Периодический закон и периодическая система элементов менделеева

 

К концу 19 века был накоплен экспериментальный материал и открыт периодический закон Д. И. Менделеевым, которые указывали на то, что атом – это сложная система, а не «конечная» неделимая частица материи, как считали раньше.

На сложность строения атома указывали:

- открытие фосфорисценции – свечения веществ после предварительного их освещения;

- явление фотоэффекта;

- открытие явления радиоактивности;

- открытие периодического закона, который показал, что между химическими элементами, состоящими из атомов, имеется взаимосвязь, а это значит, что у атомов имеется что-то общее – а это означает, что они должны иметь сложное строение.

Первыми были обнаружены в атоме электроны. Было известно, что при накаливании металлов, а так же при освещении их УФ-лучами поверхность металла испускает электричество. Природа этого электричества была выявлена опытами с так называемыми катодными лучами, которые получаются при электрическом разряде в разряженном пространстве. Выяснилось, что кАтодные лучи являются потоком отрицательно заряженных частиц с очень малой массой. Дальнейшие исследования подтвердили, что частички, испускаемые металлами при их нагревании или освещении, равно как и частички катодных лучей и β-лучи, представляют собой одно и то же. Эти частички назвали электронами. Т. к. электроны могут быть получены независимо от вещества, из которого состоят электроды, то это доказывает, что электроны входят в состав атомов любого элемента. До работ с катодными лучами считалось, что количество электричества может меняться непрерывно. Но уже в конце 19 века приблизительно правильно измерили величину наименьшего количества электричества, равного заряду электрона. Проведенные опыты показали, что наиболее легко удаляемыми частями атомной структуры являются именно электроны.

Электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, следовательно, внутри самого атома отрицательный заряд должен компенсироваться положительным.

Исследования радиоактивности, т.е. самопроизвольного распада радия и других радиоактивных элементов, показало, что излучение это является сложным. Если эго поместить в электрическое (или магнитное) поле, то оно распадается на три составные части: α-,β- и γ-лучи. α-лучи отклоняются в электрическом поле к отрицательному полюсу и представляют собой поток частиц сравнительно большой массы (заряд ядра Не), заряженных положительно. β-лучи – это поток электронов; γ-лучи представляют собой волны, подобные световым, но гораздо более короткие (это поток фотонов – квантов энергии; при их испускании ядро не меняет ни заряда, ни массы – это следствие перехода ядра из возбужденного в устойчивое положение).

Томпсоном (1904 г.) была предложена атомная модель на основе представления о положительном заряде, равномерно распределенном во всем объеме атома и нейтрализуемом электронами, вкрапленными в это «море положительного электричества». Но эта модель была сразу опровергнута работами Резерфорда с α-частицами.

α-частицы имеют массу, равную 4 а.е.м. (масса электрона равна 1/1820 а.е.м.); заряд положительный, равный удвоенному заряду электрона. Опыты Резерфорда состояли в следующем Поток α-частиц, вылетающих с большой начальной скоростью, направлялся на тонкий металлический листок. Оказалось, что большинство α-частиц проходят сквозь листок без отклонения, часть отклоняется на различные углы, а примерно 1/10000 часть отскакивает почти в обратном направлении.

На основе опытов был сделан вывод: величина положительной части атома, его «ядра» занимает мизерную часть объема атома. Размеры ядра были оценены путем подсчета относительного числа обратного отскока α-частиц.

Кроме того, на основе опытов с α-частицами приблизительно были оценены величины положительного заряда ядер различных атомов.

На основе опытов Резерфорд предложил планетарную модель атома, уподоблявшей атом солнечной системе: практически вся масса и положительный заряд атома сконцентрированы в малой части объема – ядре; положительный заряд компенсируется электронами, вращающимися вокруг ядра.

Опыты Резерфорда и Г.Мозли и рассчитанные ими заряды ядер элементов, которые оказались равными порядковым номерам в таблице Менделеева позволили получить более ясный смысл периодического закона Менделеева:

Свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элемента.

