|
|
Концепции современного естествознания_Бочкарев А.И, Бочкарева Т.. Учебник для студентов вузов А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов под ред проф. А. И. Бочкарёва. Тольятти тгус, 2008. 386 с
2.3. Структурные уровни организации материи
В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир. Естественными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления являются размеры и массы исследуемых объектов.
Микромир– мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером от 10–8 см и менее (атомы, атомные ядра, элементарные частицы).
Макромир – мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10–6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта – миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли (длина экватора Земли равна
109 см).
Мегамир – мир объектов космического масштаба от 109 см до 1028 см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.
Хотя микро–, макро– и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире – законы квантовой физики, в макромире – законы классического естествознания, прежде всего классической физики: механики, термодинамики, электродинамики. Законы мегамира основаны в первую очередь на общей теории относительности.
2.3.1. Микромир
Атомная физика. Еще древние греки Левкипп и Демокрит выдвинули гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов.
Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Дж. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.
Периодический закон Д.И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Стало ясно, что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX в. в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И, наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.
Первыми на сложную структуру атома указали немецкие ученые Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен, изучая спектры испускания и поглощения различных веществ. Сложную структуру атома подтверждали также опыты по изучению ионизации, открытие и исследование так называемых катодных лучей и явления радиоактивности.
Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало, что свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.
Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследованиях электролиза и газового разряда. Данное явление можно было объяснить, лишь предположив, что атом в процессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые.
Свидетельством сложной структуры атома явились опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается, по возможности, весь воздух, а затем сквозь нее пропускается ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются «невидимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение легко подвижные тела и отклоняться от своего первоначального пути в магнитном и электрическом полях.
Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Позже удалось определить массу и величину их заряда. Оказалось, что масса частиц и величина их заряда не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов.
В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического поля. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим полем. Так, например, при электронной эмиссии металлы испускают электроны, при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывало на то, что эти частицы входят в состав всех без исключения атомов. Это позволило сделать вывод, что атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких составных частей.
В 1896 г., изучая люминесценцию различных веществ, А.А. Беккерель случайно обнаружил, что соли урана, излучают без предварительного их освещения. Это излучение, обладающее большой проникающей способностью и воздействующее на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, было названо радиоактивным излучением. Позднее было установлено, что оно состоит из тяжелых положительно заряженных α-частиц, легких отрицательных β-частиц (электронов) и электрически нейтрального γ-излучения.
Открытие электрона можно считать началом рождения атомной физики, обусловившим попытки построения моделей атома. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом устойчив и электронейтрален, то естественно было предположить наличие в атоме положительно заряженных частиц.
Первые модели атома на основе представлений классической механики и электродинамики появились в 1904 г.: автором одной из них стал японский физик Хантаро Нагаока, другая принадлежала английскому физику Дж. Томсону – автору открытия электрона.
X. Нагаока представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» – электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.
В модели атома Дж. Томсона положительное электричество «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Дж. Томсоном. Томсон считал, что каждая конфигурация определяет те или иные химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.
Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были установлены Э. Резерфордом в 1912 г. В первую очередь следует отметить открытие им атомного ядра. Для выявления структуры атома Резерфорд производил зондирование атома с помощью α–частиц, которые возникают при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.
В опытах Резерфорда пучок α–частиц падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.). После прохождения фольги α–частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать. В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных пучком частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, то вопреки ожиданиям α–частицы испытывали очень малое рассеяние на атомах фольги и распределялись на экране внутри круга чуть большей площади.
Совершенно неожиданным также оказалось, что небольшое число α–частиц (примерно одна из двадцати тысяч) отклонялись на углы больше 90°, т.е. практически возвращались назад. Резерфорд понял, что положительно заряженная α–частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если в атомах мишени положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.
Подсчитывая число α–частиц, рассеянных на большие углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка
10–12–10–13 см (у разных ядер). Размер же самого атома составляет примерно 10–8 см, т.е. в 10 – 100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось точно определить и заряд ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра оказался в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
Из опытов Резерфорда непосредственно вытекала планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Учитывая, что в целом атом должен быть электронейтральным, следовало заключить, что число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Очевидно также, что находиться в покое электроны внутри атома не могут, так как они вследствие притяжения положительным ядром упали бы на него. Следовательно, они должны двигаться вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием электрических кулоновских сил со стороны ядра.
