Атом вещества с точки зрения электронной теории

11. Электронная теория строения вещества

В продолжение всего прошлого столетия только предполагалось существование атомов и мельчайших частиц далее неделимых. Их действительное существование удалось доказать лишь с помощью современных экспериментальных методов. Открытие радиоактивности особенно способствовало мощному развитию химии, причем пришлось отрешиться от существовавших до тех пор взглядов на неделимость и неизменяемость атома и пополнить науку новыми воззрениями. Также первоначальные представления об атомах, как об упругих шариках, и некоторые представления о соединении атомов в молекулы в свете новых открытий оказались недействительными; было доказано, что атомы — это сложные системы и что все химические изменения вызываются преимущественно действием электрических сил.

Современные исследования вещества показали, что атомы всех элементов являются системами, созданными так наз. элементарными частицами (протоны, нейтроны и электроны). Атомы одного элемента содержат в ядре одинаковое число протонов, атомы же разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.

Согласно электронной теории строения вещества, атом любого элемента состоит из электроположительного атомного ядра (состоящего из протонов и нейтронов), в котором сосредоточена вся масса атома, и из электронной оболочки электроотрицательных электронов, которые по сравнению с ядром атома почти не имеют массы. * (см. рис. 7).

* ( Протон — это положительно заряженная частица размером в 1, нейтрон — частица той же величины без заряда, электрон — частица размером в 1/180 протона.)

Рис. 7. Схема строения атома

Ввиду того, что атом в целом является электрически нейтральным, то заряд ядра атома будет равен заряду электронной оболочки, т. е. число электронов будет равно числу протонов.

На основании новых открытий в области спектральной физики мы приходим к представлению, что электроны вращаются вокруг ядер атома по определенным энергетически уравновешенным путям (слоям, оболочкам, сферам), которые мы обозначаем (начиная от ядра) буквами К, L, М, N, О, Р и Q (см. табл. 4).

Рис. 8 представляет собой схематическое изображение атомов первых трех периодов периодической системы элементов Менделеева; из него ясно, что самым простым атомом является атом водорода, ядро которого состоит из одного протона, а электронный слой из одного электрона. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Его электронный слой составляют два электрона, вращающихся в сфере К. Ввиду того, что гелий — элемент несоединяющийся (с нулевой валентностью), можем считать его сферу К заполненной. Атом лития содержит в ядре три протона, а его электронный слой — три электрона, из которых два находятся в заполненной сфере К, а один в сфере L. У прочих атомов этого периода двух- электронная сфера К остается устойчивой, тогда как сфера дополняется, так что Be имеет в сфере L два электрона, В три, С четыре, N пять, О шесть и F семь электронов. После F следует Ne, который так же как Не не соединяем и поэтому его восемь электронов заполняют сферу L в так наз. октет. Если эти отношения выразить числами, то получится таблица 4.

Рис. 8. Строение атомов

У элементов с большими атомными весами отношения все же гораздо более сложные, как это видно из таблицы периодической системы, где число электронов обозначено маленькими цифрами. Химическая соединяемость вызвана электронами внешнего электронного слоя или так наз. валентной сферы, их называют валентными электронами. Если возьмем валентные электроны атомов первых элементов периодической системы, то получим таблицу 5.

Из таблицы следует, что:

а) в каждом периоде число валентных электронов возрастает от элемента к элементу всегда на один электрон, в каждой же группе число электронов одинаково;

б) у атомов элементов с нулевой валентностью (несоединяющихся) их валентные сферы заполнены (у Не два электрона, у прочих — по восьми электронов) так наз. октетом. Ввиду того, что эти элементы с остальными элементами не соединяются, мы считаем формацию их атомов устойчивой (без энергии).

Из этого следует, что соединяться может только такой элемент, атомы которого не имеют в валентной сфере октета, или если их валентные сферы не заполнены. Атомы с незаполненными валентными сферами меняют свою формацию на устойчивую после того как они соединятся или свяжутся.

