитию физико-химического атомизма и созданию физической химии, в газах – к открытию электрона. Заряды могут перемещаться в веществе. За проводимость металлов ответственны электроны. Еще в древней Греции было замечено, что если потереть янтарь (греч. electron) кусочком ткани, то он приобретает свойство притягивать шерстинки.

Именно поэтому в 1891 году для обозначения единицы минимального количества электричества был введен термин «электрон». Элементарная частица, называемая сегодня электроном, была открыта Дж. Томсоном в 1897 году.

Основываясь на этих исследованиях, в 1911 году Резерфорд предложил новую, «планетарную» модель, уподоблявшую атом Солнечной системе. В центре находится маленькое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома, а вокруг ядра – электроны, число которых равно положительному заряду ядра, выраженного в электронных зарядах (рис. 28).

Рис. 28. Модель атома углерода

(по Дубнищевой Т.Я., 2005)

Таким образом, структура атома была расшифрована, удалось качественную разницу между атомами свести к количественной:

Сведение качественных различий между атомами к количественным представляет собой огромный шаг вперед. Стала понятна структура периодического закона Менделеева, принципы систематизации атомов.

Однако каждое открытие ставит новые, более сложные вопросы:

1) почему бром с 35 электронами – коричневая жидкость, легко образующая химические соединения;

2) криптон с 36 электронами благородный газ, практически не вступающий в химические соединения;

3) рубидий с 37 электронами – металл, химически очень активный;

4) почему один лишний электрон приводит к столь резкому изменению свойств элемента?

Есть и другие вопросы. Если электрон испускает свет, то есть теряет свою энергию, радиус его орбиты должен уменьшаться и, в конце концов, электрон должен упасть на ядро, чего на самом деле не происходит. И при этом сохраняются и частота излучения и размер атома.

Свойства атомных систем, которые не способна описать модель Резерфорда.

  1. Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

  2. Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, свойства.

  3. Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давления, соседства других атомов и т. п.), то после устранения причины искажения атом и электронные орбиты вновь приобретут исходную форму.

Эти противоречия показывают, что планетарная модель так же, как и ее предшественники, – только некое приближение к действительному строению атома.

Опыты доказали, что атом, как планетарная система, не может обладать всеми перечисленными свойствами. То есть модель – приближенна. Нужен новый взгляд на природу атома.