Строение атома и постулаты Бора

Строение атома Физика

Из каких частиц состоят ядра атомов? Из каких частиц состоит ядро атома? Вопрос волновал людей на протяжении тысячелетий. Попробуем вместе разобраться из каких частей состоит атом.

Строение атома

Строение атомного ядра кратко: протоны (p) и нейтроны (n). Атом имеет положительно заряженное ядро (состоящее из протонов и нейтронов), которое составляет примерно 99% массы атома. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Уровень заряда ядра определяется количеством вращающихся вокруг электронов. В целом атом нейтрально заряженная частица. Протоны и нейтроны иначе называются нуклоны.

Протоны — положительно заряженные нуклоны, заряд которых +1 и относительная масса 1. Протоны пишутся так _1^{1}p

Нейтроны — нейтрально заряженные нуклоны, заряд которых 0 и относительная масса 1. Нейтроны пишутся так _0^{1}n

Даже краткое описание структуры атома наталкивает на мысль о схожести со строением Солнечной системы. Центральная часть атома — ядро — становится похожа на центральное светило, электроны — планеты. Речь идет о планетарной модели атома.

Строение атома планетарная модель
Строение атома планетарная модель

Если читателя посетила подобная мысль, познакомьтесь со стихотворением «Мир электрона» поэта В. Брюсова:

«Быть может, эти электроны

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков! Ещё, быть может, каждый атом —

Вселенная, где сто планет;

Там — всё, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет»

Планетарная модель атома была предложена Э. Резерфордом в 1911 году. Это исторически важная дата. Резерфорд сделал свое открытие в результате анализа и обработки эксперимента по рассеиванию альфа-частиц, проведенных в 1909-м году учеными Гейгером и Марсденом.

История открытия

Сейчас известно, что такое ядро в химии — мельчайшие частицы, из которых состоит все вещество во вселенной. Но так было не всегда. Интересно, что самостоятельно и независимо друг от друга до атомной структуры вещества додумались:

  1. Древнеиндийские мыслители. Такие системы как ньяя или миманса разрабатывали учение об атомной структуре мироздания. Впрочем, российскому читателю больше знакомы учения джайнизм или буддизм.
  2. Древнегреческие мыслители. Такие мыслители как Левкипп или Демокрит говорили о существовании в мире исключительно атомов или пустоты. Именно им мы обязаны существованием самого слова «атом».
Слово «атом» означает «неделимый». Сейчас уже известно, что ядро это в химии мельчайшая частица, которая сама по себе может быть разделена. Но соблюдение научной традиции требует, чтобы мы и дальше называли атомы атомами.

Современные представления о строении ядра продвинулись далеко, но и по сей день мы не все знаем о мельчайших частицах, из которых состоит вселенная.

Строение атомного ядра

Современная наука знает, что входит в состав ядра атома. Речь о субатомных частицах, которые называются нуклоны. Читателю, наверняка, больше знакомы такие названия как протоны или нейтроны. Все это только виды нуклонов. Интересно, что именно эти частицы, о существовании которых долгое время не догадывалось человечество составляют львиную долю атомной массы.

Впрочем, и нейтроны с протонами не так просты, как казалось. Эти частицы можно разделить, тогда получатся кварки.

Модель структуры атома

Модель структуры атома, в которой весь положительный заряд атома считают сосредоточенным в ядре — области, занимающей малый объем атома (\approx 10^{-14}) м, называют планетарной.  Остальную часть атома, линейные размеры которого \approx 10^{-19} м  занимает облако отрицательно заряженных электронов. Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента Z в периодической системе Менделеева.

Положительный заряд ядра атома равен по модулю отрицательному заряду всех электронов в атоме q=Ze, где e=1,6 \cdot 10 ^{-19} Кл — элементарный заряд.

Постулаты Бора

  1. В атоме существуют стационарные квантовые состояния, не меняющиеся с течением времени без внешнего воздействия на атом. Эти состояния характеризуются тем, что электрон в них движется по стационарным орбитам.
  2. В стационарном состоянии атома электрон движется только по круговым орбитам, определяемым условием, mv_{n}r_{n}=n\hbar, где m=9,11 \cdot 10^{-31}кг — масса электрона, v_{n} — скорость электрон на n-ой орбите, r_{n} — радиус n-ой орбиты, n — номер орбиты. \hbar=\frac{h}{2 \pi}=1,0546 \cdot 10^{-34}Дж \cdotс.
  3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое атом излучает (поглощает) один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его стационарных состояниях \varepsilon=h \nu=E_{n}-E_{l}. Атом переходит из одного состояния в другое, когда электрон меняет одну орбиту на другую.
Постулат Бора об поглощении и выделении энергии атомом
Постулат Бора об поглощении и выделении энергии атомом

Строение атома водорода по Бору

Атом водорода состоит из ядра — протона и одного электрона, который движется по круговой орбите вокруг ядра. По второму постулату Бора mv_{n}r_{n}=n\hbar. По второму закону Ньютона F=ma, где \displaystyle F=k \frac{e^{2}}{r_{n}^{2}} — сила Кулона, \displaystyle a= \frac{v_{n}^{2}}{r_{n}} — нормальное ускорение. Решив данную систему уравнений, найдем радиус орбиты, на которой может находиться электрон в атоме водорода, \displaystyle r_n=\frac{n^2\hbar^2}{ke^2 m} и скорость электрона на ней \displaystyle v_n=\frac{ke^2}{\hbar} \cdot \frac{1}{n}, где n — номер орбиты.

Кинетическая энергия электрона в атоме водорода

Кинетическая энергия \displaystyle E_{k}=\frac{mv_{n}^2}{2}=\frac{mk^2e^4}{2 \hbar^2}\frac{1}{n^2}.

Потенциальная энергия электрона в атома водорода

Потенциальная энергия \displaystyle E_{p}=-k\frac{e^2}{r_n}=-\frac{mk^2e^4}{\hbar^2}\frac{1}{n^2}

Полная энергия электрона в атоме водорода

Полная энергия в атоме водорода на n-ой орбите E_n=E_k+E_p=-\frac{mk^2e^4}{2\hbar^2}\frac{1}{n^2}

Если электрон в атоме водорода находится на первой боровской орбите, то его энергия, а следовательно и энергия атома будет минимальна. Такое состояние атома называют основным, остальные состояния — возбужденными.

Атомные свойства

Диаметр ядра атома, масса, размер — все это свойства, которые изучает наука. Масса, например, измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). Одна а.е.м. составляет двенадцатую часть покоящегося атома углерода при условии, что он находится в основном состоянии.

Однако, химики не согласятся. Химия оперирует единицами измерениям «моль», подразумевая под ней вещество с числом атомов, которое соответствует числу Авогадро.

Атомные размеры чрезвычайно малы, поэтому долгое время невозможно было увидеть эти частицы. Например, радиус цезия составляет 225 пикометров. Один пикометр — одна триллионная часть метра. Мало? Но это самый большой атом из известных!

Интересно и подтверждение древних мыслителей относительно того, что атомы состоят из пустоты. Впрочем, все мы живем на планете Солнечной системы, которая тоже фактически состоит из пустоты.

Вопросы эксперту
Иван Фомичев
Иван Фомичев
Доктор физико-математических наук, профессор
Задать вопрос
Дорогие друзья! Весьма рад ответить на ваши вопросы.
Оцените статью
( 5 оценок, среднее 5 из 5 )
Знания и образование - вопросы школьной и вузовской программы
Подписаться
Уведомить о
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии