stringtranslate.com

Атомная теория

Текущая теоретическая модель атома предполагает плотное ядро, окруженное вероятностным «облаком» электронов.

Атомная теория — это научная теория , согласно которой материя состоит из частиц, называемых атомами . Идея о том, что материя состоит из дискретных частиц, — древняя идея, но она получила научное признание в XVIII и XIX веках, когда ученые обнаружили, что она может объяснить поведение газов и то, как химические элементы реагируют друг с другом. К концу XIX века атомная теория получила широкое признание в научном сообществе.

Термин «атом» происходит от греческого слова « atomos» , что означает «неразрезаемый». Джон Дальтон применил этот термин к основным единицам массы химических элементов, ошибочно полагая, что химические атомы являются фундаментальными частицами в природе; Прошло еще столетие, прежде чем ученые поняли, что так называемые атомы Дальтона имеют собственную структуру. Частицы, которые действительно неделимы, теперь называются «элементарными частицами».

История

Философский атомизм

Основная идея о том, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц, — это старая идея, появившаяся во многих древних культурах. Слово « атом» происходит от древнегреческого слова «атомос» , [а] , что означает «неразрезаемый». Эта древняя идея была основана на философских рассуждениях, а не на научных рассуждениях. Современная теория атома не основана на этих старых концепциях. [1] [2] В начале 19 века учёный Джон Дальтон заметил, что химические вещества, по-видимому, объединяются друг с другом в дискретных и последовательных единицах веса, и он решил использовать слово « атом» для обозначения этих единиц. [3]

Закон кратных пропорций Дальтона

Из «Новой системы химической философии» (Джон Далтон, 1808 г.).

Ближе к концу XVIII века появились два закона химических реакций, не относящиеся к понятию атомной теории. Первым был закон сохранения массы , тесно связанный с работами Антуана Лавуазье , который утверждает, что общая масса в химической реакции остается постоянной (то есть реагенты имеют ту же массу, что и продукты). [4] Вторым был закон определенных пропорций . Этот закон , впервые установленный французским химиком Жозефом Прустом в 1797 году, гласит, что если соединение разложить на составляющие его химические элементы, то массы составляющих всегда будут иметь одинаковые весовые пропорции, независимо от количества или источника исходного вещества. вещество. [5]

Джон Далтон изучил данные, собранные им самим и другими учеными, и заметил закономерность, которая позже стала известна как закон множественных пропорций . В соединениях, которые содержат два конкретных элемента, количество элемента A на единицу элемента B будет различаться в этих соединениях в соотношении небольших целых чисел. Это предполагало, что элементы реагируют друг с другом дискретными единицами веса.

В 1804 году Дальтон объяснил свою атомную теорию своему другу и коллеге-химику Томасу Томсону , который опубликовал объяснение теории Дальтона в своей книге « Система химии» в 1807 году. По словам Томсона, идея Дальтона впервые пришла ему в голову во время экспериментов с «олефиантным газом». ( этилен ) и «карбюраторный водород» ( метан ). Дальтон обнаружил, что «карбюраторный газообразный водород» содержит в два раза больше водорода на единицу углерода, чем «олефиантный газ», и пришел к выводу, что молекула «карбюраторного газообразного водорода» состоит из одного атома углерода и одного атома водорода, а молекула «карбюраторного газообразного водорода» "-один атом углерода и два атома водорода. В действительности молекула этилена имеет два атома углерода и четыре атома водорода (C 2 H 4 ), а молекула метана – один атом углерода и четыре атома водорода (CH 4 ). [6] В данном конкретном случае Дальтон ошибся относительно точного состава молекул. Тем не менее, Дальтон заметил закономерность в небольших целочисленных соотношениях, возникающую во многих других соединениях, и правильно понял некоторые из их формул. Следующие примеры взяты из «Новой системы химической философии» (Дальтон, 1808, 1817):

Пример 1 — оксиды олова: Дальтон выделил два типа оксида олова . Один из них представляет собой серый порошок, который Дальтон назвал «закисью олова», который на 88,1% состоит из олова и на 11,9% из кислорода. Другой представляет собой белый порошок, который Дальтон назвал «деоксидом олова», который состоит из 78,7% олова и 21,3% кислорода. Поправляя эти цифры, в сером порошке на каждые 100 г олова приходится около 13,5 г кислорода, а в белом порошке — около 27 г кислорода на каждые 100 г олова. 13,5 и 27 образуют соотношение 1:2. Эти соединения сегодня известны: оксид олова(II) (SnO) и диоксид олова (SnO 2 ). [7] [8] В номенклатуре Дальтона «прооксид» — это молекула, содержащая один атом кислорода, а молекула «дейоксид» — два.

Пример 2 — оксиды железа: Дальтон идентифицировал два оксида железа. Существует один тип оксида железа, представляющий собой черный порошок, который Дальтон назвал «прооксидом железа», который состоит из 78,1% железа и 21,9% кислорода. Другой оксид железа представляет собой красный порошок, который Дальтон назвал «промежуточным или красным оксидом железа», который состоит из 70,4% железа и 29,6% кислорода. Поправляя эти цифры, в черном порохе на каждые 100 г железа приходится около 28 г кислорода, а в красном порохе — около 42 г кислорода на каждые 100 г железа. 28 и 42 образуют соотношение 2:3. Этими соединениями являются оксид железа(II) (Fe 2 O 2 ) и оксид железа(III) (Fe 2 O 3 ). [b] [9] [10] Дальтон называл красный оксид «промежуточным» оксидом, потому что на каждый атом железа у него было полтора атома кислорода, что помещало его посередине между «закисью» и «деуоксидом». Дальтон описал «промежуточный оксид» как «2 атома прооксида и 1 атома кислорода». [11] На самом деле эти оксиды представляют собой кристаллы (именно поэтому формулу оксида железа(II) можно альтернативно записать здесь как Fe 2 O 2 вместо более традиционного FeO).

Пример 3 — оксиды азота: Дальтону были известны три оксида азота: «закись азота», «азотистый газ» и «азотная кислота». [12] Эти соединения известны сегодня как закись азота , оксид азота и диоксид азота соответственно. «Закись азота» состоит из 63,3% азота и 36,7% кислорода, что означает, что на каждые 140 г азота приходится 80 г кислорода. «Азотистый газ» состоит из 44,05% азота и 55,95% кислорода, что означает, что на каждые 140 г азота приходится 160 г кислорода. «Азотная кислота» состоит из 29,5% азота и 70,5% кислорода, что означает, что на каждые 140 г азота приходится 320 г кислорода. 80 г, 160 г и 320 г составляют соотношение 1:2:4. Формулы этих соединений: N 2 O, NO и NO 2 . [13] [14]

Дальтон определил атом как «первичную частицу» химического вещества и использовал термин «сложный атом» для обозначения «конечных частиц», которые содержат два или более элементов. Это противоречит современному определению, согласно которому атом — это основная частица химического элемента, а молекула — это скопление атомов. Термин «составной атом» сбивал с толку некоторых современников Дальтона, поскольку слово «атом» подразумевает неделимость, но он ответил, что если атом углекислого газа разделить, он перестанет быть углекислым газом. «Атом» углекислого газа неделим в том смысле, что его нельзя разделить на более мелкие частицы углекислого газа. [15] [16]

Дальтон сделал следующие предположения о том, как «элементарные атомы» объединялись, образуя «сложные атомы» (то, что мы сегодня называем молекулами ). Когда два элемента могут образовывать только одно соединение, он предположил, что это один атом каждого, который он назвал «бинарным соединением». Если два элемента могут образовывать два соединения, первое соединение является бинарным соединением, а второе — «тройным соединением», состоящим из одного атома первого элемента и двух атомов второго. Если два элемента могут образовывать между собой три соединения, то третье соединение представляет собой «четвертичное» соединение, содержащее один атом первого элемента и три атома второго. [17] Дальтон считал, что вода представляет собой «бинарное соединение», то есть один атом водорода и один атом кислорода. Дальтон не знал, что в естественном газообразном состоянии первичные частицы кислорода, азота и водорода существуют парами (O 2 , N 2 и H 2 ). Он также не знал о валентностях. Эти свойства атомов были открыты позднее, в XIX веке.

Поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было непосредственно взвесить методами XIX века, Дальтон вместо этого выразил вес множества атомов как кратный атомному весу водорода, который, как знал Дальтон, был самым легким элементом. Он измерил, что атомы кислорода в 7 раз тяжелее атомов водорода, но истинное значение на самом деле равно 16. Помимо грубости методов измерения начала 19 века, основная причина этой ошибки заключалась в том, что Дальтон считал, что молекула воды имеет один атом кислорода. и один атом водорода, хотя на самом деле он имеет два атома водорода. Эту ошибку исправил в 1811 году Амедео Авогадро . Авогадро предположил, что равные объемы любых двух газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул (другими словами, масса частиц газа не влияет на объем, который он занимает). [18] Гипотеза Авогадро, теперь обычно называемая законом Авогадро , предоставила метод для определения относительных весов молекул газообразных элементов, поскольку, если гипотеза верна, относительные плотности газов непосредственно указывают на относительные веса частиц, из которых состоят газы. Такой образ мышления непосредственно привел ко второй гипотезе: частицы некоторых элементарных газов представляли собой пары атомов, и при химической реакции эти молекулы часто расщеплялись надвое. Например, тот факт, что два литра водорода вступят в реакцию всего с одним литром кислорода с образованием двух литров водяного пара (при постоянном давлении и температуре), предполагает, что одна молекула кислорода должна расщепиться на две части, чтобы образовать две молекулы воды. . Это, в свою очередь, означало, что молекула воды должна представлять собой H 2 O. Таким образом, Авогадро смог предложить более точные оценки атомного веса кислорода и различных других элементов. [19]

Оппозиция атомной теории

Атомная теория Дальтона не сразу была принята всеми учеными. Закон кратных пропорций сам по себе не был полным доказательством, и только в конце XIX века атомная теория получила всеобщее признание.