В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу примерно в 1836 раз большую массы электрона. Это ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица.
Размер атома определяется радиусом орбиты движения его электронов. Достаточно наглядная планетарная модель атома, как уже говорилось, является прямым следствием экспериментальных результатов Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах вещества.
Однако вскоре выяснилось, что такая простая модель противоречит законам электродинамики, из которых следует, что модель атома Резерфорда является неустойчивой системой и длительное время атом указанной конструкции существовать не может. Дело в том, что движение электронов по круговым орбитам происходит с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны (ω – частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра). Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.
В действительности, однако, этого не происходит. Атомы устойчивы, могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Выход из создавшегося положения нашел датский ученый Н.Бор. Он сделал радикальный вывод о том, что законы классической механики и электродинамики вообще не применимы в микромире и, в частности, в атоме. Тем не менее, чтобы сохранить планетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез и с классической механикой, и с классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики (квантовой теории электромагнитного поля). Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном (для объяснения фотоэффекта).
Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, или квантовых, орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии.
Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до орбиты, на которую он переходит, тем больше частота излучения.
Простейшим из атомов является атом водорода: вокруг ядра вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1:2: : 3 : ... : п. Величина п получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались точности совпадающими с частотами, найденными опытным путем для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых (стационарных) орбит для атома водорода, вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов.
В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов. Однако распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в многоэлектронном атоме, определить их орбиты, тем большими были расхождения результатов с экспериментальными данными. В ходе развития квантовой теории стало ясно, что эти расхождения носят принципиальный характер и связаны с так называемыми волновыми свойствами электрона.
Дело в том, что в 1924 г. Луи де Бройль распространил известный к тому времени корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного поля на вещественные частицы микромира (атомы, электроны, протоны и т.д.). Напомним, что согласно его идее частицы, имеющие массу, заряд и т.д., также обладают и волновыми свойствами. При этом длина волны де Бройля (λ) связана с импульсом частиц р и равна
λ = h/р, где h – постоянная Планка.
Идея де Бройля нашла блестящее подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927), в которых наблюдалось явление дифракции электронов – классический пример волнового явления.
Развивая волновые идеи частиц микромира, Э. Шрёдингер создал математическую волновую модель атома в виде знаменитого сейчас волнового дифференциального уравнения Шрёдингера:
Анализ волнового уравнения Шрёдингера показал, что с его помощью можно определить все возможные дискретные энергии Епв атоме. Кроме того, было выяснено, что волновая функция не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атомах, они расплываются в некое «облако»; таким образом, можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в том или ином месте атома, которая характеризуется квадратом амплитуды волны.
Учитывая законы квантовой волновой механики, становится ясно, почему оказалось невозможным точно описать структуру атома на основе представлений о боровских орбитах электронов в атоме. Таких, точно локализованных орбит в атомах просто не существует, а хорошее согласование расчета орбит электронов в атоме водорода, в соответствии с теорией Бора и экспериментальными данными связано с тем, что только для атома водорода электронные орбиты Бора хорошо совпали с кривыми средней плотности зарядов, вычисленных в соответствии с квантовой теорией Шрёдингера. Для многоэлектронных атомов такого совпадения не наблюдается.
В настоящее время на основе квантовой механики, а также квантовой электродинамики – квантовой теории электромагнитного поля, разработанной в 1927 г. П.А. Дираком, удалось объяснить многие особенности поведения многоэлектронных атомно-молекулярных систем. В частности, удалось разрешить важнейший вопрос о структуре атомов различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек им атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов, которые позволяют объяснить многие физические и химические свойства элементов.
Напомним, что число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Электроны расположены послойно. Каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n). Электроны каждого последующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), определяется по формуле N = 2n2, т.е. на первом уровне (n=1) может находиться два электрона, на втором (п = 2) – восемь электронов, на третьем (n= 3) – восемнадцать.
Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие электроны, становятся заряженными отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом в электронейтральные атомы или новые ионы с иным зарядом.
Подводя итог рассмотрению основных результатов квантово-механических подходов к строению и структуре атомов, отметим следующее |
|
|
Скачать 2.96 Mb.