Модель атома Э. Резерфорда (1911).

1. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной оболочки, образованной вра­щающимися вокруг ядра электронами.

2. Ядро имеет малый размер и содержит основную массу атома.

3. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра атома.

Диаметр электронной оболочки — около 10^-8 см. Диа­метр ядра — около 10^-12-13 см. Атом электронейтрален: суммарный заряд электронов в атоме равен заряду его ядра (числу протонов в ядре).

Заряд ядра численно равен порядковому номеру эле­мента в периодической системе (Правило Г. Мозли).

Эта модель позволила объяснить многие свойства. Вме­сте с тем она имела и ряд противоречий. Они состоят в следующем.

1. Движущийся электрон должен потерять свою энер­гию и упасть на ядро, т. е. атом должен быть неустой­чив. На самом деле он устойчив.

2. Движущийся электрон, непрерывно теряющий свою энергию в процессе движения, должен давать сплошные спектры излучения. На самом деле спектры являются линейчатыми или дискретными, т. е. состоят из отдель­ных полос.

Таким образом, модель Резерфорда оказалась во мно­гом не соответствующей действительности. При всем этом она положена в основу современной модели атома.

Некоторые противоречия этой модели были сняты в атомной модели Н. Бора. Она базировалась на квантовой теории света, предложенной М. Планком в 1890 г., и на законах классической механики.

 Постулат М. Планка:

Лучистая энергия испускается и поглощаетсятелами дискретно, т. е. отдельными порциями — квантами.

 

  Принцип А. Эйнштейна (1905):

Световая электромагнитная (лучистая) энергия существует только в форме квантов (фотонов).

В последующие годы физиками было установлено сле­дующее: фотон света обладает двойственной, корпус­кулярно-волновой природой. Это означает, что он являет­ся частицей (корпускулой), так как производит давле­ние, не способен дробиться, может выбить электрон из атома элемента.

В то же время он является волной, на что указывает волновой характер распространения света и его волновые свойства: интерференция и дифракция. Фотон не имеет точного положения в пространстве.

Двойственная корпускулярно-волновая природа из­лучения описывается следующими уравнениями:

1. Энергия фотона как частицы связана с его массой (m) уравнением Эйнштейна:

Е = m с²                                   

Энергия фотона света как волны может быть рассчи­тана по уравнению Планка, учитывающему частоту све­товой электромагнитной волны (ⱱ):

Е = hv,                                         

где h — константа Планка = 6,6 ∙ 10³⁴ Дж ∙ с.

Эти представления, а также установленный факт ди­скретности энергии электрона в атоме (Дж. Франк, Г. Герц, 1912) позволили Бору предложить свою модель атома.

Модель атома Н. Бора (1913).

1. В центре атома находится положительно заряжен­ное ядро.

2. Вокруг ядра вращаются электроны по определен­ным стационарным орбитам.

3. Двигаясь по своей орбите, электрон не излучает (и не поглощает) электромагнитную энергию.

4. Излучение (или поглощение) энергии происходит при скачкообразном переходе электрона с одной орбиты на другую с испусканием (поглощением) кванта света, энергия которого равна разности энергий электрона в начальном и конечном состоянии.

∆Е _эл-на = hv,                                   

Где ∆Е_эл-на — разность энергий возбужденного и основно­го состояний электрона (соответствующих электронных подуровней, рисунок), h — константа Планка, ⱱ — частота световой электромагнитной волны.

Предложенная модель позволила Бору описать пове­дение электрона в атоме водорода и предсказать полный спектр его излучения (поглощения). Вместе с тем она содержала и ряд противоречий.

1. Постулаты Бора противоречили законам механики, но сами законы использовались при расчетах.

2. Не объяснялся способ перехода электрона с одной орбиты на другую и его промежуточное состояние в процессе перехода.

3. Не объяснялась различная интенсивность линий атомных спектров.

Данная модель была шагом вперед по сравнению с моделью Резерфорда, но и она была несовершенна, так как механически переносила представления макромира в микромир.

.

 

Суть планетарной модели строения атома (Э.Резерфорд, 1911 г.) можно свести к следующим утверждениям:

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.

Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию. Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и в конце концов упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следовало, что модель Резерфорда в чем-то ошибочна.

Теория Бора. В 1913 г. датский физик Н.Бор предложил свою теорию строения атома. Как и Резерфорд, он считал, что электроны двигаются вокруг ядра подобно планетам, движущимся вокруг Солнца. Однако к этому времени уже доказали дискретность энергии электрона в атоме и это позволило Бору положить в основу новой теории два необычных предположения (постулата):

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам. Радиус орбиты (r) и скорость электрона (Ѵ) связаны квантовым соотношением Бора:                                               

mѴr = nћ, где m – масса электрона, n – номер орбиты, ћ – постоянная Планка (читается «аш перечёркнутое»), она равна 1,05 ∙ 10^-34 Дж∙ с (джоуль в секунду).

2. При движении по стационарным орбитам электрон не излучает и не поглощает энергии.

Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется закону классической физики. Согласно Бору, излучение или поглощение энергии определяется переходом из одного состояния(например с энергией Е₁),  в другое (с энергией Е₂), что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается энергия, величина которой определяется соотношением:

∆Е = Е₁ – Е₂ = hⱱ      

h -  константа Планка, она равна 6,62 ∙ 10^-34 Дж∙ с; ⱱ - частота излучения.

Бор, используя это уравнение, рассчитал частоты линий спектра атома водорода, которые очень хорошо согласовывались с экспериментальными данными, но было обнаружено также и то, что для других атомов эта теория не давала удовлетворительных результатов.

Квантовая модель строения атома. В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены и дополнены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне только как частице. Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.

Свойства элементарных частиц, образующих атом

Частица	Заряд		Масса
	Кл	условн. ед.	г	а.е.м.
Электрон	-1,6∙10-19	-1	9,10∙10-28	0,00055
Протон	1,6∙10-19	+1	1,67∙10-24	1,00728
Нейтрон	0	0	1,67∙10-24	1,00866