Атом — вещество

В атомах веществ , предшествующих этим трем элементам, число электронов меньше 9, а в последующих элементах число электронов превышает число используемых орбит. Следует указать, что этот взгляд на структуры таких металлов, основанный на сходстве металлических и ковалентных радиусов, не является общепринятым. [31]

В атоме вещества электрического изолятора ( диэлектрика) электроны прочно связаны с ядром и не покидают его. Эти электроны называют несвободными. Так как изоляторы почти не имеют свободных электрических зарядов, которые определяют проводимость материала, то электрическое сопротивление изоляторов очень велико. [32]

Не все атомы вещества одновременно находятся в одинаково устойчивых состояниях. [34]

Окислителями являются атомы веществ , образующие отрицательные элементарные ионы ( F -; CI -; Os -; Sz -), принимая электроны от восстановителей, или вещества, понижающие степень окисления атомов в составе молекул сложных веществ при взаимодействии с восстановителями. [35]

На каждый атом вещества в магнитном поле действует элементарная сила, обусловленная взаимодействием внешнего поля с микроскопическим током в атоме. Результирующая всех элементарных сил, действующих на атомы тела со стороны внешнего неоднородного магнитного поля, стремится втянуть тело или вытолкнуть его из поля. Вещества, на которые в магнитном поле действуют силы, стремящиеся удалить их из поля, являются диамагнетиками. Силы, действующие на диамагнетик в магнитном поле, незначительны. [36]

Как устроен атом вещества с точки зрения электронной теории. [37]

Если каждый атом вещества отдает два электрона, то валентная зона будет заполнена целиком и твердое тело проявит диэлектрические свойства при условии, что между данной зоной и остальными какое-либо перекрытие отсутствует. [39]

Окислителями являются атомы веществ , образующие. СГ, О 2 -, S 2), принимая электроны от восстановителей, или вещества, понижающие степень окисления атомов в составе молекул сложных веществ при взаимодействии с восстановителями. [40]

При объединении атомов вещества в кристалл валентные электроны коллективизируются, образуя единую систему. Электрическое поле образовавшейся ионной решетки периодично, как и положения ионов в ней. Энергетически возможные состояния электронов образуют разрешенные зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами, охватывающими состояния, которые в данных условиях невозможны. [41]

Вследствие взаимодействия атомов вещества , входящих в состав молекул, наблюдаются отдельные полосы, состоящие из большого числа тесно расположенных цветных линий. [42]

При объединении атомов вещества в кристалл валентные электроны коллективизируются, образуя единую систему. Электрическое поле образовавшейся ионной решетки периодично, как и положения ионов в ней. Энергетически возможные состояния электронов образуют разрешенные зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами, охватывающими состояния, которые в данных условиях невозможны. [43]

Рентгеновское возбуждение атомов вещества может возникать в результате бомбардировки образца электронами больших энергий или при его облучении рентгеновскими лучами. Первый процесс называют прямым возбуждением; последний — вторичным или флюоресцентным. В обоих случаях энергия электрона или кванта первичной рентгеновской радиации, бомбардирующих излучающий атом, должна быть больше энергии, необходимой для вырывания электрона из определенной внутренней оболочки атома. Электронная бомбардировка исследуемого вещества приводит к появлению не только характеристич. В ходе первичного возбуждения спектра происходит интенсивное разогревание исследуемого вещества, отсутствующее при вторичном возбуждении. Наконец, первичный метод возбуждения лучей предполагает помещение исследуемого вещества внутрь откачанной до высокого вакуума рентгеновской трубки, в то время как для получения спектров флюоресценции исследуемые образцы могут располагаться на пути пучка первичных рентгеновских лучей вне вакуума и легко сменять ДРУГ друга. Поэтому приборы, использующие спектры флюоресценции ( несмотря на то, что интенсивность вторичного излучения в тысячи раз меньше интенсивности лучей, полученных первичным методом), в последние годы почти полностью вытеснили из практики установки, в к-рых осуществляется возбуждение рентгеновских лучей с помощью потока быстрых электронов. [45]

5. Электронная теория

5. Электронная теория

Электромагнитная теория Максвелла содержит уравнения, выражающие связь между измеряемыми в нашем обычном масштабе электромагнитными полями, с одной стороны, и электрическими зарядами и токами, с другой. Эти уравнения электродинамики, выведенные на основе обобщения результатов макроскопических экспериментов, были, несомненно, справедливыми для этого круга явлений. Но для детального описания электрической природы вещества и электромагнитных процессов, происходящих внутри атомов, описания процессов излучения и поглощения необходимо было экстраполировать уравнения Максвелла в область микромира и придать им форму, пригодную для описания явлений, происходящих в атоме. Это и было сделано одним из величайших создателей современной теоретической физики Г.А. Лоренцем.

В качестве отправной точки Лоренц принял гипотезу о дискретной структуре электричества. Он исходил из существования элементарных частиц электричества, которым дал общее название электронов, и предположил, что все вещества состоят из различных комбинаций этих элементарных частиц. То, что мы обычно называем электрически заряженным телом, это тело, содержащее в целом большее число частиц, несущих заряд одного знака, чем частиц, обладающих зарядом противоположного знака. Электрически же нейтральное тело содержит одинаковое число частиц разного знака. Само собой разумеется, что в материальных телах, т е. в макроскопических, число таких заряженных частиц всегда чрезвычайно велико. Согласно этой точке зрения, электрический ток, текущий по проводнику, обусловлен перемещением большого числа электронов, содержащихся в этом проводнике, а само явление проводимости объясняется некоторой свободой движения электронов в проводящем веществе и возможностью их перемещения под действием внешнего электрического поля. Изоляторы же, напротив, характеризуются отсутствием этой свободы, в них каждый электрон имеет некое положение равновесия и может смещаться из этого положения лишь на очень малые расстояния. Каждый из электронов создает свое электромагнитное поле, и наблюдаемые и измеряемые нами обычно поля не что иное, как средние статистические суммы элементарных полей, создаваемых чрезвычайно большим числом отдельных электронов, входящих в состав всех материальных тел. Как это часто бывает, среднее суммарное поле подчиняется весьма простым законам. Эти законы, записанные в математической форме, будут просто уравнениями, которые связывают непосредственно наблюдаемые макроскопические поля с электрическими зарядами и токами. Более смелая, чем теория Максвелла, теория Лоренца пыталась описать микроскопические электромагнитные явления и с их помощью в результате усреднения получить законы, которым подчиняются крупномасштабные макроскопические явления. Лоренц пытался определить электромагнитные поля, заряды и токи в каждой точке пространства, в каждый момент времени, причем не только в пространстве между зарядами, но и внутри самих электронов. Он предположил, что все микроскопические величины, такие, как поля, заряды, токи подчиняются уравнениям того же вида, что и макроскопические уравнения Максвелла, с той лишь разницей, однако, что в них уже не остается места для различия полей и соответствующих индукций, а заряды и токи оказались зависящими от самой структуры электричества. Можно показать, что, усредняя микроскопические величины, из уравнений Лоренца можно получить систему уравнений Максвелла. При этом выясняется различие между полями и индукциями. Таким образом, электромагнитная теория Максвелла оказывается теорией «крупномасштабных» электромагнитных полей, являющихся среднестатистической суммой элементарных или мелкомасштабных полей, описываемых теорией Лоренца.

Электронная теория, основные моменты которой мы только что кратко изложили, привела к серьезным успехам и позволила предсказать и объяснить большое число новых явлений. Она раскрыла физический смысл законов дисперсии, уже полученных к тому времени с помощью других теорий. Кроме того, и это несомненно было одним из крупных ее успехов, она позволила точно предсказать нормальный эффект Зеемана, т е. расщепление спектральных линий атомов под действием магнитного поля.

Экспериментальное подтверждение этого явления изменения частоты испускаемого атомами света под действием внешнего магнитного поля явилось замечательным подтверждением электронной теории. Стало понятно, что частицы, с движением которых связано излучение, есть не что иное, как отрицательные электроны, и, таким образом, было доказано существование их внутри вещества. Это было крупным успехом теории Лоренца. В общем, можно сказать, что электронная теория удовлетворительно объяснила все явления, в которых электрические и магнитные поля так или иначе влияют на условия излучения, распространения и поглощения света. К ним относится, например, явление вращения плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея), которое в свете теории Лоренца можно рассматривать просто как обратный эффект Зеемана, а также явления двойного лучепреломления, вызванного электрическим или магнитным полем. Во всех этих областях, составляющих электро– и магнитооптику, теория Лоренца сыграла большую роль.

Электронная теория, казалось, ответила также на важный вопрос, что является источником излучения, испускаемого веществом. Согласно уравнениям Лоренца, электрон, движущийся прямолинейно и равномерно, полностью переносит с собой свое электромагнитное поле. Следовательно, в этом случае излучения энергии в окружающее пространство не происходит. Но если электрон движется с ускорением, то он излучает электромагнитные волны, и энергия, теряемая им в результате излучения, пропорциональна квадрату ускорения.

Излучение электромагнитных волн переменным током легко объяснить с точки зрения электронной теории, если учесть, что ток представляет собой громадное число периодически колеблющихся электронов. Сразу становится ясно, почему ток может излучать энергию. Понятным становится также излучение волн Герца токами в открытых контурах, такими, например, как ток, текущий в передающей антенне радиовещательных станций. Таким образом, мы возвращаемся к теории излучения волн Герца, основанной на уравнениях Максвелла.

Рассматривая излучение отдельных ускоренно движущихся электронов, теория Лоренца позволяет узнать первопричину излучения, понять, где находится источник излучения, испускаемого веществом. Следовательно, эта теория должна была бы в принципе объяснить возникновение электромагнитных волн в масштабе атома и показать, например, каким образом атомные спектры связаны с движением внутриатомных электронов. Электронная теория столкнулась с большими трудностями при попытке объяснить возникновение атомных спектров. Но вначале казалось, что эта теория ускорительных волн позволяет дать полное и исчерпывающее объяснение процессам испускания излучения веществом. И известное явление, заключающееся в возникновении рентгеновских лучей при резком торможении электронов на антикатоде, служило неопровержимым доказательством справедливости этой теории.

Несмотря на первые блестящие успехи, электронная теория оказалась не в состоянии объяснить явления в масштабе атома. При попытке рассмотреть вопрос о термодинамическом равновесии вещества и излучения на основании уравнений Лоренца возникают трудности, которых можно избежать лишь вводя совершенно новые представления квантовой теории. С другой стороны, для объяснения излучения атомов с точки зрения электронной теории приходится предположить, что в нормальном состоянии внутриатомные электроны неподвижны. В противном случае, двигаясь под действием кулоновских сил внутри чрезвычайно малой области пространства, они обладали бы отличным от нуля ускорением и должны были бы непрерывно терять энергию в виде электромагнитного излучения, что противоречит основному положению об устойчивости атома. Развитие наших знаний об атоме привело нас, как мы видели, к планетарной модели, исходящей из предположения о непрерывном движении электронов-планет. И тут возникло явное противоречие между теорией ускорительных волн и идеей стабильного атома. Разрешение этого противоречия может быть получено только с помощью введения новых, квантовых представлений (теория Бора).

На этих нескольких примерах, которые при желании можно было бы умножить, видно, что электромагнитная теория, дополненная и развитая Лоренцом, который учел дискретную структуру электричества, хотя и блестяще объяснила большое число различных явлений, столкнулась тем не менее с серьезными трудностями при попытке объяснить экспериментальные факты, относящиеся к атомному миру. Эти трудности можно было преодолеть только привлечением совершенно новых представлений, понятий и идей, в корне отличных от понятий и идей, называемых ныне классическими, на которых покоится электромагнитная теория.

ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

Вещества как простые, так и сложные состоят из молекул, а молекулы — из атомов.

Простые вещества — медь, алюминий, цинк, свинец и др. — ..образуются из одинаковых атомов данного вещества.

Это значит, что молекулы меди содержат только атомы меди, .а молекулы алюминия — только атомы алюминия. Молекулы слож­ных веществ образованы из атомов различных химических элемен­тов. Например, молекулы поваренной соли (хлористого натрия) .состоят из атомов хлора и атомов натрия. Молекулы воды содер­жат атомы водорода и атомы кислорода и т. д.

По своим размерам и весу молекулы и атомы очень малы.
Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов, нейтронов и других частиц. Вокруг ядра движутся по определенным орбитам электроны. Размеры электронов, протонов и других частиц атомов измеряются единицами, во много раз меньшими миллиметра.

В обычном состоянии атомы веществ содержат равное количе­ство электронов и протонов. Электроны и протоны являются частицами материи, имеющими электрический заряд.

Электроны обладают отрицательным, а протоны — положительным электрическим зарядом. Электронная оболочка – область, внутри которой движутся электроны.

2. Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел иличастиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля —векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий, электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике — это компонент электрослабого взаимодействия.

В классической физике система уравнений Максвелла описывает взаимодействие электрического поля, магнитного поля и воздействие зарядов на эту систему полей.

Сила Лоренца описывает воздействие электромагнитного поля на частицу.

Эффект поля заключается в том, что при воздействии электрического поля на поверхность электропроводящей среды в её приповерхностном слое изменяется концентрация свободных носителей заряда. Этот эффект лежит в основе работы полевых транзисторов.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).

3. Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами.

Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними

Иначе: Два точечных заряда в вакууме действуют друг на друга с силами, которые пропорциональны произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Эти силы называются электростатическими (кулоновскими).

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

1. точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;

2. их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;

3. взаимодействие в вакууме.

4. Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.

В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах.

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

где — заряд, — потенциал проводника.

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара радиуса R равна (в системе СИ):

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, — к конденсатору. В этом случае взаимная ёмкость этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками.

5. Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённыхдиэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Свойства конденсатора:

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.

С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом.

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью C, собственной индуктивностьюL_C и сопротивлением потерь R_n.

6. Электрический ток— это направленное движение электрических зарядов в веществе или вакууме под воздействием электрического поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А). Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):

По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости и токи смещения. Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянныйи переменный. Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные.

7. Электри́ческая цепь — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой

История развития представлений о строении атома

Все тела живой и неживой природы, несмотря на их разнообразие, состоят из мельчайших частиц — атомов. Первым, кто высказал предположение об этом, считается древнегреческий философ Демокрит. Именно он назвал атомом мельчайшую неделимую частицу образующую вещество (атом в переводе с др.греч «неделимый»). Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома, что атомы разлагаются на более мелкие элементарные частицы и таким образом «атомами» в Демокритовском смысле не являются. Тем не менее, термин используется и теперь в современной химии и физике, несмотря на несоответствие его этимологии современным представлениям о строении атома.

Первые представления об атоме

Демокрит считал, что если разделить, например, яблоко на две половины, затем одну из них еще на две части, и продолжать деление таким образом до тех пор пока результат деления перестанет быть яблоком, то мельчайшая частица которая все еще сохраняет свойство яблока является атомом яблока (т.е. неделимой частью яблока). Он утверждал, что атомы существуют вечно; они настолько малы, что их размеры не поддаются измерению; все атомы одинаковы, но они различаются внешне (атомы воды, например, гладкие, они способны перекатываться, и поэтому жидкости свойственна текучесть; атомы железа имеют зубчики, которыми они зацепляются друг за друга, что придает железу свойства твердого тела). Представления Демокрита были умозрительными.

Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами. Атоми́зм — натурфилософская теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов. (В современной физике вопрос об атомизме является открытым. Некоторые теоретики придерживаются атомизма, но под атомами подразумевают фундаментальные частицы, которые далее неделимы).

Основы атомной теории строения вещества

В 1808 г. физик Дальтон Джон (1766–1844) возродил атомизм, доказал реальность существования атомов. Он писал: «Атомы — химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путем каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов». Джон Дальтон ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных весов, заложив тем самым основу атомной теории строения вещества.

Дальтон был одним из самых знаменитых и уважаемых учёных своего времени, ставший широко известным благодаря своим новаторским работам в разных областях знания. Он впервые (1794) провёл исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, — цветовая слепота, позже названный в его честь дальтонизмом; открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона) (1801), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона). Установил закон кратных отношений (1803), обнаружил явление полимеризации (на примере этилена и бутилена).

Однако вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон изучая катодные лучи, пришел к выводу, что атомы любого вещества содержат отрицательно заряженные частицы, которые он назвал электронами. Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Он предложил первую модель атома — «пудинг с изюмом» 1904 г.

По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью,в положительно заряженной сфере находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Ядерная модель атома (планетарная)

Резерфорд бомбардировал α-частицами атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад.

Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома (планетарная):
1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся электрон по законам электродинамики должен терять энергию и приближаться к ядру. Как показывают расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожное время должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование. В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны. Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприемлемы.

Датским физик Нильс Бор (1885 — 1962) считал что поведение микрочастиц нельзя описывать теми же законами, что и макроскопических тел.
Бор предположил, что величины характеризующие микромир, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения.
Законы микромира — квантовые законы! Эти законы в начале 20 столетия еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех постулатов. дополняющих ( и «спасающих») атом Резерфорда. Его теория впоследствии привела к созданию стройной теории движения микрочастиц — квантовой механики.

Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E. В стационарном состоянии атом не излучает.
Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Квантовая теория строения атома

Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1. Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна, подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость v связаны соотношением де Бройля:

λ = h / mv, где m — масса электрона.

2. Для электрона невозможно одновременно точно, измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности Гейзенберга служит соотношение

∆x∙m∙∆v > ћ/2,
где ∆х — неопределенность положения координаты, ∆v — погрешность измерения скорости.

3. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части около ядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э.Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж.Чедвик — нейтрон.

Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре. Эти параметры связаны между собой соотношениями:

Z = А — N,
N = А — Z,
А= Z + N.

Нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N, называют изотопами.

Сформулированные выше положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики (механику, применимую к движению обычных тел и описываемую законами Ньютона, стали называть классической механикой). Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз Л. де Бройль, немец В.Гейзенберг, австриец Э.Шредингер, англичанин П.Дирак. Впоследствии каждый из этих ученых был удостоен Нобелевской премии.

Квантовая механика — математически очень сложная теория. Но главная трудность не в этом. Процессы, которые описывает квантовая механика, — процессы микромира — недоступны не только восприятию нашими органами чувств, но и воображению. Люди лишены возможности представить их себе наглядно в полной мере, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые человечество наблюдало на протяжении миллионов лет. Человеческое воображение не создает новые, а лишь комбинирует известные, поэтому практически невозможно на нашем макроскопическом языке описать поведение фотонов и других частиц.

Атом вещества с точки зрения электронной теории

1.1. Строение вещества

Все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов.

Простые вещества — медь, алюминий, цинк, свинец и др. — состоят из одинаковых атомов данного вещества. Молекулы сложных веществ могут состоять из нескольких атомов различных химических элементов. Например, поваренная соль (хлористый натрий) состоит из атомов хлора и атомов натрия.

Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро. Электроны расположены на оболочках на различных расстояниях от ядра. Электроны вращаются вокруг ядра по замкнутым орбитам. Каждая орбита называется оболочкой. Оболочки обозначаются буквами K, L, M, N и т.д. Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке, показано в табл. 1.1.

В качестве примера рассмотрим строение атома алюминия, имеющего №13 в таблице Менделеева и атомную массу 27 (рис. 1.1).

Рис 1.1. Строение атома алюминия

Ядро атома алюминия содержит 13 протонов и 14 нейтронов (13 + 14 = 27). Тринадцать электронов размещены на 3-х электронных оболочках.

Внешняя оболочка называется валентной и количество электронов, которое она содержит, называется валентностью. Потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра. Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, то они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещаясь от атома к атому.

Материалы, которые содержат большое количество свободных носителей заряда, называются проводниками. Проводниками являются все металлы, растворы электролитов, расплавы многих веществ и ионизированные газы.

Диэлектрики (изоляторы) в противоположность проводникам препятствуют протеканию электричества. В диэлектриках свободные электроны отсутствуют благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки и препятствуя образованию свободных электронов. Диэлектриками являются различные пластмассы, слюда, фарфор, стекло, мрамор, резина и другие материалы.

Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками занимают полупроводники. Они не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они играют важную роль в электронике.

Атом, имеющий одинаковое число электронов и протонов, является электрически нейтральным. Атом, присоединивший к себе один и более электронов, называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом.

Квантовый мир

7. Модель атома водорода с точки зрения данной теории

Прежде чем приступить к описанию модели строения атома водорода, необходимо вспомнить о возникновении мысли об атоме, т.е. неделимой частице вещества. Еще древнегреческий философ Демокрит видел первооснову всего сущего в атомах. Предложенная Нильсом Бором планетарная модель строения атома и его постулаты к его теории об атоме являются гениальной догадкой этого физика. После проведенных многочисленных опытов физиком Резерфордом была им предложена ядерная модель строения атома. И на основании теории Нильса Бора и опытов физика Резерфорда и других физиков была создана и предложена научному миру ядерная модель строения атома. В настоящее время эта модель легла в основу современной науки о строении атомов. Закономерно может возникнуть вопрос: почему возникшая новая форма материи в форме атома чрезвычайно устойчива? Нильс Бор, Резерфорд и другие физики той поры не смогли объяснить природу этой устойчивости. Так же как первооткрыватель знаменитого закона о «Всемирном тяготении» И. Ньютон объяснения природы силы тяготения не дал. Природу возникновения новой формы материи в форме атома можно было бы объяснить в том случае, если науке была бы известна природа силы тяготения.

В данной теории и предлагается объяснение возникновения вещества среды матричного вакуума и природы гравитации в среде вакуума. И на основании этого предлагается модель строения атома водорода. Принципиально в своем строении атомы более тяжелых элементов не отличаются от строения атома водорода. Нильс Бор и другие физики предполагали, что электрон движется по орбите вокруг протона-ядра на определенном расстоянии от ядра атома и при этом успевает побывать в одно мгновение во всех точках сферы атома, определяемой радиусом орбиты электрона, разумеется, на поверхности этой сферы. Но о точки зрения данной теории, их взгляд на это явление был не верен. Верно одно, что атом представляется подобием планетарной системы. Физики, в проводимых опытах в своих лабораториях, наблюдали и наблюдают именно то, что видел со своей точки зрения Нильс Бор и физики той поры.

