Модели атома

Модель атома Дж. Дальтона (1805г.): атомы элемента представлялись одинаковыми шарообразными частицами.

Дж.Томсон в 1904г. предложил модель атома, представляющую атом шарообразной частицей, заряженной положительным электричеством, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны (модель пудинга).

В конце XIX и начале XX веков появились экспериментальные доказательства сложной структуры атома:

электролиз – разложение вещества под действием электрического тока (изучил английский физик и химик М. Фарадей);

фотоэффект – явление, когда свет, падающий на металлическую поверхность, высвобождает из неё электроны* (открыт независимо русским физиком А.Г. Столетовым и немецким физиком Г. Герцем);

катодные лучи – поток отрицательно заряженных частиц – электронов, в вакуумированной трубке, содержащей катод и анод (изучил английский физик Дж. Дж. Томсон);

рентгеновские лучи – электромагнитное излучение, подобное видимому свету, но с гораздо более высокой частотой, испускаемое веществами при сильном воздействии на них катодных лучей (открыты в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном);

радиоактивность** – явление самопроизвольного (спонтанного) превра­щения неустойчивых ядер атомов одного элемента в атомы других элементов с испусканием элементарных частиц и электромагнитным излучением (обнаружена в 1896г французским физиком А. Беккерелем).

Таким образом было установлено, что атомы состоят из отрицательно и положительно заряженных частиц, сильно взаимодействующих между собой. Возник вопрос, как же устроен атом ?

Э.Резерфорд (выходец из Новой Зеландии, сотрудник Кавендишской лаборатории в Англии), обобщая экспериментальные данные, в 1911г. пред­ложил «планетарную» модель строения атома, согласно которой ~ 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком ядре, а отрицательно заряженные электроны, число которых определяется зарядом ядра, вращаются вокруг ядра, подобно планетам в Солнечной системе.

Внешний предел движения электронов определяет размеры атома, которые составляют весьма малые величины – по­рядка 100 пм**, а диаметр ядра, если считать его шарообразным, – порядка 10^–3 – 10^–2 пм, то есть ядро приблизительно в 10 – 100 тысяч раз меньше самого атома и занимает примерно 1/10¹⁵ часть его объёма.

Если для наглядности представить ядро атома увеличенным до 1 мм (размер булавочной головки), то атом в этом случае увеличится до 100 м (размер футбольного поля). В то же время вся масса атома фактически сосредоточена в его ядре. Если бы можно было собрать 1 см³ атомных ядер, то их масса оказалась бы равной приблизительно 116 млн. т ! Трудно даже представить себе, насколько высока плотность ядерного вещества.

В 1913 г. модель атома Резерфорда дополнил датский физик Н. Бор, предположив, что электроны в атоме обладают определённой энергией и без её потери могут двигаться вокруг атомного ядра только по определённым стационарным орбитам.

Планетарная модель, благодаря своей наглядности и постулатам о скачкообразном (дискретном*) изменении энергии в атоме, сфор­мулированным Бором, и усовершенствованная в 1916 г. немецким физиком Зоммерфельдом, указавшим на движение электронов по эллиптическим орбитам, долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме и устойчивость атомной систе­мы, в отличие от устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­сать законами классической механики. Для описания состояния атома необходимо применять законы квантовой (волновой) механики**, которым подчиняется микромир, и которые сформулировали в 1920-е годы физики-теоретики: француз Л. де Бройль, немцы В. Гейзенберг и Э. Шрёдингер, англичанин П. Дирак.

Перечисленные в этом разделе открытия легли в основу современной атомистики – учения о строении и свойствах атома. Именно оно во многом и определило особенности развития химии в XX столетии.