Будову атама. Квантава-механічная мадэль атама

У ніжэйпрыведзенай артыкуле распавядаецца аб атаме і яго будынку: як яго адкрывалі, як развівалі тэорыю ў сваіх розумах і пры правядзенні эксперыментаў мысляры і навукоўцы. Квантава-механічная мадэль атама як самая сучасная на сённяшні дзень найбольш поўна апісвае яго паводзіны і часціцы, якія ўваходзяць у склад. Пра яе і яе асаблівасцях чытайце ніжэй.

паняцце атама

Хімічна непадзельнай мінімальнай часткай хімічнага элемента з наборам характэрных для яго уласцівасцяў з'яўляецца атам. У яго ўваходзяць электроны і ядро, якое, у сваю чаргу, утрымлівае станоўча зараджаныя пратоны і незараджаныя нейтроны. Калі ў ім утрымліваецца аднолькавы лік пратонаў і электронаў, то сам атам будзе электрычнаму нейтральным. У іншым выпадку ў яго з'яўляецца зарад: станоўчы ці адмоўны. Тады атам называецца іёнам. Такім чынам ажыццяўляецца іх класіфікацыя: хімічны элемент вызначаецца колькасцю пратонаў, а яго ізатоп - нейтронах. Звязваючыся адзін з адным на аснове межатомных сувязяў, атамы ўтвараюць малекулы.

трохі гісторыі

Упершыню пра атамы загаварылі старажытнаіндыйскія і старажытнагрэцкія філосафы. А ў перыяд семнаццатага і васемнаццатага стагоддзяў хімікі пацвердзілі ідэю, эксперыментальна давёўшы, што некаторыя рэчывы нельга расшчапляць на складнікі іх элементы з дапамогай хімічных вопытаў. Аднак з канца дзевятнаццатага да пачатку дваццатага стагоддзяў фізікі адкрылі субатомные часціцы, дзякуючы чаму стала зразумела, што атам не з'яўляецца непадзельнай. У 1860 годзе хімікі сфармулявалі паняцці атама і малекулы, дзе атам стаў найменшай часціцай элемента, які ўваходзіў у склад як простых, так і складаных рэчываў.

Мадэлі будынка атама

1. Кавалачкі матэрыі. Дэмакрыт лічыў, што ўласцівасці рэчываў могуць быць вызначаны масай, формай і іншымі параметрамі, якія характарызуюць атамы. Напрыклад, агонь мае вострыя атамы, з-за чаго мае здольнасць абпальваць; цвёрдыя целы ўтрымліваюць шурпатыя часціцы, дзякуючы чаму счапляюцца адзін з адным вельмі моцна; ў вадзе яны гладкія, таму яна мае магчымасць цечу. Па Дэмакрыта, нават чалавечая душа складаецца з атамаў.
2. Мадэлі Томсана. Вучоны разглядаў атам як станоўча зараджанае цела, усярэдзіне якога знаходзяцца электроны. Гэтыя мадэлі абверг Радэрфорд, правёўшы свой знакаміты вопыт.
3. Раннія планетарныя мадэлі Нагаока. У пачатку дваццатага стагоддзя Хантаро Нагаока прапанаваў мадэлі ядра атама, падобныя планеце Сатурн. У іх вакол маленькага ядра, зараджанага станоўча, круціліся аб'яднаныя ў кольцы электроны. Гэтыя версіі гэтак жа, як і папярэднія, апынуліся памылковымі.
4. Планетарныя мадэлі Бора-Рэзерфорда. Пасля правядзення некалькіх эксперыментаў Эрнэст Радэрфорд выказаў здагадку, што атам падобны планетнай сістэме. У ім электроны перасоўваюцца па арбітах вакол ядра, якое зараджана станоўча і знаходзіцца ў цэнтры. Але класічная электрадынаміка супярэчыла гэтаму, бо, па ёй, электрон, рухаючыся, выпраменьвае электрамагнітныя хвалі, а таму губляе энергію. Бор увёў спецыяльныя пастулаты, па якіх электроны ня выпраменьвалі энергію, знаходзячыся пры гэтым у некаторых спецыфічных станах. Атрымлівалася, што класічная механіка аказалася няздольнай апісаць гэтыя мадэлі будынка атама. Гэта ў далейшым прывяло да з'яўлення квантавай механікі, якая дазваляе растлумачыць як дадзенае з'ява, так і многія іншыя.

