Теория атома

редактировать
Модель для понимания элементарных частиц

Текущая теоретическая модель атома включает плотное ядро, окруженное вероятностным «облаком» электроны

Атомная теория - это научная теория, согласно которой материя состоит из частиц, называемых атомами. Атомная теория берет свое начало в древней философской традиции, известной как атомизм. Согласно этой идее, если взять кусок материи и разрезать его на все более мелкие части, он в конечном итоге достигнет точки, когда части нельзя будет разрезать на что-либо меньшее. Древнегреческие философы называли эти гипотетические конечные частицы материи атомом, что означало «неразрезанный».

В начале 1800-х годов ученый Джон Далтон заметил, что химические вещества, похоже, объединяются и распадаются на другие вещества по весу в пропорциях, которые предполагают, что каждый химический элемент в конечном итоге состоит из крошечных неделимых частиц постоянного веса. Вскоре после 1850 года некоторые физики разработали кинетическую теорию газов и тепла, которая математически моделировала поведение газов, предполагая, что они состоят из частиц. В начале 20-го века Альберт Эйнштейн и Жан Перрен доказали, что броуновское движение (беспорядочное движение пыльцевых зерен в воде) вызвано действием воды. молекулы ; Эта третья линия доказательств заглушила оставшиеся у ученых сомнения в том, были ли атомы и молекулы реальными. На протяжении девятнадцатого века некоторые ученые предупреждали, что доказательства существования атомов являются косвенными, и поэтому атомы на самом деле могут не быть реальными, а только кажутся реальными.

К началу 20 века ученые разработали довольно подробные и точные модели структуры материи, что привело к более строгой классификации крошечных невидимых частиц, составляющих обычную материю. Атом теперь определяется как основная частица, составляющая химический элемент. Примерно на рубеже 20-го века физики обнаружили, что частицы, которые химики назвали «атомами», на самом деле представляют собой скопления еще более мелких частиц (субатомных частиц ), но ученые оставили это название вне условностей. Термин элементарная частица теперь используется для обозначения частиц, которые фактически неделимы.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Философский атомизм
    • 1.2 Джон Дальтон
    • 1.3 Авогадро
    • 1.4 Броуновское движение
    • 1.5 Открытие субатомных частиц
    • 1.6 Открытие ядра
    • 1.7 Первые шаги к квантовой физической модели атома
    • 1.8 Открытие изотопов
    • 1.9 Открытие ядерных частиц
    • 1.10 Квантовые физические модели атома
  • 2 См. Также
  • 3 Сноски
  • 4 Библиография
  • 5 Дополнительная литература
  • 6 Внешние ссылки

История

Философский атомизм

Идея о том, что материя состоит из дискретных единиц, является очень старой идеей, которая кажется во многих древних культурах, таких как Греция и Индия. Слово «атом» (греч. : ἄτομος ; atomos), означающее «неразрезанный», было придумано греческими философами-досократами Левкиппом и его ученик Демокрит (c.460– ок. 370 г. до н. Э.). Демокрит учил, что количество атомов бесконечно, они не сотворены и вечны, и что качества объекта являются результатом того типа атомов, из которых он состоит. Атомизм Демокрита был усовершенствован и развит более поздним греческим философом Эпикуром (341–270 до н.э.) и римским эпикурейским поэтом Лукрецием (c.99– ок. 55 г. до н.э.). В течение раннего средневековья об атомизме в основном забыли в Западной Европе. В XII веке атомизм снова стал известен в Западной Европе благодаря ссылкам на него в недавно открытых трудах Аристотеля.

В XIV веке повторное открытие основных работ, описывающих учения атомистов, в том числе De rerum natura Лукреция и Жизни и мнения выдающихся философов Диогена Лаэрция, привело к к повышенному вниманию ученых к этому вопросу. Тем не менее, поскольку атомизм был связан с философией эпикуреизма, которая противоречила ортодоксальным христианским учениям, вера в атомы не считалась приемлемой для большинства европейских философов. Французский католический священник Пьер Гассенди (1592–1655) возродил эпикурейский атомизм с модификациями, утверждая, что атомы были созданы Богом и, хотя их очень много, но они не бесконечны, и первый человек, который использовал термин «молекула» для обозначения описать совокупность атома. Модифицированная теория атомов Гассенди была популяризирована во Франции врачом Франсуа Бернье (1620–1688) и в Англии натурфилософом Уолтером Чарлтоном (1619–1707). Химик Роберт Бойль (1627–1691) и физик Исаак Ньютон (1642–1727) защищали атомизм, и к концу 17 века он стал частичным научного сообщества.