Одной из проблем было отсутствие единой номенклатуры. Слово «атом» подразумевало неделимость, но Дальтон определял атом как конечную частицу любого химического вещества , а не только элементов или даже материи как таковой. Это означало, что «сложные атомы», такие как углекислый газ, можно было разделить, в отличие от «элементарных атомов». Дальтон не любил слово «молекула», считая его «уменьшительным». [20] [21] Амадео Авогадро поступал наоборот: в своих трудах он использовал исключительно слово «молекула», избегая слова «атом», вместо этого используя термин «элементарная молекула». [22] Дж. Дж. Берцелиус использовал термин «органические атомы» для обозначения частиц, содержащих три или более элементов, поскольку он считал, что они существуют только в органических соединениях. Жан-Батист Дюма использовал термины «физические атомы» и «химические атомы»; «физический атом» — это частица, которую нельзя разделить физическими силами, а «химический атом» — это частица, которую нельзя разделить химическими реакциями. Молекулы газообразного водорода (H 2 ) не могут быть разделены на отдельные атомы водорода путем изменения температуры или давления газа, но когда водород смешивается с хлором (Cl 2 ), молекулы водорода и хлора расщепляются так, что их атомы могут объединяться в молекулы хлористого водорода (HCl) — поэтому частицы газообразного водорода являются «физическими атомами», а не «химическими атомами». [23]

Современные определения атома и молекулы — атом — основная частица элемента, а молекула — совокупность атомов — сложились во второй половине XIX века. Ключевым событием стал Конгресс Карлсруэ в Германии в 1860 году. Это был первый международный конгресс химиков, целью которого было установление некоторых стандартов в обществе. Основным сторонником современного различия между атомами и молекулами был Станислао Канниццаро . [24]

Различные количества того или иного элемента, участвующие в составе различных молекул, являются целыми кратными фундаментальной величины, которая всегда проявляется как неделимая сущность и которую следует правильно назвать атомом.

-  Станислао Канниццаро , 1860 г.

Вторая проблема была философской. Учёные XIX века не имели возможности непосредственно наблюдать атомы. Они пришли к выводу о существовании атомов посредством косвенных наблюдений, таких как закон множественных пропорций Дальтона. Некоторые ученые, особенно те, кто принадлежал к школе позитивизма , утверждали, что ученые не должны пытаться вывести более глубокую реальность Вселенной, а только систематизировать те закономерности, которые они могут непосредственно наблюдать. Антиатомисты утверждали, что, хотя атомы могут быть полезной абстракцией для предсказания реакции элементов, они не отражают конкретную реальность.

Таких ученых иногда называли «эквивалентистами», поскольку они предпочитали теорию эквивалентных весов , которая является обобщением закона Пруста об определенных пропорциях. Например, 1 грамм водорода соединится с 8 граммами кислорода с образованием 9 граммов воды, следовательно, эквивалентный вес кислорода равен 8 граммам. Эта позиция была в конечном итоге опровергнута двумя важными достижениями, произошедшими позднее в XIX веке: разработкой таблицы Менделеева и открытием того, что молекулы имеют внутреннюю архитектуру, определяющую их свойства. [25]

Также было показано, что закон множественных пропорций Дальтона не является универсальным законом, когда дело касается органических веществ. Например, в олеиновой кислоте на каждые 216 г углерода приходится 34 г водорода, а на каждые 216 г углерода — 72 г водорода. 34 и 72 образуют соотношение 17:36, которое не является соотношением маленьких целых чисел. Теперь мы знаем, что вещества на основе углерода могут иметь очень большие молекулы, большие, чем любые другие элементы. Формула олеиновой кислоты — C 18 H 34 O 2 , а метана — CH 4 . [26]

Изомерия

Ученые обнаружили, что некоторые вещества имеют одинаковый химический состав, но разные свойства. Например, в 1827 году Фридрих Вёлер обнаружил, что гремучее серебро и цианат серебра состоят из 107 частей серебра, 12 частей углерода, 14 частей азота и 12 частей кислорода (теперь мы знаем их формулы как AgCNO). В 1830 году Йенс Якоб Берцелиус ввел для описания этого явления термин изомерия . В 1860 году Луи Пастер выдвинул гипотезу, что молекулы изомеров могут иметь один и тот же набор атомов, но в разном расположении. [27]

В 1874 году Якобус Хенрикус ван 'т Хофф предположил, что атом углерода связан с другими атомами в тетраэдрическом расположении. Основываясь на этом, он объяснил структуру органических молекул таким образом, что мог предсказать, сколько изомеров может иметь соединение. Рассмотрим, например, пентан (C 5 H 12 ). В методе моделирования молекул Ван 'т Хоффа существуют три возможные конфигурации пентана, и ученые все же открыли три и только три изомера пентана. [28] [29]

Метод моделирования молекулярных структур Якобуса Хенрикуса ван 'т Хоффа правильно предсказал три возможных изомера пентана (C 5 H 12 ).

Изомерию нельзя было полностью объяснить с помощью теорий, альтернативных теории атома, таких как радикальная теория и теория типов. [30] [31]

периодическая таблица Менделеева

Дмитрий Менделеев заметил, что, когда он располагал элементы в ряд по их атомному весу, в них наблюдалась определенная периодичность. [32] : 117  Например, второй элемент, литий , имел сходные свойства с девятым элементом, натрием , и шестнадцатым элементом, калием — период семь. Точно так же бериллий , магний и кальций были похожи и все они находились на семи позициях друг от друга в таблице Менделеева. Используя эти закономерности, Менделеев предсказал существование и свойства новых элементов, которые позже были открыты в природе: скандия , галлия и германия . [32] : 118  Более того, таблица Менделеева могла бы предсказать, со сколькими атомами других элементов может связаться атом — например, германий и углерод находятся в одной группе в таблице , и их атомы оба соединяются с двумя атомами кислорода каждый (GeO 2 и СО 2 ). Менделеев обнаружил, что эти закономерности подтверждают теорию атома, поскольку они показывают, что элементы можно классифицировать по их атомному весу. Вставка нового элемента в середину периода нарушит параллель между этим периодом и следующим, а также нарушит закон множественных пропорций Дальтона. [33]

Таблица Менделеева 1871 года.

В современной таблице Менделеева периодичность упомянутых выше элементов равна восьми, а не семи, потому что благородные газы не были известны тогда, когда Менделеев разработал свою таблицу. Строки также теперь имеют разную длину (2, 8, 18 и 32), чтобы соответствовать квантовой теории.

Броуновское движение

В 1827 году британский ботаник Роберт Браун заметил, что частицы пыли внутри пыльцевых зерен, плавающих в воде, постоянно покачиваются без видимой причины. В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что это броуновское движение вызвано тем, что молекулы воды постоянно сбивают зерна, и разработал математическую модель для его описания. Эта модель была экспериментально подтверждена в 1908 году французским физиком Жаном Перреном , который использовал уравнения Эйнштейна для измерения размера атомов. [34]

Статистическая механика

Чтобы ввести закон идеального газа и статистические формы физики, необходимо было постулировать существование атомов. В 1738 году швейцарский физик и математик Даниэль Бернулли предположил, что давление газов и тепло вызваны основным движением молекул.

В 1860 году Джеймс Клерк Максвелл , ярый сторонник атомизма, первым применил статистическую механику в физике. [36] Людвиг Больцман и Рудольф Клаузиус расширили свои работы по газам и законам термодинамики , особенно второму закону, касающемуся энтропии. В 1870-х годах Джозайя Уиллард Гиббс расширил законы энтропии и термодинамики и ввёл термин «статистическая механика». Позже Эйнштейн независимо заново изобрел законы Гиббса, поскольку они были напечатаны только в малоизвестном американском журнале. [37] Позже Эйнштейн заметил, что если бы он знал о работе Гиббса, он бы «вообще не опубликовал эти статьи, а ограничился бы рассмотрением некоторых [которые отличались друг от друга] пунктов». [38] Вся статистическая механика и законы тепла, газа и энтропии считали существование атомов необходимым постулатом.

Открытие электрона

Катодные лучи (синие) испускались из катода, заострялись щелями до пучка, а затем отклонялись, проходя между двумя наэлектризованными пластинами.

Атомы считались наименьшим возможным подразделением материи до 1897 года, когда Дж. Дж. Томсон открыл электрон в своей работе по катодным лучам . [39]

Трубка Крукса представляет собой герметичный стеклянный контейнер, в котором два электрода разделены вакуумом. Когда на электроды подается напряжение , генерируются катодные лучи, создавая светящееся пятно, попадающее на стекло на противоположном конце трубки. Путем экспериментов Томсон обнаружил, что лучи могут отклоняться электрическим полем (помимо уже известных магнитных полей ). Он пришел к выводу, что эти лучи не являются формой света, а состоят из очень легких отрицательно заряженных частиц. Томсон назвал эти частицы «тельцами », но другие ученые назвали их электронами, следуя предложению Джорджа Джонстона Стоуни в 1894 году назвать основную единицу электрического заряда. [40] Он измерил отношение массы к заряду и обнаружил, что оно в 1800 раз меньше, чем у водорода, самого маленького атома. Эти корпускулы были частицей, не похожей ни на одну другую, ранее известную.

Томсон предположил, что атомы делимы и что корпускулы являются их строительными блоками. [41] Чтобы объяснить общий нейтральный заряд атома, он предположил, что корпускулы распределены в однородном море положительного заряда. [42] Это стало известно как модель сливового пудинга , поскольку электроны были заключены в положительный заряд, как кусочки фруктов в сухофруктовом пудинге , хотя Томсон считал, что электроны перемещаются внутри атома. [43]

Открытие ядра

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

Модель сливового пудинга Томсона 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 малой части его объема, которая, как он предполагал, находится в самом низу. центр.

Эрнест Резерфорд и его коллеги Ганс Гейгер и Эрнест Марсден усомнились в модели Томсона после того, как столкнулись с трудностями при попытке создать прибор для измерения отношения заряда к массе альфа-частиц (это положительно заряженные частицы, испускаемые некоторые радиоактивные вещества, такие как радий ). Альфа-частицы рассеивались воздухом в камере обнаружения, что делало измерения ненадежными. Томсон столкнулся с подобной проблемой в своей работе по катодным лучам, которую он решил, создав в своих приборах почти идеальный вакуум. Резерфорд не думал, что столкнется с такой же проблемой, поскольку альфа-частицы намного тяжелее электронов. Согласно модели атома Томсона, положительный заряд в атоме недостаточно сконцентрирован, чтобы создать достаточно сильное электрическое поле, чтобы отклонить альфа-частицу, а электроны настолько легки, что их должны легко отталкивать гораздо более тяжелые альфа-частицы. Однако рассеяние имело место, поэтому Резерфорд и его коллеги решили тщательно изучить это рассеяние. [44]

Между 1908 и 1913 годами Резерфорд и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкую металлическую фольгу альфа-частицами. Они заметили, что альфа-частицы отклоняются на углы более 90°. Чтобы объяснить это, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома не распределен по всему объему атома, как полагал Томсон, а сконцентрирован в крошечном ядре в центре. Только такая интенсивная концентрация заряда могла создать достаточно сильное электрическое поле, чтобы отклонить альфа-частицы, как это наблюдалось. [44] Модель Резерфорда иногда называют «планетарной моделью». [45]

Модель Бора

Планетарная модель атома имела два существенных недостатка. Во-первых, в отличие от планет, вращающихся вокруг Солнца, электроны являются заряженными частицами. Известно, что ускоряющийся электрический заряд излучает электромагнитные волны по формуле Лармора в классическом электромагнетизме . Орбитальный заряд должен постепенно терять энергию и двигаться по спирали к ядру, сталкиваясь с ним за небольшую долю секунды. Вторая проблема заключалась в том, что планетарная модель не могла объяснить наблюдаемые резко выраженные спектры излучения и поглощения атомов.

Модель атома Бора

Квантовая теория произвела революцию в физике в начале 20 века, когда Макс Планк и Альберт Эйнштейн постулировали, что световая энергия излучается или поглощается в дискретных количествах, известных как кванты (сингулярные, квантовые ). Это привело к созданию ряда квантово-атомных моделей, таких как квантовая модель Артура Эриха Хааса в 1910 году и квантово-атомная модель Джона Уильяма Николсона 1912 года , которая квантовала угловой момент как h /2 π . [46] [47] В 1913 году Нильс Бор включил эту идею в свою модель атома Бора, в которой электрон мог вращаться вокруг ядра только по определенным круговым орбитам с фиксированными угловым моментом и энергией, его расстоянием от ядра (т.е. их радиусы) пропорциональны его энергии. [48] ​​Согласно этой модели электрон не мог спирально проникнуть в ядро, потому что он не мог терять энергию непрерывным образом; вместо этого он мог совершать только мгновенные « квантовые скачки » между фиксированными уровнями энергии . [48] ​​Когда это происходило, свет излучался или поглощался с частотой, пропорциональной изменению энергии (следовательно, поглощение и излучение света в дискретных спектрах). [48]

Модель Бора не была идеальной. Он мог предсказать только спектральные линии водорода, но не многоэлектронных атомов. [49] Хуже того, он даже не мог объяснить все особенности спектра водорода: по мере совершенствования спектрографической технологии было обнаружено, что применение магнитного поля вызывает умножение спектральных линий таким образом, который не могла объяснить модель Бора. В 1916 году Арнольд Зоммерфельд добавил к модели Бора эллиптические орбиты, чтобы объяснить дополнительные эмиссионные линии, но это сделало модель очень сложной в использовании, и она по-прежнему не могла объяснить более сложные атомы. [50] [51]

Открытие изотопов

Экспериментируя с продуктами радиоактивного распада , в 1913 году радиохимик Фредерик Содди обнаружил, что существует более одной разновидности некоторых элементов. [52] Термин «изотоп» был придуман Маргарет Тодд как подходящее название для этих разновидностей. [53]

В том же году Дж. Дж. Томсон провел эксперимент, в ходе которого он пропускал поток ионов неона через магнитные и электрические поля, ударяя другим концом по фотопластине. Он заметил на пластине два светящихся пятна, что свидетельствовало о двух разных траекториях отклонения. Томсон пришел к выводу, что это произошло потому, что некоторые ионы неона имели разную массу. [54] Природа этой различной массы позже будет объяснена открытием нейтронов в 1932 году: все атомы одного и того же элемента содержат одинаковое количество протонов, в то время как разные изотопы имеют разное количество нейтронов. [55]

Открытие ядерных частиц

В 1917 году Резерфорд бомбардировал газообразный азот альфа -частицами и наблюдал испускание ядер водорода из газа (Резерфорд распознал их, поскольку ранее он получил их, бомбардируя водород альфа-частицами и наблюдая ядра водорода в продуктах) . Резерфорд пришел к выводу, что ядра водорода возникли из ядер самих атомов азота (по сути, он расщепил азот). [56]

Из своей собственной работы и работ своих учеников Бора и Генри Мозли Резерфорд знал, что положительный заряд любого атома всегда можно приравнять к целому числу ядер водорода. Это, в сочетании с атомной массой многих элементов, примерно эквивалентной целому числу атомов водорода, которые тогда считались самыми легкими частицами, привело его к выводу, что ядра водорода являются единичными частицами и основной составляющей всех атомных ядер. Он назвал такие частицы протонами . Дальнейшие эксперименты Резерфорда показали, что ядерная масса большинства атомов превышает массу имеющихся в них протонов; он предположил, что эта избыточная масса состоит из ранее неизвестных нейтрально заряженных частиц, которые предварительно назвали « 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 парафина . Первоначально считалось, что это высокоэнергетическое гамма-излучение , поскольку гамма-излучение оказывает аналогичное воздействие на электроны в металлах, но Джеймс Чедвик обнаружил, что эффект ионизации слишком силен, чтобы его можно было объяснить электромагнитным излучением, пока энергия и импульс сохранялись при взаимодействии. В 1932 году Чедвик подверг различные элементы, такие как водород и азот, таинственному «бериллиевому излучению» и, измерив энергию отталкивающихся заряженных частиц, 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 они должны были иметь массу, подобную массе протона. Чедвик теперь назвал эти частицы нейтронами Резерфорда. [57] За открытие нейтрона Чедвик получил Нобелевскую премию в 1935 году. [58]

Квантово-механические модели

Пять заполненных атомных орбиталей атома неона разделились и расположились в порядке возрастания энергии слева направо, причем последние три орбитали равны по энергии . На каждой орбитали находится до двух электронов, которые, скорее всего, существуют в зонах, представленных цветными пузырьками. Каждый электрон в равной степени присутствует в обеих орбитальных зонах, показанных здесь цветом только для того, чтобы подчеркнуть разную фазу волны.

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что все частицы, особенно субатомные частицы, такие как электроны, имеют связанную с ними волну. Эрвин Шредингер , увлеченный этой идеей, разработал уравнение [59] , которое описывает электрон как волновую функцию , а не как точку. Этот подход предсказал многие спектральные явления, которые модель Бора не смогла объяснить, но их было трудно визуализировать, и он столкнулся с сопротивлением. [60] Один из ее критиков, Макс Борн , вместо этого предположил, что волновая функция Шрёдингера не описывает физическую протяженность электрона (как распределение заряда в классическом электромагнетизме), а скорее дает вероятность того, что электрон при измерении будет найден в определенной точке. [61] Это примирило идеи о волновых и корпускулярных электронах: поведение электрона или любого другого субатомного объекта имеет как волновой, так и корпускулярный аспекты , и независимо от того, наблюдается ли тот или иной аспект. зависеть от эксперимента. [62]

Волновая модель водорода Шредингера заменила модель Бора с ее аккуратными, четко определенными круговыми орбитами. Современная модель атома описывает положения электронов в атоме с точки зрения вероятностей. Электрон потенциально можно найти на любом расстоянии от ядра, но, в зависимости от его энергетического уровня и углового момента , он чаще существует в определенных областях вокруг ядра, чем в других; эта структура называется атомной орбиталью . Орбитали бывают самых разных форм — сфера , гантель , тор и т. д. — с ядром посередине. [63] Формы атомных орбиталей находятся путем решения уравнения Шрёдингера. [64] Аналитические решения уравнения Шредингера известны для очень небольшого числа относительно простых модельных гамильтонианов, включая атом водорода и молекулярный ион водорода . [65] Начиная с атома гелия , который содержит всего два электрона, для решения уравнения Шрёдингера используются численные методы. [66]

Качественно форма атомных орбиталей многоэлектронных атомов напоминает состояния атома водорода. Принцип Паули требует такого распределения этих электронов внутри атомных орбиталей, чтобы на каждой орбитали было закреплено не более двух электронов; это требование глубоко влияет на атомные свойства и, в конечном итоге, на связь атомов с молекулами. [67] : 182 

Смотрите также

Сноски

  1. ^ комбинация отрицательного термина «a-» и «τομή», термина, обозначающего «вырезать».
  2. ^ Формула оксида железа(II) записана здесь как «Fe 2 O 2 », а не как более традиционное «FeO», поскольку это лучше иллюстрирует объяснение.
  1. ^ Пуллман, Бернард (1998). Атом в истории человеческого мышления. Оксфорд, Англия: Издательство Оксфордского университета. стр. 31–33. ISBN 978-0-19-515040-7. Архивировано из оригинала 5 февраля 2021 года . Проверено 25 октября 2020 г.
  2. ^ Мельсен (1952). От Атомоса к Атому, стр. 18–19.
  3. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческой мысли, с. 201
  4. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Лавуазье, Антуан (1743-1794)». scienceworld.wolfram.com . Проверено 1 августа 2009 г.
  5. ^ «Закон определенных пропорций | химия». Британская энциклопедия . Проверено 3 сентября 2020 г.
  6. ^ Томас Томсон (1831). История химии, Том 2 . п. 291
  7. ^ Далтон (1817). Новая система химической философии, том. 2, с. 36
  8. ^ Мельсен (1952). От Атомоса к Атому. п. 137
  9. ^ Далтон (1817). Новая система химической философии, том. 2, с. 28-34: «промежуточный или красный оксид состоит из 2 атомов прооксида и 1 атома кислорода».
  10. ^ Миллингтон (1906). Джон Далтон, с. 113
  11. ^ Далтон (1817). Новая система химической философии, том. 2. С. 2, 34, 39, 72, 79.
  12. ^ Далтон (1808). Новая система химической философии, том. 1, стр. 316-319.
  13. ^ Далтон (1808). Новая система химической философии, том. 1. стр. 316–319.
  14. ^ Холброу и др. (2010). Современная вводная физика, стр. 65–66.
  15. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческой мысли, с. 201
  16. ^ Фрейнд (1904). Исследование химического состава . п. 288: «Я выбрал слово «атом» для обозначения этих первичных частиц, а не частицу, молекулу или любой другой уменьшительный термин, потому что я считаю, что оно гораздо более выразительно; оно включает в себя понятие неделимого, что и другие термины. Можно, пожалуй, сказать, что я слишком далеко расширяю применение этого понятия, когда говорю о сложных атомах: например, я называю конечную частицу угольной кислоты составным атомом. Хотя этот атом и может быть разделен, тем не менее он перестает превращаться в угольную кислоту, распадаясь в результате такого разделения на древесный уголь и кислород. Следовательно, я полагаю, что нет никакой непоследовательности в разговорах о сложных атомах и что мой смысл не может быть понят неправильно».
  17. ^ Далтон (1817). Новая система химической философии, том. 1, стр. 213-214.
  18. ^ Авогадро, Амедео (1811). «Очерк способа определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, в которых они входят в эти соединения». Журнал де Физический . 73 : 58–76.
  19. ^ Хиншелвуд, Сирил Н .; Полинг, Лайнус (19 октября 1956 г.). «Амедео Авогадро». Наука . 124 (3225): 708–713. Бибкод : 1956Sci...124..708H. дои : 10.1126/science.124.3225.708. ISSN  0036-8075. ПМИД  17757602.
  20. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческой мысли, с. 201
  21. ^ Фрейнд (1904). Исследование химического состава . п. 288
  22. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческой мысли, с. 202
  23. ^ Жан-Батист Дюма (1836). Leçons sur la philosophie chimique [ Уроки химической философии ]. 285-287
  24. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческого мышления . п. 207
  25. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческой мысли, с. 226: «Первое событие — это создание периодической классификации элементов, знаменующее успешную кульминацию согласованных усилий по упорядочению химических свойств элементов в соответствии с их атомным весом. Второе — это появление структурной химии, которая вытеснила то, что было простое и примитивное словесное описание элементного состава, атомного или эквивалентистского, веществ и заменило его систематическим определением их внутренней архитектуры».
  26. ^ Доверенное (1999). Тайна материи, с. 73
  27. ^ Пуллман (1998). Атом в истории человеческой мысли, с. 230
  28. ^ Мельсен (1952). От Атомоса к Атому, стр. 147–148.
  29. ^ Генри Энфилд Роско, Карл Шорлеммер (1895). Трактат по химии, том 3, часть 1, стр. 121–122.
  30. ^ Генри Энфилд Роско, Карл Шорлеммер (1895). «Трактат по химии», том 3, часть 1, стр. 121: «Радикальная теория и теория типов способны объяснить многие случаи изомерии, но только после того, как было установлено учение о соединении атомов, появилось ясное объяснение». был пролит свет на эту тему».
  31. ^ Адольф Вюрц (1880). Атомная теория, с. 291: «Именно таким образом теория атомарности предсказывает, интерпретирует и ограничивает число изомеров; она предоставила элементы одного из величайших достижений, которых наука достигла за последние двадцать лет. [...] Теория атомарности успешно подошла к решению этой проблемы, введя в обсуждение точные данные, которые во многих случаях были подтверждены экспериментом».
  32. ^ аб Скерри, Эрик Р. (2020). Таблица Менделеева, ее история и значение (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-190-91436-3.
  33. ^ Брито, Ангмари; Родригес, Мария А.; Нияз, Мансур (2005). «Реконструкция развития таблицы Менделеева на основе истории и философии науки и ее значение для учебников по общей химии». Журнал исследований в области преподавания естественных наук . 42 (1): 84–111. Бибкод : 2005JRScT..42...84B. дои : 10.1002/tea.20044.
  34. ^ «Нобелевская премия по физике 1926 года». NobelPrize.org . Проверено 8 февраля 2023 г.
  35. ^ Перрен (1909). Броуновское движение и молекулярная реальность, с. 50
  36. ^ См.:
    • Максвелл, Дж. К. (1860) «Иллюстрации динамической теории газов. Часть I. О движении и столкновениях совершенно упругих сфер», Философский журнал , 4-я серия, 19  : 19–32.
    • Максвелл, Дж. К. (1860) «Иллюстрации динамической теории газов. Часть II. О процессе диффузии двух или более видов движущихся частиц между собой», Philosophical Magazine , 4-я серия, 20  : 21–37.
  37. ^ Наварро, Луис. «Гиббс, Эйнштейн и основы статистической механики». Архив истории точных наук, вып. 53, нет. 2, Springer, 1998, стр. 147–80, http://www.jstor.org/stable/41134058.
  38. ^ Стоун, А. Дуглас, Эйнштейн и квант: поиски доблестного шваба, Princeton University Press, (2013). ISBN 978-0-691-13968-5 , цитата из Фолсинга, Альберта Эйнштейна, 110. 
  39. ^ Томсон, Джей-Джей (1897). «Катодные лучи» ([факсимиле из Стивена Райта, Классические научные статьи, Физика (Миллс и Бун, 1964)]) . Философский журнал . 44 (269): 293. дои : 10.1080/14786449708621070.
  40. ^ Оленик, Ричард П.; Апостол, Том М.; Гудштейн, Дэвид Л. (26 декабря 1986 г.). За пределами механической вселенной: от электричества к современной физике . Издательство Кембриджского университета. п. 435. ИСБН 978-0-521-30430-6.
  41. ^ Уиттакер, ET (1951), История теорий эфира и электричества. Том 1 , Нельсон, Лондон
  42. ^ Томсон, Джей-Джей (1904). «О структуре атома: исследование стабильности и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных через равные промежутки по окружности круга, с применением результатов к теории атомной структуры». Философский журнал . 7 (39): 237. дои : 10.1080/14786440409463107.
  43. ^ Дорогая, Гиора; Гольдштейн, Бернард Р. (6 сентября 2013 г.). «Атомная модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона: создание научного мифа». Аннален дер Физик . 525 (8–9): А129–А133. Бибкод : 2013AnP...525A.129H. дои : 10.1002/andp.201300732 . S2CID  119853037.
  44. ^ аб Хейлброн (2003). Эрнест Резерфорд и взрыв атомов, стр. 64-68.
  45. ^ «Модель Резерфорда | Определение и факты» . Британская энциклопедия . Проверено 23 августа 2021 г.
  46. ^ Дж. В. Николсон, Месяц. Нет. Рой. Астр. Соц. lxxxii. стр. 49,130, 677, 693, 729 (1912).
  47. ^ Атомная теория Джона Уильяма Николсона, Рассела МакКормака, Архив истории точных наук, Том. 3, № 2 (25.8.1966), стр. 160-184 (25 страниц), Springer.
  48. ^ abc Бор, Нильс (1913). «О строении атомов и молекул» (PDF) . Философский журнал . 26 (153): 476–502. Бибкод : 1913PMag...26..476B. дои : 10.1080/14786441308634993. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  49. ^ Краг, Хельге (1979). «Вторая атомная теория Нильса Бора». Исторические исследования в физических науках . 10 : 123–186. дои : 10.2307/27757389. ISSN  0073-2672. JSTOR  27757389.
  50. ^ Хентшель, Клаус (2009). «Эффект Зеемана». В Гринбергере, Дэниел; Хентшель, Клаус; Вайнерт, Фридель (ред.). Сборник квантовой физики . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. стр. 862–864. дои : 10.1007/978-3-540-70626-7_241. ISBN 978-3-540-70622-9. Проверено 8 февраля 2023 г.
  51. ^ Эккерт, Майкл (апрель 2014 г.). «Как Зоммерфельд расширил модель атома Бора (1913–1916)». Европейский физический журнал H . 39 (2): 141–156. Бибкод : 2014EPJH...39..141E. дои : 10.1140/epjh/e2013-40052-4. ISSN  2102-6459. S2CID  256006474.
  52. ^ «Фредерик Содди, Нобелевская премия по химии 1921 года» . Нобелевский фонд . Проверено 18 января 2008 г.
  53. ^ Флек, Александр (1957). «Фредерик Содди». Биографические мемуары членов Королевского общества . 3 : 203–216. дои : 10.1098/rsbm.1957.0014 . п. 208: До 1913 года мы использовали фразу «радиоэлементы, химически неразделимые», и в то время слово «изотоп» было предложено в дискуссии в гостиной с доктором Маргарет Тодд в доме тестя Содди, сэра Джорджа . Бейлби .
  54. ^ Томсон, Джей-Джей (1913). «Лучи положительного электричества». Труды Королевского общества . А 89 (607): 1–20. Бибкод : 1913RSPSA..89....1T. дои : 10.1098/rspa.1913.0057. S2CID  124295244.[выдержки из книги Генри А. Бурса и Ллойда Моца, «Мир атома» , Vol. 1 (Нью-Йорк: Basic Books, 1966)]. Проверено 29 августа 2007 г.
  55. ^ Цветы, Пол; и другие. (2022). Химия 2е. ОпенСтакс. стр. 70–71. ISBN 978-1-947172-61-6.
  56. ^ Резерфорд, Эрнест (1919). «Столкновения альфа-частиц с легкими атомами. IV. Аномальный эффект в азоте». Философский журнал . 37 (222): 581. дои : 10.1080/14786440608635919.
  57. ^ Чедвик, Джеймс (1932). «Возможное существование нейтрона» (PDF) . Природа . 129 (3252): 312. Бибкод : 1932Natur.129Q.312C. дои : 10.1038/129312a0 . S2CID  4076465. Архивировано (PDF) из оригинала 09 октября 2022 г.
  58. ^ «Нобелевская премия по физике 1935 года». NobelPrize.org . Проверено 8 февраля 2023 г.
  59. ^ Шредингер, Эрвин (1926). «Квантование как проблема собственных значений». Аннален дер Физик . 81 (18): 109–139. Бибкод : 1926АнП...386..109С. дои : 10.1002/andp.19263861802.
  60. ^ Махати, Субодх. «Эрвин Шредингер: основатель квантовой волновой механики». Архивировано из оригинала 17 апреля 2009 г. Проверено 1 августа 2009 г.
  61. ^ Махати, Субодх. «Макс Борн: основатель Lattice Dynamics». Архивировано из оригинала 22 января 2009 г. Проверено 1 августа 2009 г.
  62. ↑ Грейнер, Уолтер (4 октября 2000 г.). «Квантовая механика: Введение». Спрингер. ISBN 9783540674580. Проверено 14 июня 2010 г.
  63. ^ Милтон Орчин; Роджер Макомбер; Аллан Пинхас; Р. Уилсон. «Словарь и понятия органической химии, второе издание» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 14 июня 2010 г.
  64. ^ Цвибах, Бартон (2022). Освоение основ, теории и приложений квантовой механики. Кембридж: MIT Press. стр. 281–305. ISBN 978-0-262-36689-2. ОСЛК  1306066387.
  65. ^ Гриве, Жан-Филипп (январь 2002 г.). «Возвращение к молекулярному иону водорода». Журнал химического образования . 79 (1): 127. Бибкод : 2002JChEd..79..127G. дои : 10.1021/ed079p127. ISSN  0021-9584.
  66. ^ Левин, Ф.С.; Шерцер, Дж. (1 декабря 1985 г.). «Конечно-элементное решение уравнения Шредингера для основного состояния гелия». Физический обзор А. 32 (6): 3285–3290. Бибкод : 1985PhRvA..32.3285L. doi : 10.1103/PhysRevA.32.3285. ISSN  0556-2791. ПМИД  9896495.
  67. ^ Карплюс, Мартин и Ричард Нидэм Портер. «Атомы и молекулы; введение для студентов, изучающих физическую химию». Атомы и молекулы; введение для студентов-физиков-химиков (1970).

Библиография

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Wikiquote есть цитаты, связанные с теорией атома .