Квантава-механічная мадэль атама

Гэтая мадэль з'яўляецца развіццём папярэдняй. Квантава-механічная мадэль атама мяркуе, што ў ядры атама знаходзяцца не маюць зарад нейтроны і станоўча зараджаныя пратоны. Вакол яго размешчаны адмоўна зараджаныя электроны. Але па квантавай механіцы, электроны не рухаюцца па загадзя зададзеным пэўным траекториям.Так, ў 1927 годзе В. Гейзенберг агучыў прынцып нявызначанасці, па якім уяўляецца немагчымым дакладнае вызначэнне каардынаты часціцы і яе хуткасці або імпульсу.

Хімічныя ўласцівасці электронаў вызначаны іх абалонкай. У табліцы Мендзялеева атамы размешчаны згодна з электрычным зарадам ядраў (гаворка ідзе пра колькасць пратонаў), нейтроны пры гэтым не ўплываюць на хімічныя ўласцівасці. Квантава-механічная мадэль атама даказала, што асноўная яго маса прыпадае на ядро, а доля электронаў пры гэтым застаецца нязначнай. Яна вымяраецца ў атамных адзінках масы, якая роўная 1/12 масы атама ізатопа вугляроду С12.

Хвалевая функцыя і арбіталей

Згодна з прынцыпу В. Гейзентберга, нельга гаварыць са стоадсоткавай упэўненасцю пра тое, што электрон, які мае пэўную хуткасць, знаходзіцца ў якой-небудзь канкрэтнай кропцы прасторы. Для таго каб апісаць ўласцівасці электронаў, выкарыстоўваюць хвалевую функцыю псі.

Верагоднасць выяўлення часціцы ў канкрэтны час прама прапарцыйная квадрату яе модуля, які вылічаны для пэўнага часу. Псі ў квадраце называюць шчыльнасцю верагоднасці, якая характарызуе электроны вакол ядра ў выглядзе электроннага аблокі. Чым яна будзе больш, тым верагоднасць электрона ў пэўным прасторы атама будзе вышэй.

Для лепшага разумення можна ўявіць накладзеныя фатаграфіі адна на іншую, дзе зафіксаваны палажэнні электрона ў розныя моманты часу. У тым месцы, дзе кропак будзе больш і воблака стане самым шчыльным, і найбольш высокая верагоднасць знаходжання электрона.

Разлічана, напрыклад, што квантава-механічная мадэль атама вадароду ўключае ў сябе найбольшую шчыльнасць электроннага аблокі, які знаходзіцца на адлегласці 0,053 нанаметра ад ядра.

Арбіта з класічнай механікі заменена ў квантавай электронным воблакам. Хвалевая функцыя электрона псі тут называецца арбіталей, якая характарызуецца формай і энергіяй электроннага аблокі ў прасторы. У дачыненні да атаму маецца на ўвазе прастору вакол ядра, у якім знаходжанне электрона з'яўляецца найбольш верагодным.

Немагчымае магчыма?

Як і ўся тэорыя, квантава-механічная мадэль будовы атама здзейсніла сапраўды рэвалюцыю ў навуковым свеце і сярод абывацеляў. Бо і па гэты дзень цяжка ўявіць, што адна і тая ж часціца ў адзін і той жа момант часу можа знаходзіцца адначасова не ў адной, а ў розных месцах! Для абароны устояных укладаў кажуць, што ў мікрасвеце адбываюцца падзеі, якія немагчыма сабе ўявіць і не з'яўляюцца такiмi ў макрасвет. Але ці так гэта на самай справе? Ці людзі проста баяцца нават дапусціць магчымасць таго, што «кропля падобная акіяну і акіян - кроплі»?