Джон Дальтон

Ближе к концу 18 века появились два закона о химических реакциях, не относящиеся к понятию атомной теории. Первым был закон сохранения массы, тесно связанный с работой Антуана Лавуазье, который утверждает, что общая масса в химической реакции остается постоянной (т. Е. Реагенты имеют такая же масса, как и изделия). Вторым был закон определенных пропорций. Этот закон, впервые установленный французским химиком Жозефом Прустом в 1797 году, гласит, что если соединение разбито на составляющие химические элементы, то массы составляющих всегда будут иметь одинаковые весовые пропорции, независимо от количество или источник исходного вещества.

Джон Далтон изучил и расширил эту предыдущую работу и защитил новую идею, позже известную как закон множественных пропорций : если одни и те же два элемента могут могут быть объединены с образованием ряда различных соединений, тогда отношения масс двух элементов в их различных соединениях будут представлены небольшими целыми числами. Это обычная картина химических реакций, которую наблюдали Дальтон и другие химики того времени.

Пример 1 - оксиды олова: Дальтон идентифицировал два оксида олова. Один - серый порошок, в котором на каждые 100 частей олова приходится 13,5 частей кислорода. Другой оксид представляет собой белый порошок, в котором на каждые 100 частей олова приходится 27 частей кислорода. 13,5 и 27 образуют соотношение 1: 2. Эти оксиды сегодня известны как оксид олова (II) (SnO) и оксид олова (IV) (SnO 2) соответственно.

Пример 2 - оксиды железа: Дальтон идентифицировал два оксида железа. Один из них - черный порошок, в котором на каждые 100 частей железа приходится около 28 частей кислорода. Другой - красный порошок, в котором на каждые 100 частей железа приходится 42 части кислорода. 28 и 42 образуют соотношение 2: 3. Эти оксиды сегодня известны как оксид железа (II) (более известный как вюстит) и оксид железа (III) (основной компонент ржавчины). Их формулы - FeO и Fe 2O3соответственно.

Пример 3 - оксиды азота: Существуют три оксида азота, в которых на каждые 140 г азота приходится 80 г, 160 г и 320 г кислорода соответственно, что дает соотношение 1: 2 : 4. Это закись азота (N2O), оксид азота (NO) и диоксид азота (NO 2) соответственно.

Этот повторяющийся образец предполагает, что химические вещества вступают в реакцию не в произвольных количествах, а в количествах, кратных некоторой базовой неделимой единице массы.

В своих трудах Дальтон использовал термин «атом» для обозначения основной частицы любого химического вещества, а не строго для элементов, как это принято сегодня. Дальтон не употреблял слова «молекула»; вместо этого он использовал термины «составной атом» и «элементарный атом».

Дальтон считал, что атомная теория может также объяснить, почему вода поглощает разные газы в разных пропорциях - например, он обнаружил, что вода поглощает углерод диоксид намного лучше, чем он поглощает азот. Дальтон предположил, что это произошло из-за различий в массе и сложности соответствующих частиц газов. Действительно, молекулы диоксида углерода (CO 2) тяжелее и крупнее молекул азота (N 2).

Дальтон предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов одного уникального типа, и, хотя они не могут быть изменены или уничтожены химическими средствами, они могут объединяться в более сложные структуры (химические соединения ). Это ознаменовало собой первую по-настоящему научную теорию атома, поскольку Дальтон пришел к своим выводам путем экспериментирования и изучения результатов эмпирическим путем.

Различные атомы и молекулы, изображенные в книге Джона Дальтона «Новая система химической философии» (1808).

В 1803 году Дальтон устно представил свой первый список относительных атомных масс для ряда веществ.. Эта статья была опубликована в 1805 году, но он не обсуждал там, как именно он получил эти цифры. Метод был впервые раскрыт в 1807 году его знакомым Томасом Томсоном в третьем издании учебника Томсона «Система химии». Наконец, Далтон опубликовал полный отчет в своем собственном учебнике «Новая система химической философии», 1808 и 1810 гг.

Дальтон оценил атомные веса в соответствии с массовыми соотношениями, в которых они сложились, с атомом водорода, взятым в качестве единство. Однако Дальтон не предполагал, что с некоторыми элементами атомы существуют в молекулах, например. чистый кислород существует как O 2. Он также ошибочно полагал, что простейшим соединением между любыми двумя элементами всегда является по одному атому каждого (поэтому он думал, что вода - это H2O, а не H 2 O). Это, в дополнение к грубости его оборудования, испортило его результаты. Например, в 1803 году он считал, что атомы кислорода в 5,5 раз тяжелее атомов водорода, поскольку в воде он измерял 5,5 граммов кислорода на каждый 1 грамм водорода и считал, что формула воды - HO. Принимая более точные данные, в 1806 году он пришел к выводу, что атомный вес кислорода должен быть равен 7, а не 5,5, и он сохранил этот вес до конца своей жизни. Другие в то время уже пришли к выводу, что атом кислорода должен весить 8 по отношению к водороду, равному 1, если принять формулу Дальтона для молекулы воды (HO), или 16, если принять современную формулу воды (H 2 O).

Авогадро

Ошибка в теории Далтона была исправлена ​​в 1811 году в принципе Амедео Авогадро. Авогадро предположил, что равные объемы любых двух газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул (другими словами, масса частиц газа не влияет на объем, который он занимает). Закон Авогадро позволил ему установить двухатомную природу многочисленных газов, изучив объемы, при которых они реагировали. Например: поскольку два литра водорода вступят в реакцию всего с одним литром кислорода с образованием двух литров водяного пара (при постоянном давлении и температуре), это означает, что одна молекула кислорода разделяется на две части, чтобы образовать две частицы воды. Таким образом, Авогадро смог предложить более точные оценки атомной массы кислорода и различных других элементов и провести четкое различие между молекулами и атомами.

Броуновское движение

В 1827 году британский ботаник Роберт Браун заметил, что частицы пыли внутри пыльцевых зерен, плавающих в воде, постоянно колеблются без видимой причины. В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что это броуновское движение было вызвано молекулами воды, непрерывно сотрясающими зерна, и разработал гипотетическую математическую модель для его описания. Эта модель была экспериментально подтверждена в 1908 году французским физиком Жаном Перреном, что дало дополнительное подтверждение теории частиц (и, соответственно, теории атома).

Открытие субатомных частиц

Катодные лучи (синие) испускались катодом, заострялись до луча через щели, а затем отклонялись, проходя между двумя наэлектризованными пластинами.

Считалось, что атомы как наименьшее возможное деление материи до 1897 г., когда Дж. Дж. Томсон открыл электрон в своей работе над катодными лучами.

A Трубка Крукса представляет собой герметичный стеклянный контейнер, в котором два электрода разделены вакуум. Когда на электроды подается напряжение напряжение, генерируются катодные лучи, создавая светящееся пятно на месте, где они ударяются о стекло на противоположном конце трубки. Путем экспериментов Томсон обнаружил, что лучи могут отклоняться электрическим полем (в дополнение к магнитным полям, которое уже было известно). Он пришел к выводу, что эти лучи, а не форма света, состоят из очень легких отрицательно заряженных частиц, которые он назвал «корпускулами » (позже другие ученые переименовали их в электроны). Он измерил отношение массы к заряду и обнаружил, что оно в 1800 раз меньше, чем у водорода, самого маленького атома. Эти корпускулы были частицами, не похожими ни на какие другие известные ранее.

Томсон предположил, что атомы делимы, и что корпускулы были их строительными блоками. Чтобы объяснить общий нейтральный заряд атома, он предположил, что корпускулы распределены в однородном море положительного заряда; это была модель сливового пудинга, поскольку электроны были погружены в положительный заряд, как изюм в сливовом пудинге (хотя в модели Томсона они не были стационарными).

Обнаружение ядра

Эксперимент Гейгера-Марсдена. Слева: Ожидаемые результаты: альфа-частицы проходят через модель атома из сливового пудинга с незначительным отклонением.. Справа: Наблюдается. результаты: небольшая часть частиц отклонялась концентрированным положительным зарядом ядра.

модель Томсона сливовый пудинг была опровергнута в 1909 году одним из его бывших учеников, Эрнестом Резерфордом, который обнаружил, что большая часть массы и положительного заряда атома сосредоточена в очень небольшой части его объема, который, как он предполагал, находится в самом центре.

Эрнест Резерфорд и его коллеги Ханс Гейгер и Эрнест Марсден усомнились в модели Томсона после того, как столкнулись с трудностями при попытке создать инструмент для измерения отношение заряда к массе альфа-частиц (это положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми радиоактивными веществами, такими как радий ). Альфа-частицы рассеивались воздухом в камере обнаружения, что делало измерения ненадежными. Томсон столкнулся с подобной проблемой в своей работе над катодными лучами, которую он решил, создав почти идеальный вакуум в своих инструментах. Резерфорд не думал, что столкнется с той же проблемой, потому что альфа-частицы намного тяжелее электронов. Согласно модели атома Томсона, положительный заряд в атоме недостаточно сконцентрирован для создания электрического поля, достаточно сильного, чтобы отклонить альфа-частицу, а электроны настолько легкие, что их должны легко отталкивать гораздо более тяжелые альфа-частицы. Тем не менее, рассеяние было, поэтому Резерфорд и его коллеги решили тщательно исследовать это рассеяние.