Рис. 7.1. Атом водорода: а) вращение атома в одной плоскости по оси z; б) вращение атома после воздействия силы F по осям z и y

С точки зрения данной теории, форма атома не шар, а диск (рис. 7.1). Причина этому явлению является то, что диск атома приобрел дополнительное движение перпендикулярно плоскости диска атома. Эта форма движения возникает тогда, когда атом относительно свободен, как, например, в газовой среде. Поэтому атом виден как шар. Отсюда и электрон виден в каждой точке сферы атома. Согласно данной теории, предлагается модель строения атома водорода. Центральное место в атоме водорода занимает ядро-протон. Вокруг протона по орбите движется электрон. Орбита электрона по радиусу переменная, т.е. электрон при движении по орбите то приближается к протону, то удаляется. Но эта перемена расстояний электрона от ядра находится в пределах закономерности. Эта закономерность заключается в том, что если электрон, поглотив элементарный импульс среды матричного вакуума, не передает его частицам среды вакуума, то он увеличивает свою кинетическую энергию и по этой причине отходит от ядра атома.

Между электронами, которые находятся на внешних электронных оболочках атомов, и окружающей их средой всегда протекает процесс обмена энергиями. Если электрон получил количество энергии в форме элементарных импульсов или то же самое в форме фотонов больше энергии упругости окружающей среды, т.е. упругости волны де Бройля, то в этом случае электрон покидает атом. Таким образом, атом приобретает свойство иона. В другом случае, если электрон получил количество энергии меньше, чем энергия упругости среды, т.е. упругости волны де Бройля, то окружающая среда прижимает электрон к ядру атома на первоначальную орбиту. В процессе прижатия электрона к ядру атома, окружающая среда выдавливает из электрона позлащенную им энергию. Но эта энергия выходит из электрона не отдельными элементарными импульсами, а пучками элементарных импульсов или то же самое – фотонами той или иной длины волны. Величина пучка из элементарных импульсов зависит, от какого атома они излучаются, от атома водорода или от атома урана. Таким образом, внешние электроны атомов дают возможность человеческому глазу созерцать мир в разнообразных цветах. Одиночный фотон или элементарный импульс человеческим глазом ощущается в виде белого цвета. Продолжая описание строения атома водорода, отметим, что мнимые оси протона и электрона параллельны плоскости сечения по экваторам протона и электрона находятся в одной плоскости. Движения спинов протона и электрона направлены в одну сторону, по часовой стрелке или против часовой стрелки. На длине орбиты электрона укладывается волн де Бройля электрона только целое их количество, например, 100 волн, а не 100,5 волны.

Раннее упоминалось, что движущиеся протон и электрон увлекают в движение и свои, так называемые атмосферы, т.е. волны де Бройля. Так же увлекаются эти, так называемые атмосферы, во вращательное движение протона и электрона. В момент начала контакта между протоном и электроном, между ними возникает отталкивающий момент, т.е. отталкиваются друг от друга. А окружающая их среда матричного вакуума, т.е. волна де Бройля вечно стремится их сжать. Но преодолеть эти отталкивающие моменты природной упругости у среды матричного вакуума недостаточно. Благодаря этому, в природе возникла новая форма материи в форме атома, т.о. вещества с химическими свойствами.

Дадим краткое описание возникновения отталкивающего момента между протоном и электроном, т.е. о силах взаимодействия внутри атома. С наружной стороны атома, согласно данной теории, вращающиеся так называемые атмосферы, т.е. волны де Бройля, протона и электрона направлены в одну сторону по часовой стрелке или против часовой стрелки. А внутри атома потоки волн де Бройля протона и электрона сталкиваются, так как поток волны де Бройля электрона с противоположной стороны электрона направлен в противоположную сторону. И вследствие этого, возникают отталкивающие моменты между протоном и электроном. Отсюда можно сделать вывод, что так называемый заряд электрона и противоположный заряд протона представляют собой величину отталкивающих моментов между электроном и протоном. Это была описана, наипростейшая модель строения атома водорода.

