Модель Томпсона. Лекция 2 (Модели Томпсона. Резерфорда. постутаты Бора)-2. Основные стехиометрические законы
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 2 ДОКВАНТОВЫЕ МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА. ОСНОВНЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ. Основные стехиометрические законы1748 г. Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносова , А.Л. Лавуазье. 1793 г. Закон эквивалентов И.Б. Рихтера . Элементы химически взаимодействуют между собой в строго определенных количествах, сохраняясь в виде неизменных пропорциональных числах при переходе от одного сложного тела к другому. 1794 г. Закон постоянства состава Ж.Л. Пруста Состав чистого вещества не зависит от способа его получения. 1802 г. Закон парциальных давлений Дж. Дальтона. Общее давление смеси газов, не вступающих друг с другом в химическое взаимодействие, равно сумме давлений составных частей (парциальным давлением газа в газовой смеси называется давление, которое производил бы этот газ, занимающий при тех же условиях объем всей газовой смеси). 1804 г. Закон кратных отношений Дж. Дальтона Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы других, которые относятся между собой как небольшие целые числа. 1805 г. Закон объемных отношений Гей-Люссака Объемы реагирующих газов относятся друг к другу и к объемам газообразных продуктов, как небольшие целые числа. 1811 г. Закон Авогадро В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. В 1808 г. атомистическая теория Дж. Дальтона Основные положения теории: - каждый элемент состоит из чрезвычайно малых частиц, называемых атомами; - элемент – простое вещество, которое не может быть разложено на другие вещества и не может быть превращен в другие простые вещества; - все атомы одного элемента – одинаковы; - атомы различных элементов обладают разными свойствами (в том числе имеют разную массу); - атомы одного элемента не превращаются в атомы другого элемента в результате химических превращений; - атомы не создаются и не разрушаются в химических реакциях; - совокупность одинаковых атомов образует простое вещество; - атомы разных элементов взаимодействуют друг с другом по закону наибольшей простоты (в целочисленных отношениях) с образованием «сложных атомов» (так Дж. Дальтон называл молекулы);
Учение Дж. Дальтона о массе атома как об индивидуальной количественной характеристике атома. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ АТОМА. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА, ПРОТОНА И НЕЙТРОНА. РАДИОАКТИВНОСТЬ. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Уильям Крукс, 1832-1919 г.г. 2 Джозеф Джон Томпсон 1856-1940 г.г. 3 На основании опытов Крукса и Томпсона определены следующие свойства катодных лучей:
Эксперименты Дж. Дж. Томпсона. Определяет отношение заряда электрона к его массе е-/m = 1,76·108 Кл/г 4 Определение заряда электрона (1909 г.) Роберт Милликен (1868-1953) источник рентгеновских лучей капли масла пульверизатор микроскоп металлические пластины, на которые подаётся разность потенциалов заряд электрона е- = 1,6·10-19Кл m(е-) = 9,11·10-31 кг Модель строения атома Томпсона m(е-) = 9,11·10-31 кг m(H) = 1837. m(е-) Атом – облако положительного заряда, в которое внедрены отрицательно заряженные электроны «булочка с изюмом» «сливовый пудинг» Анри Беккерель. Открытие радиоактивности. Альфа(α)-излучение – это поток положительно заряженных α-частиц (ядер гелия) (Э. Резерфорд). Бета(β)-излучение – это поток электронов, летящих со скоростью близкой к скорости света (Э. Резерфорд). Гамма(γ)-излучение - электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов (П. Виллар) 5 6 Радиоактивность – явление испускания некоторыми элементами излучения, способного проникать через вещества (в том числе непрозрачные), ионизировать воздух, вызывать почернение фотографических пластинок. Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц и ядер. Эрнест Резерфорд 1871-1937 г.г. 7 Модель строения атома Резерфорда Недостатки модели Резерфорда:
и поглощения атомами энергии (наличие линейчатых спектров газов) 8 ν=с/λ = 2,48∙1015(Z-1)2 ν – частота спектральной линии, с-1 λ – длина волны наиболее интенсивного максимума, м Открытие протона и нейтрона 1919 г. открытие протона Э. Резерфордом 1932 г. открытие нейтрона Дж. Чедвиком 9 Характеристики элементарных частиц, входящих в состав атомов
10 Свойства электромагнитного излучения и его взаимодействие с веществом Свет - волновой процесс, подобный механическим волнам. Каждая точка до которой доходит волна становится источником вторичных волн. Усиление и ослабление световых потоков при наложении Свет – движение неких частиц (корпускул). Движение световых «корпускул» подчиняется законам механики. Природа света (конец XVII века) Природа света (XIX в., подтверждение волновых свойств)) 1800 г. опыты Юнга Дифракция – явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий (или свойство волн огибать препятствия) 1815 г. опыты Френеля Интерференция – явление, возникающее при сложении двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний Шкала электромагнитного излучения Видимый диапазон 380-760 нм 11 Период колебаний (T) – время, за которое волна совершает одно колебание Длина волны (λ) – расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду колебаний Спектр излучения нагретого газа Спектр излучения нагретого твердого или жидкого вещества 12 непрерывные полосатые линейчатые 13 Квантовый характер электромагнитного излучения. Фотоэффект. Эффект Комптона.Недостатки волновой теории:
1900 г. М. Планк - идея о квантовом характере электромагнитного излучения«Энергия электромагнитного излучения должна излучаться и поглощаться только дискретными порциями (квантами):E = hν1905 г. А. Эйнштейн, описывая экспериментальные закономерности фотоэффекта предположил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается веществом в виде отдельных частиц – фотонов, имеющих энергию hν и движущихся со скоростью света.Фотоэффект. 1887 г. открытие фотоэффекта Герцем, подробно изучен А.Г. Столетовым (Россия), Ленардом (Франция), Милликеном (США) Явление фотоэффекта состоит в том, что при действии на металлы (полупроводники) электромагнитного излучения они испускают электроны.
Т.о. в соответствии с квантовой теорией Эйнштейна, при падении на поверхность металла ЭМ излучения в виде потока фотонов, они передают свою энергию энергию hν электронам поверхности. Электроны мгновенно вылетают с Екин, равной разности Е падающих фотонов за вычетом энергии А, необходимой для отрыва электрона от металла Eкин = hν – А закон Эйнштейна для фотоэффекта металл Эффект Комптона. Корпускулярно-волновая двойственность ЭМ излучения1923 г. Комптон (США) открывает эффект упругого рассеивания рентгеновских лучей электронами – «эффект Комптона».При облучении веществ рентг. лучами длина волнырассеянного излучения увеличивается,а его энергия уменьшаетсяПроисходит упругое столкновение двух частиц фотона и электрона (подобно бильярдным мячам), при котором выполняются законы сохранения массы и импульсаЭМ излучение наряду с волновыми свойствами, приводящими к явлению дифракции и интерференции и характеризующихся величиной длины волны (λ), обладает и корпускулярными свойствами, которые могут быть описаны в рамках квантовых представлений, использующих понятие о фотоне.Согласно уравнению Планка и Эйнштейна фотон характеризуется энергиейhν и импульсомp = mc = h/λhν > hν` Спектры испускания атомарного водородаn = 6, 7, 8 Уравнение Ридберга m < n R = 109678 см-1 (постоянная Ридберга) Опыты Франка и Герца 1914 г. учёными Франком и Герцем установлено, что возбуждение атомов ртути при столкновении с электронами происходит при строго определённых значениях Екинэлектрона не только испускание энергии возбуждёнными атомами, но и поглощение энергии невозбуждёнными атомами происходит определёнными порциями квантами, построение модели строения атома на квантовых представлениях. Постулаты Бора 1913 г. Нильс Бор вводит квантовые ограничения в планетарную модель строения атома Резерфорда , постулируя: 1. движение электрона в атоме может происходить только по дискретным (стационарным) орбитам, удовлетворяющим условию кратности момента количества движения (момента импульса) кванту действия mvr = nh/2π. Двигаясь по стационарной орбите электрон не излучает энергию 2. переход электрона с одной орбиты на другую сопровождается испусканием кванта ЭМ излучения с энергией, равной разности энергий электрона на этих стационарных орбитах ∆Е = Е2-Е1 = hν Н. Бор теоретически рассчитывает радиусы различных стационарных орбит и энергию электрона на этих орбитах: r = n2h2/4π2me2 = 0,529n2 Å E = -2π2me4/ n2h2 = -13,6/n2 эВ ∆E = (2π2me4/ h2)(1/n1-1/n2) ν = (2π2me4/ ch3)(1/n1-1/n2) R = (2π2me4/ ch3) = 109737 cм-1 Н. Бор объясняет физический смысл постоянной Ридберга и чисел m и n в уравнении Ридберга 1916 -1924 г.г. модель Зоммерфельда Волны материи. Уравнение де Бройля. Дифракция электронов.1924 г. Луи де Бройль – корпускулярно-волновая двойственность микрочастицПредположил, что соотношение между импульсом и длиной волны mc = h/λ справедливо не только для фотона, но и других микрочастиц, имеющих массу покоя и движущихся с произвольной скоростью:λ = h/mv уравнение де БройляКвантование момента импульса электрона связанос его волновыми свойствами и соответствуетобразованию стоячей волны на стационарной орбите,причём длина окружности стационарной орбиты должнасоответствовать целому числу (n) длин волн электрона2πr = nλЭкспериментальное подтверждение– дифракция электронов1927 г. Дж. Девидсон и Джермер(США).Дж. П. Томпсон (Англия),П.С. Тартаковский (СССР)“Опыт по дифракции электронов Для оценки ширины щели дифракционной решётки, необх. для определения волновых свойств электрона рассчитаем ожидаемую величину длины волны электрона, движущего под действием электрического поля. При напряжённости эл. поля в 100 В электрон приобретёт кинетическую энергию E кин = mv2 = 100 эв = 1,6∙10-17 Дж и при массе 9,1∙10-31 кг будет иметь скорость 4,2∙106 м/с. На основании уравнения де Бройля это позволяет ожидать проявление его волновых свойств при попадании на дифракционную решетку с шириной щели порядка нескольких ангстрем: λ = h/ mv = 6,626∙10-34/(9,1∙10-31∙4,2∙106) = 1,7∙10-10 м = 1,7 Å |