Между 1908 и 1913 годами Резерфорд и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкие фольги металла альфа-частицами. Они заметили альфа-частицы, отклоняющиеся на угол более 90 °. Чтобы объяснить это, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома не распределяется по объему атома, как полагал Томсон, а сосредоточен в крошечном ядре в центре. Только такая интенсивная концентрация заряда может создать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы отклонить наблюдаемые альфа-частицы.

Первые шаги к квантовой физической модели атома

Планетарная модель атома имел два существенных недостатка. Во-первых, в отличие от планет, вращающихся вокруг Солнца, электроны являются заряженными частицами. Известно, что ускоряющий электрический заряд излучает электромагнитные волны в соответствии с формулой Лармора в классическом электромагнетизме. Орбитальный заряд должен постоянно терять энергию и двигаться по спирали к ядру, сталкиваясь с ним за малую долю секунды. Вторая проблема заключалась в том, что модель планеты не могла объяснить наблюдаемые спектры излучения и поглощения атомов с высокими пиками.

Модель Бора атома

Квантовая теория произвела революцию в физике в начале 20-го века, когда Макс Планк и Альберт Эйнштейн постулировал, что световая энергия излучается или поглощается в дискретных количествах, известных как кванты (сингулярные, квантовые). В 1913 году Нильс Бор включил эту идею в свою модель Бора атома, в которой электрон мог вращаться вокруг ядра только по определенным круговым орбитам с фиксированным угловым моментом <211.>и энергия, причем расстояние от ядра (т.е. их радиусы) пропорционально его энергии. В соответствии с этой моделью электрон не может закручиваться в ядро ​​по спирали, потому что он не может непрерывно терять энергию; вместо этого он мог совершать только мгновенные «квантовые скачки » между фиксированными уровнями энергии. Когда это происходило, свет излучался или поглощался с частотой, пропорциональной изменению энергии (отсюда поглощение и излучение света в дискретных спектрах).

Модель Бора не была идеальной. Он мог только предсказать спектральные линии водорода ; он не мог предсказать таковые из многоэлектронных атомов. Что еще хуже, по мере совершенствования спектрографической технологии наблюдались дополнительные спектральные линии в водороде, которые модель Бора не могла объяснить. В 1916 году Арнольд Зоммерфельд добавил эллиптические орбиты к модели Бора, чтобы объяснить дополнительные эмиссионные линии, но это сделало модель очень сложной в использовании, и она все еще не могла объяснить более сложные атомы.

Открытие изотопов

Экспериментируя с продуктами радиоактивного распада, в 1913 году радиохимик Фредерик Содди обнаружил, что оказалось, что в каждой позиции периодической таблицы находится более одного элемента. Термин изотоп был придуман Маргарет Тодд как подходящее название для этих элементов.

В том же году Дж. Дж. Томсон провел эксперимент, в котором он направил поток ионов ионов через магнитное и электрическое поля, ударяя по фотопластинке на другом конце. Он заметил два светящихся пятна на пластине, что указывало на две разные траектории отклонения. Томсон пришел к выводу, что это произошло потому, что некоторые ионы неона имели другую массу. Природа этой различающейся массы позже будет объяснена открытием нейтронов в 1932 году.

Открытие ядерных частиц

В 1917 году Резерфорд подвергся бомбардировке азот газ с альфа-частицами и наблюдаемые ядра водорода, испускаемые из газа (Резерфорд распознал их, потому что он ранее получил их, бомбардируя водород альфа-частицами, и наблюдение ядер водорода в продуктах). Резерфорд пришел к выводу, что ядра водорода возникли из ядер самих атомов азота (фактически, он расщепил азот).

На основе его собственной работы и работ своих учеников Бора и Генри Мозли Резерфорд знал, что положительный заряд любого атома всегда можно приравнять к заряду целого числа ядер водорода. Это, в сочетании с атомной массой многих элементов, примерно эквивалентной целому числу атомов водорода, которые тогда считались легчайшими частицами, привело его к выводу, что ядра водорода были сингулярными. частицы и основная составляющая всех атомных ядер. Он назвал такие частицы протонами. Дальнейшие эксперименты Резерфорда показали, что ядерная масса большинства атомов превышает массу протонов, которыми они обладают; он предположил, что эта избыточная масса состоит из ранее неизвестных нейтрально заряженных частиц, которые были условно названы «нейтронами ».

В 1928 году Уолтер Боте заметил, что бериллий испускает высокопроникающее, электрически нейтральное излучение при бомбардировке альфа-частицами. Позже было обнаружено, что это излучение может выбивать атомы водорода из парафинового воска. Первоначально считалось, что это высокоэнергетическое гамма-излучение, поскольку гамма-излучение оказывает аналогичное влияние на электроны в металлах, но Джеймс Чедвик обнаружил, что эффект ионизации был слишком сильным, чтобы быть вызванным электромагнитным излучением, пока энергия и импульс сохранялись при взаимодействии. В 1932 году Чедвик подвергал различные элементы, такие как водород и азот, загадочному «излучению бериллия», и, измеряя энергии отскакивающих заряженных частиц, он пришел к выводу, что это излучение на самом деле состоит из электрически нейтральных частиц, которые не могут быть безмассовыми. как гамма-лучи, но вместо этого требовалось иметь массу, аналогичную массе протона. Чедвик теперь объявил эти частицы нейтронами Резерфорда. За открытие нейтрона Чедвик получил Нобелевскую премию в 1935 году.

Квантовые физические модели атома

Пять заполненных атомных орбиталей атома неона разделены и расположены в порядке увеличения энергии слева направо. справа, причем последние три орбитали равны по энергии. Каждая орбиталь содержит до двух электронов, которые, скорее всего, находятся в зонах, представленных цветными пузырьками. Каждый электрон в равной степени присутствует в обеих орбитальных зонах, показанных здесь цветом только для того, чтобы выделить различные фазы волны.

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что все движущиеся частицы, особенно субатомные частицы, такие как электроны, проявляют волнообразное поведение. Эрвин Шредингер, очарованный этой идеей, исследовал, можно ли лучше объяснить движение электрона в атоме как волну, а не как частицу. Уравнение Шредингера, опубликованное в 1926 году, описывает электрон как волновую функцию, а не как точечную частицу. Этот подход элегантно предсказал многие спектральные явления, которые модель Бора не смогла объяснить. Хотя эта концепция была удобна с математической точки зрения, ее трудно было визуализировать, и она встречала сопротивление. Один из его критиков, Макс Борн, предложил вместо этого, чтобы волновая функция Шредингера описывала не электрон, а, скорее, все его возможные состояния, и, таким образом, могла использоваться для расчета вероятности обнаружения электрона в любом заданном месте вокруг ядро. Это примирило две противоположные теории частиц и волновых электронов, и была введена идея дуальности волна-частица. Эта теория утверждала, что электрон может проявлять свойства как волны, так и частицы. Например, он может преломляться, как волна, и иметь массу, как частица.

Следствием описания электронов как форм волны является то, что математически невозможно одновременно определить положение и импульс электрона. Это стало известно как принцип неопределенности Гейзенберга после того, как физик-теоретик Вернер Гейзенберг впервые описал его и опубликовал в 1927 году. Это опровергло модель Бора с ее аккуратными, четко определенными круговыми орбитами.. Современная модель атома описывает положение электронов в атоме с точки зрения вероятностей. Электрон потенциально может быть обнаружен на любом расстоянии от ядра, но, в зависимости от его уровня энергии, он существует чаще в определенных областях вокруг ядра, чем в других; этот паттерн называется его атомной орбиталью. Орбитали бывают разных форм - сфера, гантель, тор и т. Д. - с ядром в середине.

См. также

  • icon Физический портал

Сноски

Библиография

  • Эндрю Г. ван Мелсен (1960) [Впервые опубликовано в 1952 году]. От атомоса к атому: история концепции атома. Перевод Генри Дж. Корена. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.
  • Дж. П. Миллингтон (1906). Джон Далтон. J. M. Dent Co. (Лондон); Э. П. Даттон и Ко (Нью-Йорк).
  • Жауме Наварро (2012). История электрона: Дж. Дж. И Дж. П. Томсон. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-00522-8.

Дополнительная литература

  • Бернард Пуллман (1998) Атом в истории человеческой мысли, пер. пользователя Axel Reisinger. Oxford Univ. Press.
  • Эрик Скерри (2007) Периодическая таблица, ее история и ее значение, Oxford University Press, Нью-Йорк.
  • Чарльз Адольф Вюрц (1881) Теория атома, Д. Эпплтон и Company, Нью-Йорк.
  • (1984) Химический атомизм в девятнадцатом веке: от Далтона до Канниццаро, Ohio State University Press, Columbus (полный текст в открытом доступе на http://digital.case.edu / islandora / object / ksl% 3Ax633gj985 ).

Внешние ссылки

Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Атомной теорией
Последняя правка сделана 2021-06-12 16:26:33
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте