1. Модели строения атома Д. Дальтона, Д. Томпсона, Н. Бора, Э. Резерфорда и Э. Шрёдингера. а) Атомная модель Далтона или Атомная теория Далтона, Это было предложение, представленное между 1803 и 1807 годами английским химиком и математиком Джоном Далтоном. Это было первое предложение концептуальной организации относительно структуры и функционирования атомов.. Модель Далтона также известна как сферическая модель, поскольку она предполагает тот факт, что атом является неделимой, твердой и компактной сферой. Благодаря этой модели стало намного проще дать объяснение химии остальному миру, и это стало основой для многих инновационных исследовательских проектов, которые последовали. Могли бы объяснить, почему вещества реагировали в определенных состояниях. Согласно Далтону, материя состояла из минимальной единицы, называемой атомом, которую нельзя было ни разрушить, ни разделить. Эта единица, ранее предложенная Демокритом и его наставником Леучипо, была основой исследований Далтона и создания его атомной модели.. Используя эту атомную теорию, Джон Далтон попытался поднять идеи греческих философов о существовании атома (атомная теория вселенной), но используя в качестве платформы различные лабораторные эксперименты, которые позволили ему продемонстрировать свои идеи.. Первый постулат Дальтона гласил, что элементы состоят из крошечных частиц, называемых атомами, которые не могут быть разделены и не могут быть уничтожены. Кроме того, Далтон заметил, что эти частицы не могут измениться ни в одной химической реакции.. Второй постулат Дальтона установил, что все атомы, присутствующие в одном и том же элементе, имеют одинаковый вес, как и в других характеристиках.. С другой стороны, также установлено, что атомы разных элементов имеют разную массу. Из этого предложения возникло знание об относительных атомных весах, которые были продемонстрированы при сравнении различных элементов с водородом. Третий постулат Дальтона установил, что атомы неделимы, даже когда они объединены в химических реакциях. Также они не могут быть созданы или уничтожены. Комбинация атомов, как равных, так и разных, будет генерировать более сложные соединения, но этот процесс не изменит тот факт, что атом является минимальной единицей вещества. Четвертый постулат Дальтона установил, что даже когда атомы объединяются в соединения, они всегда будут иметь отношение, которое может быть выражено в простых и полных числах. Это выражение не будет отображаться во фракциях, так как атомы неделимы. Пятый постулат Дальтона гласил, что существует возможная комбинация разных атомов в разных пропорциях для образования более чем одного соединения. Таким образом, можно объяснить, что из конечного количества атомов произошла вся существующая материя во вселенной.. Шестой и последний постулат Дальтона гласил, что каждое химическое соединение было создано из комбинации атомов двух или более различных элементов.. Ошибки атомной модели Далтона Как и вся теория в мире науки, было много опровержений в отношении модели, предложенной Далтоном, которые были продемонстрированы на протяжении многих лет, оставляя позади инновационные идеи Далтона.. б) История исследования строения атома началась в 1897 г. благодаря открытию английским физиком Дж. Томсоном (1856—1940) электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом элек- тронейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы — протона. Исходя из огромной по сравнению с электроном массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (1824—1907) предложил в 1902 г. первую модель атома: положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой. в) В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров. Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: • в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая', • при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется. Объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое. Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были обусловлены волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала но сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон — не точка и не твердый гиарику он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше. Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными. Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе законов классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных. Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиковтеоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений. г) В 1908 г. Э. Марсден (1889-1970) и X. Гейгер (1882— 1945), сотрудники Э. Резерфорда (1871 — 1937) провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение. По модели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая — до 150°. Резерфорд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятствие и этим препятствием является ядро атома — положительно заряженная микрочастица, размер которой (1013 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10“8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома. Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов, благодаря чему атом электронейтрален. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. Максвелла. д) Атомная модель Шредингера Он был разработан Эрвином Шредингером в 1926 году. Это предложение называется квантово-механической моделью атома и описывает волновое поведение электрона.. Для этого выдающийся австрийский физик был основан на гипотезе Бройля, который заявил, что каждая движущаяся частица связана с волной и может вести себя так. Шредингер предположил, что движение электронов в атоме соответствует дуальности волны и частицы, и, следовательно, электроны могут быть мобилизованы вокруг ядра в виде стоячих волн.. Шредингер, который был удостоен Нобелевской премии в 1933 году за вклад в атомную теорию, разработал одноименное уравнение для расчета вероятности того, что электрон окажется в определенной позиции.. Характеристики атомной модели Шредингера -Описывает движение электронов как стоячих волн. -Электроны движутся постоянно, то есть они не имеют фиксированного или определенного положения внутри атома. -Эта модель не предсказывает местоположение электрона и не описывает маршрут, который он совершает внутри атома. Он только устанавливает зону вероятности для обнаружения электрона. -Эти области вероятности называются атомными орбиталями. Орбитали описывают движение переноса вокруг ядра атома. -Эти атомные орбитали имеют разные уровни и подуровни энергии и могут быть определены между электронными облаками. -Модель не рассматривает стабильность ядра, а относится только к объяснению квантовой механики, связанной с движением электронов внутри атома.. эксперимент Атомная модель Шредингера основана на гипотезе Бройля и предыдущих атомных моделях Бора и Зоммерфельда.. Для этого Шредингер опирался на эксперимент Юнга и на основе собственных наблюдений разработал математическое выражение, носящее его имя.. Постулаты атомной модели Шредингера таковы: -Электроны ведут себя как стоячие волны, которые распределены в пространстве в соответствии с волновой функцией Ψ. -Электроны движутся внутри атома при описании орбиталей. Это области, где вероятность обнаружения электрона значительно выше. Приведенная вероятность пропорциональна квадрату волновой функции Ψ2. Электронная конфигурация атомной модели Шредингера объясняет периодические свойства атомов и связей, которые образуют. Однако модель атома Шредингера не рассматривает спин электронов и не учитывает изменения поведения быстрых электронов из-за релятивистских эффектов.. 2. Строение ядра атома. Нуклоны: нейтроны, протоны, позитроны, негатроны. Изотопы. Изотоны. Изобары. Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным и связанным с ним магнитным моментом. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом. В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы, у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы. Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протоннейтронным составом принято называть изобарами. Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами Нуклоны: а) нейтроны: Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон и принадлежит к классу барионов. Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер[7]; общее название для протонов и нейтронов — нуклоны. б) Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый) — одна из трёх (вместе с нейтроном и электроном) элементарных частиц, из которых построено обычное вещество. Протоны входят в состав атомных ядер; порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева равен количеству протонов в его ядре. В физике протон обозначается. Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII. Античастица к протону — антипротон. в) Позитрон – античастица электрона. Она обладает положительным зарядом. В физике символ позитрона выглядит таким образом: е+ (для обозначения электрона используется символ е-). Появляется эта античастица в результате радиоактивного распада. г) Негатроны – это электроны, но названы они так для того, чтобы пока-зать их ядерное происхождение в отличие от орбитальных электронов. Изотопы Изотопы – это атомы, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Изотопы бывают стабильные и нестабильные, природные и искусственные. Когда изотоп нестабилен, он со временем приходит в упадок и превращается в другой изотоп или элемент. Нестабильные изотопы считаются радиоактивными – это все неестественные или техногенные элементы. Многие элементы существуют лишь в такой форме. Большинство элементов, которые встречаются в природе, состоят из стабильных изотопов. Элементом с самыми стабильными изотопами есть олово, которое имеет десять различных устойчивых изотопов. Природные изотопы распространены в природе. Искусственные в природе не встречаются, а образуются в результате ядерных реакций. Изотоны Изотонами называются атомы разных элементов, имеющие одинаковое количество нейтронов в ядре. Название «изотон» было придумано на основе слова «изотоп» , путём замены «п» (протон) на «н» (нейтрон). Изобары Изобары (от греч. isos — равный, одинаковый + baros — тяжесть, вес) — атомы, имеющие одинаковую массу, но различные заряды ядра (атомные номера) и разные химические свойства. 3. Кластерный распад и альфа-распад. Механизм. Первое правило смещения. Энергия излучения. Проникающая и поражающая способность. Способы защиты. Кластерный распад. этого явления к α-распаду. Появление в названии слова "кластер" носит принципиальный характер. Нуклоны, входящие в состав ядер, обладают достаточно большой кинетической энергией, и, сталкиваясь между собой во время движения внутри ядра, они на очень короткие промежутки времени могут образовывать такие группы, которые по своим характеристикам похожи на отдельно существующие ядра такой же массы. Эти группы нуклонов называют кластерами. Нуклоны кластера находятся в определенном состоянии, то есть кроме пространственной обособленности внутри ядра они могут обладать конкретными значениями энергии, импульса и т.д. Не вошедшие в состав кластера нуклоны в момент его образования также находятся в каком-то состоянии. В случае, когда кластеры определенного типа (например, αкластеры) могут существовать в ядре достаточно долго (по ядерным меркам), такой вид кластеризации ядер называют статической кластеризацией. альфа распад
