В нижеприведенной статье рассказывается об атоме и его строении: как его открывали, как развивали теорию в своих умах и при проведении экспериментов мыслители и ученые. Квантово-механическая модель атома как самая современная на сегодняшний день наиболее полно описывает его поведение и частицы, входящие в состав. О ней и ее особенностях читайте ниже.
Понятие атома
Химически неделимой минимальной частью химического элемента с набором характерных для него свойств является атом. В него входят электроны и ядро, которое, в свою очередь, содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны. Если в нем содержится одинаковое число протонов и электронов, то сам атом будет электрически нейтральным. В ином случае у него появляется заряд: положительный или отрицательный. Тогда атом называется ионом. Таким образом осуществляется их классификация: химический элемент определяется количеством протонов, а его изотоп — нейтронами. Связываясь друг с другом на основе межатомных связей, атомы образуют молекулы.
Немного истории
Впервые об атомах заговорили древнеиндийские и древнегреческие философы. А в период семнадцатого и восемнадцатого веков химики подтвердили идею, экспериментально доказав, что некоторые вещества нельзя расщеплять на составляющие их элементы посредством химических опытов. Однако с конца девятнадцатого до начала двадцатого веков физики открыли субатомные частицы, благодаря чему стало понятно, что атом не является неделимым. В 1860 году химики сформулировали понятия атома и молекулы, где атом стал наименьшей частицей элемента, который входил в состав как простых, так и сложных веществ.
Модели строения атома
- Кусочки материи. Демокрит считал, что свойства веществ могут быть определены массой, формой и другими параметрами, которые характеризуют атомы. Например, огонь имеет острые атомы, из-за чего имеет способность обжигать; твердые тела содержат шероховатые частицы, благодаря чему сцепляются друг с другом очень крепко; в воде они гладкие, поэтому она имеет возможность течь. По Демокриту, даже человеческая душа состоит из атомов.
- Модели Томсона. Ученый рассматривал атом как положительно заряженное тело, внутри которого находятся электроны. Эти модели опроверг Резерфорд, проведя свой знаменитый опыт.
- Ранние планетарные модели Нагаоки. В начале двадцатого века Хантаро Нагаока предложил модели ядра атома, подобные планете Сатурн. В них вокруг маленького ядра, заряженного положительно, вращались объединенные в кольца электроны. Эти версии так же, как и предыдущие, оказались ошибочными.
- Планетарные модели Бора-Резерфорда. После проведения нескольких экспериментов Эрнест Резерфорд предположил, что атом подобен планетной системе. В нем электроны передвигаются по орбитам вокруг ядра, которое заряжено положительно и находится в центре. Но классическая электродинамика противоречила этому, так как, по ней, электрон, двигаясь, излучает электромагнитные волны, а потому теряет энергию. Бор ввел специальные постулаты, по которым электроны не излучали энергию, находясь при этом в некоторых специфических состояниях. Получалось, что классическая механика оказалась неспособной описать эти модели строения атома. Это в дальнейшем привело к появлению квантовой механики, позволяющей объяснить как данное явление, так и многие другие.
Квантово-механическая модель атома
Эта модель является развитием предыдущей. Квантово-механическая модель атома предполагает, что в ядре атома находятся не имеющие заряд нейтроны и положительно заряженные протоны. Вокруг него расположены отрицательно заряженные электроны. Но по квантовой механике, электроны не движутся по заранее заданным определенным траекториям.Так, в 1927 году В. Гейзенберг озвучил принцип неопределенности, по которому представляется невозможным точное определение координаты частицы и ее скорости или импульса.
Химические свойства электронов определены их оболочкой. В таблице Менделеева атомы расположены согласно электрическим зарядам ядер (речь идет о количестве протонов), нейтроны при этом не влияют на химические свойства. Квантово-механическая модель атома доказала, что основная его масса приходится на ядро, а доля электронов при этом остается незначительной. Она измеряется в атомных единицах массы, которая равна 1/12 массы атома изотопа углерода С12.
Волновая функция и орбиталь
Согласно принципу В. Гейзентберга, нельзя говорить со стопроцентной уверенностью о том, что электрон, который имеет определенную скорость, находится в какой-либо конкретной точке пространства. Для того чтобы описать свойства электронов, используют волновую функцию пси.
Вероятность обнаружения частицы в конкретное время прямо пропорциональна квадрату ее модуля, который вычислен для определенного времени. Пси в квадрате называют плотностью вероятности, которая характеризует электроны вокруг ядра в виде электронного облака. Чем она будет больше, тем вероятность электрона в определенном пространстве атома будет выше.
Для лучшего понимания можно представить наложенные фотографии одна на другую, где зафиксированы положения электрона в разные моменты времени. В том месте, где точек будет больше и облако станет самым плотным, и наиболее высока вероятность нахождения электрона.
Рассчитано, например, что квантово-механическая модель атома водорода включает в себя наибольшую плотность электронного облака, находящегося на расстоянии 0,053 нанометра от ядра.
Орбита из классической механики заменена в квантовой электронным облаком. Волновая функция электрона пси здесь называется орбиталью, которая характеризуется формой и энергией электронного облака в пространстве. Применительно к атому имеется в виду пространство вокруг ядра, в котором нахождение электрона является наиболее вероятным.
Невозможное — возможно?
Как и вся теория, квантово-механическая модель строения атома совершила поистине революцию в научном мире и среди обывателей. Ведь и по сей день трудно представить, что одна и та же частица в один и тот же момент времени может находиться одновременно не в одной, а в разных местах! Для защиты устоявшихся укладов говорят, что в микромире происходят события, которые немыслимы и не являются таковыми в макромире. Но так ли это на самом деле? Или люди просто боятся даже допустить возможность того, что «капля подобна океану и океан — капле»?