Т.е. номер элемента в периодической системе – это величина положительного заряда ядра и количество электронов в атоме – в этом физический смысл порядкового номера.

Таким образом, каждое атомное ядро имеет следующие основные характеристики: заряд (Z) и массу (А). Структурными единицами всех атомных ядер (нуклонами) являются две простые частицы с почти одинаковой массой (равной 1 а.е.м.): протон (р⁺) – несет положительный заряд, и нейтрон (n⁰) - электронейтральная частица.

Структура любого атомного ядра: Z∙р + (А – Z)∙n.

У большинства элементов могут быть изотопы – атомы элемента, характеризующиеся различными массовыми числами, т.е. ядра отдельных атомов при постоянном Z (числе протонов) могут различаться числом нейтронов (А – Z).

Протонно-нейтронную теория ядра разработали в 1932 г. Немец Гейзенберг и Д.Д. Иваненко.

Атомы различных элементов, ядра которых содержат одинаковое число нуклонов, называются изобарами.

 

Модель атома Бора

Планетарная модель атома имела ряд противоречий. Согласно классической электродинамики, вращающийся вокруг ядра электрон (электрический заряд) должен непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Отсюда следует: 1) электрон должен в результате потери энергии упасть на ядро; 2) спектр излучения атома должен быть сплошным.

Однако атомы не исчезают (электрон не падает на ядро), а спектр излучения –линейчатый, где каждая линия в спектре образуется различными длинами волн излучения (различной частотой излучения).

Н. Бор (1913 г.) внес в планетарную модель атома Резерфорда квантовые представления. Квантовая теория разработана Планком, который считал, что наряду с пределами делимости вещества и электричества существует и предел делимости энергии – квант энергии. Величина излучаемого кванта энергии (Е) тем больше, чем больше частота излучения (ν), т.е. чем меньше длина волны (λ).

Для любого электромагнитного излучения величину кванта энергии можно вычислить из соотношения – уравнения Планка:

Е = h∙ν = h∙(с/λ), где h – постоянная Планка (6,63∙10^-34 Дж∙с).

Таким образом, каждую линию линейчатого спектра создают фотоны – кванты света с одинаковой энергией.

Атомы излучают энергию в виде фотонов или квантов энергии, которые для каждого вида атомов имеют вполне определенные значения.

Модель атома водорода Бора была разработана на основе двух положений-постулатов:

1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по всевозможным орбитам, а лишь по строго определенным стационарным орбитам. На таких «дозволенных» орбитах он вращается, не излучая энергии. Математическое выражение для этого постулата:

m∙υ∙r = n∙h/2π (n-главное квантовое число; r-радиус орбиты, υ-скорость движения электрона).

2. При переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон поглощает или излучает квант энергии: Е₂ – Е₁ = h∙ν.

Ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому – нормальному – состоянию атома. Чем дальше от ядра расположена орбита, тем большей энергией обладает находящийся на ней электрон.

Для атома водорода состояние, которое отвечает значению n=1, является основным или нормальным. Состояние атома водорода, при котором электрон находится на любой другой орбите, соответствующей значениям n = 2, 3, 4,…, называется возбужденным.

Математические решения уравнений, связывающих радиусы орбит со скоростью движения электрона, показывают, что радиусы орбит электрона атома водорода относятся друг к другу как квадраты натуральных чисел, а скорость движения электрона уменьшается с увеличением n.

Число n, определяющее размеры радиуса орбит, скорости движения электронов и их энергию, названо главным квантовым числом.

Модель атома Бора была дополнена Зоммерфельдом, который предположил, что в атоме могут быть не только круговые, но и эллиптические орбиты (что объясняло происхождение тонкой структуры спектра водорода).

Теория Бора-Зоммерфельда была построена на противоречиях – классических и квантовомеханических представлениях. Недостатки теории: 1) нельзя объяснить все детали спектра атома водорода; 2) нельзя количественно рассчитать химическую связь даже для атома водорода.

В теории Бора-Зоммерфельда предполагалось, что можно определить положение и скорость каждого электрона, а также проследить его движение по орбите. Но это оказалось невозможно.