Эволюцию представлений о структуре атома в конце XIX-XXI вв.

Введение

Актуальность темы. Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной науки в целом. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой.
Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.
Именно в конце XIX в. актуализировался вопрос о строении атома, стали проводиться опыты. Дж. Томпсон, Э. Резерфорд, Н. Бор, Л. Де Бройль, В. Гейзенберг, Д. Иваненко и мн. др. ученые сделали огромный вклад в исследование строения атома и его внутренних процессов. Благодаря этому современное представление о структуре атома очень отличается от того, что было дано в конце XIX в. Все это определяет интерес к данной теме.
Цель работы – рассмотреть эволюцию представлений о структуре атома в конце XIX-XXI вв. В соответствии с данной целью необходимо выполнить следующие задачи:
охарактеризовать генезис представлений о структуре атома в конце XIX в и особенности «пудинговой» модели атома;
изучить планетарную модель строения атома и ее развитие;
определить современные представления о структуре атома.

Генезис представлений о структуре атома в конце XIX в. Особенности «пудинговой» модели атома
Следует отметить, что идея о существовании неделимой мельчайшей частицы – атоме – появилась еще в античности (ее развивали Демокрит, Эпикур, Лукреций), однако в средние века атомизм не получил признание. Только в начале XVIII в. А. Лавуазье, М.В. Ломоносовым и Д. Дальтоном была доказана реальность существования атома как неделимого вещества.
Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.
Понимание сложной структуры атома пришло только к концу XIX в. В первую очередь, следует сказать об открытии электронов [3, С. 155]. В 1897 г. это сделал Дж. Томпсон, который после открытия электронов предложил первую модель атома – «пудинговую», поскольку ученый представил атом в качестве положительно заряженного сгустка материи, где в свободном положении находится такое количество электронов, что позволяет превратиться атому в электрически нейтральное образование [5] (прил. 1.).
Среди физиков такая модель получила название «кекс с изюмом». Модель Дж. Томсона оказалась неверной, поскольку не давала объяснений по поводу радиоактивности положительно заряженных альфа-частиц. Однако благодаря ей было установлено, что устойчивое состояние электронов возможно только при их определенном распределении внутри положительно заряженного шара. Это было правильно и для случая неподвижных электронов, и для случая электронов вращающихся внутри атома

. Электроны должны были располагаться слоями и образовывать нечто подобное «слоёному пирогу». Такое распределение электронов позволяло объяснить периодичность свойств атомов, составляющих таблицу Менделеева. Каждому периоду в этой таблице Дж. Томсон сопоставлял одно кольцо электронов в атоме [4, С. 140].
Таким образом, особое развитие учение о строении атома получило в конце XIX в., поскольку к этому времени было доказано, что атом не является неделимым, а его структура является сложной. В связи с этим была предложена пудинговая модель атома (на основе определения электронов). Однако она обладала существенными недостатками.


Планетарная модель строения атома и ее развитие
На смену модели атома Томпсона была предложена планетарная модель. Первым ее сформулировал в 1903-1904 г. Нагаока, который полагал, что атом имеет центральное положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются электроны. Однако модель Нагаоки, также как и подобные ей модели, не имела успеха, потому что не была научно обоснована и не объясняла даже устойчивости атома как системы [4, С. 141].
Огромное значение для развития идей о структуре атома имела планетарная модель, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. На основе рассеивания альфа-частиц по фольге он обнаружил, что большинство из них напрямую проходит через фольгу, однако некоторые отскакивали. Он предположил, что там находится положительно заряженное ядро. Построенная на этой основе модель предполагает следующее: подобно вращению Земли вокруг Солнца, электрический заряд атома расположен в ядре, вокруг которой вращаются электроны противоположного заряда, удерживаемые на орбите ядра электромагнитным полем (прил. 2.) [5].
Однако планетарная модель атома не смогла объяснить устойчивость атома, однако данная проблема была разрешена в квантовой теории атома (прил. 3). В 1913 г. Н. Бор показал, что строение атома и его свойства можно объяснить, если ввести некоторые ограничения, названные постулатами Бора. Их суть заключается в следующем:
испускание (поглощение) электромагнитного излучения атомов происходит только при переходе электрона между стационарными орбитами;
обычные законы механики действуют при нахождении электрона на орбитах и не действуют при переходах между ними;
излучение монохроматично и определяется выражением Е= hν;
если орбита круговая, то момент импульса вращающегося электрона кратен h/2π;
стационарное состояние определяется из условия того, что момент импульса каждого электрона относительно центра масс был бы равен h/2π [2, С. 28].
В 1914 г. Франк и Герц провели опыт, подтвердивший на практике постулаты Бора, однако по ним удалось просчитать только атом водорода.
Большое значение для развития идей о структуре атома имеет открытие Л. Де Бройля, который еще в 1924 г. установил, что электрон имеет дуальную природу: он одновременно является и частицей и волной. Волновые свойства электрона объясняются настолько высокой скоростью электрона, что он фактически находится не в конкретной точке, а образует «электронное облако». В связи с этим было введено понятие электронной орбитали – такой области пространства около ядра атома, где вероятность нахождения электрона приближена к единице [1, С