Необходимо теперь описать процесс образования атома в среде матричного вакуума. Его в природе так же готового не было. К вращающемуся протону окружающая среда вакуума своей упругостью прижимает электрон. Сближение электрона с протоном может происходить в любом направлении относительно сферы протона. Приблизившийся электрон к протону подхватывается мощным потоком вращающейся атмосферы протона, т.е. волны де Бройля и увлекает электрон во вращение. Под действием центробежной силы электрон по поверхности протона перемещается к экватору протона. Затем той же центробежной силой выбрасывается в окружающее протон пространство, и электрон становится спутником протона на определенной орбите. Эта орбита определяется отталкивающими моментами и упругостью среды матричного вакуума. Скорость движения электрона вокруг протона целиком зависит от спина протона. Спин электрона и положение его мнимых осей в процессе выброса с поверхности протона ориентируется согласно принципиальной конструкции строения атома водорода.

Для сравнения двух взглядов на силы взаимодействия внутри атома, необходимо заглянуть в 4 том квантовой физики Берклеевского курса, где автором Э. Вихманом в §52 рассматривается, предложенная Нильсом Бором, модель атома. Что электрон, находясь в атоме, который находится в основном состоянии, не излучает электромагнитной энергии. В противном случае, согласно электромагнитной теории, должен упасть на ядро атома за очень короткое время. И на основании этого эту планетарную модель атома, нельзя считать серьезной теорией. При этом даже Нильс Бор сомневался в возможности существования такой модели атома. В квантовом физике Э. Вихмана в §54 признается, что для преодоления этих трудностей в физике всегда будут нужны свежие идеи. Нельзя не согласиться с Нильсом Бором и другими физиками о несерьезности планетарной модели атома, если это рассматривать со старых позиций, которые еще господствуют в научном мире в настоящее время. В данной теории планетарная модель атома признается серьезной теорией, правильной и с точки зрения данной теории, единственной. Если все это рассматривать с диаметрально противоположных позиций, которые начинают брать верх в научном мире.

Как показывают многочисленные опыты, размер ядра атома водорода приблизительно равен 10 –13 см, а размер атома водорода равен 10 –8 см. Отношение массы электрона к массе протона равно 1/1836. Отсюда можно заключить, что внутренний объем атома водорода очень велик, относительно составляющих частиц. В научном мире пока еще господствует мнение, что это пустой объем. Но с точки зрения данной теории внутренняя полость атома заполнена чрезвычайно плотной движущейся так называемой атмосферой протона, т.е. волной де Бройля, Это и есть причина возникновения отталкивающих моментов между протоном и электроном. Если электрон прижимается к протону посторонней силой, то отталкивающий момент между протоном и электроном прогрессивно возрастает, так как плотность частиц внутренних слоев волны де Бройля протона становится плотнее. По этой причине прогрессивно возрастают отталкивающие моменты между протоном и электроном.

Теперь можно ответить на вопрос: почему новая форма материи чрезвычайно устойчива? Причина устойчивости атома является прогрессивно возрастающий отталкивающий момент между протоном и электроном в момент, когда на атом производится давление с внешней стороны атома. Ранее был описан процесс образования атома. Так как строение атомов более тяжелых элементов принципиально не отличается от строения атома водорода. Электроны входят в структуру атомов более тяжелых элементов по тому же принципу. Среда матричного вакуума прижимает электрон к более тяжелому атому с любого направления, относительно сферы атома. Электрон так же выбрасывается центробежной силой на первую электронную оболочку атома. Так как на первой электронной оболочке атома для электрона нет места, то этот электрон выдавливается отталкивающими моментами электронов на вторую электронную оболочку атома.

Из выше описанного о строении атома и является поведение пород, извлеченных с больших глубин при бурении сверх глубоких скважин на Кольском полуострове. Извлеченные на поверхность куски пород подпрыгивали, шипели. Объясняется это тем, что атомы глубинных пород испытывают на себе дополнительный гнет давления сверх лежащих пород помимо давления окружающей среды матричного вакуума. В атомах глубинных пород электроны дополнительным давлением были ближе прижаты к ядру атома. Из выше описанного становится ясным, что атом представляет собой очень прочную структуру, и свое название в прошлом полностью оправдал. Атом любого элемента имеет вращающуюся волну де Бройля, и по этой причине между атомами существуют отталкивающие моменты. Но окружающая среда вакуума соединяет их в точке, где отсутствуют отталкивающие моменты или наименьшие отталкивающие моменты.