Мысли о сущности всего окружающего начали посещать человечество задолго до момента расцвета современной цивилизации. Сначала люди размышляли о существовании неких высших сил, которые, как они считали, предопределяли все бытие. Но уже довольно скоро философы и священнослужители начали задумываться над тем, из чего, собственно, состоит сама ткань этого бытия. Теорий было множество, но в исторической перспективе главенствующей стала атомарная.
Родоначальник атомарной теории
С чего начинается первый урок химии? Строение атома – вот главная тема. Вы наверняка помните, что слово «атом» переводится с древнегреческого языка как «неделимый». Сейчас многие историки считают, что первым выдвинул теорию, гласившую о неких мельчайших частицах, из которых состоит все сущее, Демокрит. Он жил еще в пятом веке до нашей эры.
К величайшему сожалению, об этом выдающемся мыслителе практически ничего не известно. До нас не дошел ни один письменный источник тех времен. А потому об идеях величайшего ученого своего времени нам приходится узнавать исключительно из трудов Аристотеля, Платона, а также других древнегреческих мыслителей.
Итак, наша тема - "Строение атома". По химии не все имели высокие оценки, но многие помнят о том, что все выводы древних ученых были построены исключительно на умозаключениях. Демокрит исключением не был.
Как рассуждал Демокрит?
Логика его была предельно проста, но вместе с тем гениальна. Представьте, что у вас есть самый острый нож во всем мире. Вы берете яблоко, к примеру, а затем начинаете его разрезать: на две половинки, на четвертинки, их снова делите... Словом, рано или поздно вы получите ломти такой мизерной толщины, что дальше их делить уже будет нельзя. Вот это и будет неделимый атом. В химии это утверждение считалось истинным едва ли не до конца 19 века.
От Демокрита к современным представлениям
Следует заметить, что от древнегреческих представлений о микромире сохранилось одно только слово «атом». Сейчас каждый школьник знает, что окружающий нас мир состоит из куда более фундаментальных и мелких частиц. Кроме того, с точки зрения современной науки теория Демокрита была не более чем чисто гипотетической выкладкой, не подкрепленной ровным счетом никакими доказательствами. Впрочем, в те времена не было электронных микроскопов, так что доказать свою правоту иными способами у мыслителя бы все равно не получилось.
Первые подозрения о том, что Демокрит на самом деле прав, появились у химиков. Они быстро обнаружили, что многие вещества в ходе реакций распадаются на более простые компоненты. Кроме того, именно химики вывели строгие закономерности данных процессов. Так, они обратили внимание, что для получения воды требуется восемь массовых долей кислорода и одна - водорода (закон Авогадро).
В Средние века любое материалистическое учение, в том числе и теория Демокрита, распространения и развития получить не могло в принципе. И только в XVIII веке ученые вновь возвращаются к атомистической теории. К тому времени химик А. Лавуазье, наш великий М. В. Ломоносов и талантливейший английский физик Д. Дальтон (о котором мы поговорим отдельно), уже убедительно доказали своим коллегам реальность существования атомов. Следует подчеркнуть, что даже в просвещенном 18 веке долгое время атомарная теория многими выдающимися умами того времени всерьез не рассматривалась.
Как бы там ни было, но даже эти великие ученые еще не выдвигали теорий о строении самого атома, так как он считался единой и неделимой частицей, основой всего сущего.
К сожалению, химические опыты не могли наглядно доказать реальность превращения атомов одних веществ в другие. Но все же основополагающей наукой в изучении строения атомов стала именно химия. Атомы и молекулы долгое время изучались одним гениальным русским ученым, без которого нельзя представить себе современную науку.
Учение Д. И. Менделеева
Но учение Менделеева ценно не только этим. До сих пор остается неясным, как именно формировались атомы различных химических элементов. Но великий русский ученый смог убедительно доказать, что все они без исключения состоят в близком родстве друг с другом.
Открытие Дальтона
Но суметь интерпретировать множественные разрозненные данные смог только Джон Дальтон, имя которого навеки запечатлено в открытом им самим законе. Обычно ученый исследовал только поведение газов, но круг интересов у него был намного шире. В 1808 году он приступил к публикации своей новой фундаментальной работы.
Именно Дальтон предположил, что каждому химическому элементу соответствует определенный атом. Но ученый, как и Демокрит за много веков до него, все же полагал, что они являются полностью неделимыми. В его черновиках немало схематичных рисунков, на которых атомы представлены в виде простых шариков. Эта идея, зародившаяся более 2500 лет назад, просуществовала едва ли не до нашего времени! Впрочем, только сравнительно недавно было открыто действительно глубокое строение атома. Химия (9 класс в частности) даже сегодня во многом руководствуется теми идеями, которые были впервые озвучены в 18 веке.
Экспериментальные подтверждения делимости атомов
Впрочем, до конца 19 века практически все ученые считали, что атом - тот предел, за которым ничего нет. Они думали, что основой всего мироздания является именно он. Этому способствовали различные эксперименты: как ни крути, но изменялись только лишь молекулы, в то время как с самими атомами веществ не происходило ровным счетом ничего, чего бы не смогла объяснить простейшая химия. Строение атома углерода, к примеру, остается совершенно неизменным даже в разных аллотропных состояниях.
Словом, долгое время не было ровным счетом никаких экспериментальных данных, которые хотя бы косвенно подтверждали подозрения некоторых ученых о том, что имеются какие-то более фундаментальные частицы. Только в 19 веке (не в последнюю очередь благодаря опытам супругов Кюри) было доказано, что в определенных условиях атомы одних элементов могут превращаться в другие. Эти открытия легли в основу современных представлений об окружающем нас мире.
Изюм и пудинги
В 1897 году Дж. Томсоном, английским физиком, было установлено, что в любом атоме имеется некое количество отрицательно заряженных частиц, которые он же назвал «электронами». Уже в 1904 году ученый создал первую атомарную модель, которая более известна под обозначением «пудинг с изюмом». Название вполне точно отражает суть. Судя по теории Томсона, атом в химии – это некий «сосуд» с равномерно распределенным в нем зарядом и электронами.
Заметим, что подобная модель имела хождение даже в 20-м веке. Впоследствии оказалось, что она была совершенно неверной. Но все же это была первая осознанная попытка человека (причем на научной основе) воссоздать окружающий его микромир, предложив модель атома, достаточно простую и наглядную.
Опыты Кюри
Принято считать, что супруги Пьер и Мария Кюри положили начало атомной физике. Конечно же, вклад этих гениальных людей, фактически пожертвовавших своим здоровьем и жизнью, нельзя недооценить, но их опыты имели и куда более фундаментальное значение. Практически одновременно с Резерфордом они доказали, что атом – гораздо более сложная и разнородная структура. Само явление радиоактивности, которое они исследовали, именно об этом и говорило.
«Планетарный» подход
Наконец Резерфорд решил произвести бомбардировку атомов тяжелых металлов α-частицами (полностью ионизированный гелий). Ученый сразу же предположил, что легкие электроны никак не смогут поменять траекторию движения частиц. Соответственно, рассеивание могут вызывать только какие-то более тяжелые элементы, которые могут содержаться в ядре атома. Сразу заметим, что изначально Резерфорд никак не претендовал на изменение теории «пудинга». Эта модель атома считалась безукоризненной.
А потому результат, при котором почти все частицы без проблем проходили через тонкий слой серебра, его не удивил. Вот только вскоре выяснилось, что некоторые атомы гелия отклонялись сразу на 30°. Это было совсем не то, о чем говорила в то время химия. Состав атома по Томсону предполагал равномерное распределение электронов. Но этому явно противоречили наблюдаемые явления.
Чрезвычайно редко, но все же некоторые частицы улетали под углом даже 180°. Резерфорд был в глубочайшем недоумении. Ведь это резко противоречило «пудингу», заряд в котором должен был быть (по теории Томсона) распределен равномерно. Следовательно, неравномерно заряженные участки, которые могли бы отталкивать ионизированный гелий, должны были отсутствовать.
К каким выводам пришел Резерфорд?
Эти обстоятельства и натолкнули ученого на мысль, что атом практически пуст и только в центре сосредоточено какое-то образование с положительным зарядом - ядро. Так и возникла планетарная модель атома, постулаты которой следующие:
- Как мы уже и говорили, в центральной части расположено ядро, причем его объем (по отношению к размеру самого атома) ничтожно мал.
- Практически вся атомарная масса, а также весь положительный заряд находятся именно в ядре.
- Вокруг него вращаются электроны. Важно, что их число равно значению положительного заряда.
Парадоксы теории
Конечно, ничего такого в реальности не происходит. Любой атом не только совершенно устойчив, но и может существовать совершенно неограниченное время, причем никакого излучения от него идти не будет. Такое несоответствие объясняется тем, что к микромиру мы пытаемся применять законы, которые действительны только в отношении классической механики. Они же, как оказалось, к явлениям атомарного масштаба неприменимы совершенно. А потому строение атома (химия, 11 класс) авторы учебников стараются объяснить как можно более простыми словами.
Учение Бора
Датским физиком Нильсом Бором было доказано, что на микромир нельзя распространять те же законы, положения которых справедливы для макроскопических объектов. Именно ему принадлежит идея о том, что микромир «руководствуется» исключительно квантовыми законами. Конечно, тогда не существовало самой квантовой теории, но Бор фактически стал ее родоначальником, выразив свои мысли в виде трех постулатов, которые «спасали» атом, неминуемо бы погибший, если бы он «жил» согласно теории Резерфорда. Именно эта теория датчанина легла в основу всей квантовой механики.
Постулаты Бора
- Первый из них гласит: любая атомная система может находиться только в особых атомных состояниях, причем для каждого из них характерно определенное значение энергии (Е). Если состояние атома стационарное (спокойное), то излучать он не может.
- Второй постулат говорит о том, что излучение световой энергии происходит только в случае перехода из состояния с большей энергией в более умеренное. Соответственно, выделяемая энергия равна разнице значений между двумя стационарными состояниями.
Модель атома Нильса Бора
Эту полуклассическую теорию ученый предложил в 1913 году. Примечательно, что в ее основу он положил планетарную модель Резерфорда, который незадолго до него описал атом вещества. Мы уже говорили, что классическая механика противоречила выкладкам Резерфорда: исходя из нее, предполагалось, что со временем электрон должен был обязательно упасть на поверхность атома.
Чтобы «обойти» это противоречие, ученый ввел специальное допущение. Его суть заключалась в том, что излучать энергию (что и должно было приводить к их падению) электроны могут, только двигаясь по каким-то определенным орбитам. При движении же их по другим траекториям якобы химические атомы оставались в пассивном состоянии. Согласно теории Бора таковыми орбитами являлись те, количественный момент движения по которым был равен постоянным Планка.
Квантовая теория строения атома
1. Во-первых, двойственность (корпускулярно-волновая природа) самого электрона. Проще говоря, ведет себя эта частица и как материальный объект (корпускула), и как волна. Как частица он имеет определенный заряд и массу. Способность же к дифракции роднит электроны с классическими волнами. Длина этой самой волны (λ) и скорость частицы (v) могут быть связаны друг с другом специальным соотношением де Бройля: λ = h / mv. Как можно догадаться, m – масса самого электрона.
2. Координату и скорость частицы замерить с абсолютной точностью совершенно невозможно. Чем точнее определяется координата, тем выше неопределенность в скорости. Как, впрочем, и наоборот. Это явление получило название неопределенности Гейзенберга, которое может быть выражено в виде следующего соотношения: ∆x∙m∙∆v > ћ/2. Дельта Х (∆х) выражает неопределенность положения координаты в пространстве. Соответственно, дельта V (∆v) отображает скоростные погрешности.
3. Вопреки всем ранее распространенным мнениям, электроны не проходят по строго определенным орбитам, как поезда по рельсам. Квантовая теория гласит, что электрон может находиться в любой точке пространства, но вероятность этого различна для каждого отрезка.
Та часть пространства вокруг непосредственно атомного ядра, в которой эта вероятность максимальна, называется орбиталью. Современная химия строение электронных оболочек атомов изучает именно с этой точки зрения. Конечно, в школах учат правильному распределению электронов по уровням, но, по всей видимости, в реальности они расходятся совсем иначе.
4. Ядро атома состоит из нуклонов (протонов и нейтронов). Порядковый номер элемента в периодической системе указывает на количество протонов в его ядре, а сумма протонов и нейтронов равна атомарной массе. Вот как объясняет строение ядра атома химия современности.
Основоположники квантовой механики
Как же далеко в этом плане ушла химия? Строение атома большинство химиков тех лет считали достаточно простым: многие только к 1947 году окончательно признали реальность существования элементарных частиц.
Некоторые выводы
Вообще, при создании квантовой теории не обошлось без математиков, так как все эти процессы можно рассчитать только с использованием сложнейших вычислений. Но самая главная трудность заключается вовсе не в этом. Те процессы, которые описываются данной теорией, недоступны не только нашим органам чувств, несмотря на всю современную научную технику, но и воображению.
Ни один человек даже приблизительно не может представить себе процессы в микромире, так как они совершенно не похожи на все те явления, которые мы наблюдаем в макромире. Вдумайтесь только: последние открытия дают повод предполагать, что кварки, нейтрино и прочие фундаментальные частицы существуют в девятимерном (!) измерении. Как человек, живущий в трехмерном пространстве, может даже приблизительно описывать их поведение?
В настоящий момент нам остается лишь уповать на математику и мощь современных компьютеров, которые, быть может, будут использованы для моделирования микромира. Ощутимо помогает и химия: строение атома наверняка будет пересмотрено, после того как недавно ученые, работающие в этой области, сообщили об открытии нового типа химической связи.
Современное представление о строении атома
Если вы внимательно прочитали все вышеизложенное, то наверняка и сами сможете сказать, каково сегодняшнее представление о строении атомов веществ. Но все же мы поясним: это несколько видоизмененная теория Резерфорда, дополненная бесценными постулатами Нильса Бора. Проще говоря, сегодня считается, что электроны движутся по хаотичным, размытым траекториям возле ядра, которое состоит из нейтронов и протонов. Та часть пространства вокруг него, в которой появление электрона наиболее вероятно, называется орбиталью.
Пока не представляется возможным точно сказать, как будут меняться наши представления о строении атома в дальнейшем. Ежедневно ученые работают над проникновением в тайны микромира: БАК (Большой андронный коллайдер), Нобелевские премии в области физики – все это является результатом данных изысканий.
Но даже сейчас мы не представляем и приблизительной картины того, что еще скрывают атомы. Понятно лишь, что сам атом в масштабах микромира – огромный многоквартирный дом, в котором нами обследован разве что первый этаж, да и то не полностью. Практически ежегодно появляются сообщения о возможности открытия все новых и новых элементарных частиц. Когда процесс исследования атомов будет полностью закончен, сегодня прогнозировать не возьмется никто.
