Некоторые исторические и современные модели атома

Исторические модели1 атома отражают уровни знаний, соответствующие опреде­лённому периоду развития науки.

Первый этап развития моделей атома характеризовался отсутствием экспериментальных данных о его строении.

Объясняя явления микромира, учёные искали аналогии в макромире, опираясь на законы класси­ческой механики.

Дж. Дальтон – создатель химической атомистики (1803 г.), предполагал, что атомы одного и того же химического элемента представляют собой одинаковые шарообразные мельчайшие, а следовательно, неделимые частицы.

Французский физик Жан Батист Перрен (1901 г.) предложил модель, фактически предвосхитившую "плане­тарную" модель. Согласно этой модели в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которо­го движутся по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны. Модель Перрена не привлекла внимания учёных, так как давала только ка­чественную, но не количественную характеристику атома (на рис. 7 это показано несоответствием заряда ядра атома числу элек­тронов).

В 1902 г. английский физик Уильям Томсон (Кельвин) разработал представле­ние об атоме как о положительно заряженной сферической частице, внутри которой совершают колебания (излучая и поглощая энергию) отрицательно заряженные электроны. Кельвин обратил внима­ние на то, что число электронов равно положительному заряду сферы, поэтому в целом атом не имеет электрического заряда (рис. 7).

Годом позже немецкий физик Филипп Ленард предложил модель, согласно которой атом – полая сфера, внутри которой находят­ся электрические диполи (динамиды). Объём, занимаемый этими диполями, значительно меньше объёма сферы, и основная часть атома оказывается незаполненной.

По представлениям японского физика Гонтаро (Хантаро) Нагаоки (1904 г.), в центре атома находится положительно заряженное ядро, а электроны движутся в пространстве вокруг ядра в плоских кольцах, напоминающих кольца планеты Сатурн (эта модель называлась "сатурнианским" атомом). Большинство учёных не об­ратили внимания на идеи Нагаоки, хотя они в какой-то мере перекли­каются с современным представлением об атомной орбитали.

Ни одна из рассмотренных моделей (рис. 7) не объясняла, каким образом свойства химических элементов связаны со строением их атомов.

Рис. 7. Некоторые исторические модели атома

В 1907 г. Дж. Дж. Томсон предложил статическую модель строения атома, представлявшую атом как заряженную положительным электричеством шарообразную частицу, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны (модель " пудинга ", рис. 7).

Математичес­кие расчёты показали, что электроны в атоме должны находиться на концентри­чески расположенных кольцах. Томсон сделал весьма важный вывод: причина периодического изменения свойств химических элементов связана с осо­бенностями электронного строения их атомов. Благодаря этому, модель атома Томсона была высоко оценена современниками. Однако она не объясняла некоторых явлений, например, рассеяния α-частиц при прохождении их через металлическую пластину.

На основании своих представлений об атоме Томсон вывел формулу для рас­чёта среднего отклонения α-частиц, и этот расчёт показал, что вероятность рассеяния таких частиц под большими углами близка к нулю. Однако экспе­риментально было доказано, что приблизительно одна из восьми тысяч падающих на золотую фольгу α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Это противоречило модели Томсона, которая предполагала отклонения только на малые углы.

Эрнест Резерфорд, обобщая экспериментальные данные, в 1911 г. предложил "планетарную" (её иногда называют "ядерной") модель строения атома, согласно которой 99,9 % массы атома и его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком ядре, а отрицательно заряженные электроны, число которых равно заряду ядра, вращаются вокруг него, подобно планетам Солнечной системы1 (рис. 7).

Резерфорд вместе со своими учениками поставил опыты, позволившие исследовать строение атома (рис. 8). На поверхность тонкой металлической (золотой) фольги 2 от источника радиоактивного излучения 1 направлялся поток положительно заряженных частиц (α-частицы). На их пути был установлен флуоресцирующий экран 3, позволяющий наблюдать за направлением дальнейшего движения α-частиц.

Рис. 8. Опыт Резерфорда

Было установлено, что большинство α-частиц проходило сквозь фольгу, практически не меняя своего направления. Лишь отдельные частицы (в среднем одна из десяти тысяч) отклонялись и летели почти в обратном направлении. Был сделан вывод, что бóльшая часть массы атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, поэтому α-частицы так сильно отклоняются (рис. 9).

Рис. 9. Рассеивание α-частиц атомным ядром

Движущиеся в атоме электроны в соответствии с законами электромагнетизма должны излучать энергию и, теряя её, притягиваться к противоположно заряженному ядру и, следовательно, "падать" на него. Это должно приводить к ис­чезновению атома, но так как этого не происходило, был сделан вывод о неадекватности этой модели.

В начале XX века немецкими физиком Максом Планком и физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном была создана квантовая теория света. Согласно этой теории лучистая энергия, например свет, испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). При­чём величина кванта энергии неодинакова для разных излуче­ний и пропорциональна частоте колебаний электромагнитной волны: Е = hν, где h – по­стоянная Планка, равная 6,6266·10^–34 Дж·с, ν – частота излучения. Эту энергию несут частицы света – фотоны [11].

Пытаясь искусственно соединить зако­ны классической механики и квантовой теории, датский физик Нильс Бор в 1913 г. дополнил модель атома Резерфорда двумя постулатами[12] о скачкообразном (дискретном[13]) изменении энергии электронов в атоме. Бор считал, что электрон в атоме водорода может находиться лишь на впол­не определённых стационарных орбитах, радиусы которых отно­сятся друг к другу как квадраты натуральных чисел (1²: 2² : 3²:...: п²). Электро­ны движутся вокруг атомного ядра по стационарным орбитам. Атом пребывает в устойчивом состоянии, не поглощая и не излучая энергию, – это первый постулат Бора. Согласно второму постулату излучение энергии происходит только при переходе электрона на более близкую к атомному ядру орбиту. При переходе электрона на более отдалённую орби­ту энергия атомом поглощается. Эта модель была усовершенствована в 1916 г. немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, указавшим на движение электронов по эллиптическим орбитам.

Планетарная модель, благодаря своей наглядности и постулатам Бора, долгое время использовалась для объяснения атомно-молекулярных явлений. Однако оказалось, что движение электрона в атоме, устойчивость и свойства атома, в отличие от движения планет и устойчивости Солнечной системы, нельзя опи­сать законами классической механики. В основе этой механики лежат законы Ньютона, и предметом её изучения является движение макроскопических тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Для описания строения атома необходимо применять представления квантовой (волновой) механики[14] о двойственной корпускулярно-волновой природе микрочастиц, которые сформулировали в 1920-е годы физики-теоретики: француз Луи де Бройль, немцы Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, англичанин Поль Дирак и др.

В 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу о наличии у электрона волновых свойств (первый принцип квантовой механики) и предложил формулу для вычисления его длины волны. Стабильность атома объясняется тем, что электроны в нём движутся не по орбитам, а в неких областях пространства вокруг ядра, называе­мых атомными орбиталями. Электрон занимает практически весь объём атома и не может "упасть на ядро", находящееся в его центре.

В 1926 году Шрёдингер, продолжая развитие идей Л. де Бройля о волно­вых свойствах электрона, эмпирически подобрал математическое уравнение, похожее на уравне­ние колебания струны, с помощью которого можно вычислять энергии связи элек­трона в атоме на разных энергетических уровнях. Это уравнение стало основным уравне­нием квантовой механики.

Открытие волновых свойств электрона показало, что распространение знаний о макромире на объекты микромира неправомерно. В 1927 г. Гейзенберг установил, что невозможно определить точное положение в пространстве электрона, имеющего определённую ско­рость, поэтому представления о движении электрона в атоме носят ве­роятностный характер (второй принцип квантовой механики).

Квантово-механическая модель атома (1926 г.) описывает состояние атома посредством математических функций и не имеет геометричес­кого выражения (рис. 10). В такой модели не рассматриваются динамический характер устройства атома и вопрос о размере электрона как частицы. Считается, что электроны занимают определённые энергетические уровни и излучают или поглощают энергию при переходах на другие уровни. На рис. 10 энергетические уровни изобра­жены схематически в виде концентрических колец, расположенных на разных расстояниях от атомного ядра. Стрелками показаны переходы электронов между энергетическими уровнями и излучение фотонов, сопровождающих эти переходы. Схема показана качественно и не отражает реальных расстояний между энергетическими уровнями, которые могут отличаться между собой в десятки раз.

В 1931 году американским учёным Гилбертом Уайтом впервые были предложены гра­фическое представление атомных орбиталей и "орбитальная" модель атома (рис. 10). Модели атомных орбиталей используются для отражения понятия "электронная плотность" и демонстрации распределения отрицательного заряда вокруг ядра в атоме или системы атомных ядер в молекуле.

Рис. 10. Исторические и современные модели атома

В 1963 году американский художник, скульптор и инженер Кеннет Снельсон предложил "кольцегранную модель" электронных оболочек атома (рис. 10), которая объясняет количественное распределение электронов в атоме по устойчивым электронным оболочкам. Каждый электрон моделируется кольцевым ма­гнитом (или замкнутым контуром с электрическим током, имеющим магнитный момент). Кольцевые магниты притягиваются друг к другу и образуют симметрич­ные фигуры из колец – кольцегранники. Наличие у магнитов двух полюсов накладывает ограничение на возможные варианты сборки кольцегранников. Модели устойчивых электронных оболочек – это наиболее симметричные фигуры из колец, составленные с учётом наличия у них магнитных свойств.

Наличие у электрона спина (см. раздел 5) является одной их основ­ных причин образования в атоме устойчивых электронных оболочек. Электроны образуют пары с противоположными спинами. Кольцегранная модель электронной пары, или заполненной атомной орбитали, – это два кольца, расположенных в параллельных плоскостях с противоположных сторон от атомного ядра. При расположении около ядра атома более одной пары электронов кольца-электро­ны вынужденно взаимно ориентируются, образуя электронную оболочку. При этом близко распо­ложенные кольца имеют разные направления магнитных силовых линий, что обозначается разным цветом колец, изображающих электроны.

Модель­ный эксперимент показывает, что самой устойчивой из всех возможных кольцегранных моделей является модель из 8 колец. Геометрически модель образована таким образом, как будто атом в виде сферы поделили на 8 частей (трижды разделив пополам) и в каждую часть поместили по одному кольцу-электрону. В кольцегранных моделях используют кольца двух цветов: красного и синего, которые отражают положительное и отрицательное значение спина электрона.

"Волногранная модель" (рис. 10) похожа на "кольцегранную" с тем отличием, что каж­дый электрон атома представлен "волновым" кольцом, которое содержит целое число волн (как это было предложено Л. де Бройлем).

Взаимо­действие электронов электронной оболочки на этой модели атома показано совпадением точек контакта синих и красных "волновых" колец с узлами стоячих волн.

Модели атома имеют право на существование и границы применения. Всякая модель атома – это прибли­жение, отражающее в упрощённой форме определённую часть знаний об атоме. Но ни одна из моделей не от­ражает полностью свойств атома или его составляющих частиц.

Многие модели сегодня представляют только исторический интерес. При построении моде­лей объектов микромира учёные опирались на то, что можно непо­средственно наблюдать. Так появились модели Перрена и Резерфор­да (аналогия со строением Солнечной системы), Нагаоки (некое подобие планеты Сатурн), Томсона ("пудинг с изюмом"). Некоторые идеи были отброшены (динамичная модель Ленарда), к другим через некоторое время вновь обращались, но уже на новом, более высоком теоретическом уровне: модели Перрена и Кельвина получили развитие в моделях Резерфорда и Томсона. Представления о строении атома постоянно совер­шенствуются. Насколько точ­на современная – "квантово-механическая" модель – покажет время. Именно поэтому в верхней части спирали, символизирующей путь познания, нарисован вопро­сительный знак (рис. 7).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: