Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
Взаимосвязь строения атома и периодического закона. 9. Типы связи в химических соединениях. 10. Принцип Ле Шателье и его практическое применение. 11. Закон Гесса как основа термохимических расчетов. 12. Сущность каталитического управления химическими процессами. 13. Предмет биологии и структура биологической науки. 14.
Характеристика основных биологических систем. 15. Клетка как первокирпичик живого, ее строение и функционирование. 16. Предмет генетики. ЧАСТЬ V ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ О МИРЕ, ОГРАНИЧЕННОМ ДЛЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЧЕЛОВЕКОМ Глава 1 МИКРОМИР: НЕКОТОРЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ Развитие представлений о строения атома Первые указания о сложном cmpoeimu атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости.
Опыты выдающегося английского ученого М. Фарадея в тридцатых годах XIX в. навели на мысль о том, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов. Величины этих единичных зарядов электричества были определены в более поздних экспериментах по пропусканию электрического тока через газы (опыты с так называемыми катодными лучами).
Было установлено, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов. Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью. (А. Беккерель, 1896 г.). Последовавшее за этим установление природы α-, β- и γ-лучей, образующихся при радиоактивном распаде (Э. Резерфорд, 1899-1903 гг.), открытие ядер атомов (Э. Резерфорд, 1909-1911 гг.), определение заряда электрона (Р. Милликен, 1909 г.) позволили Э. Резерфорду в 1911 г.
предложить одну из первых моделей строения атома. Модель Резерфорда. Суть планетарной модели строения атома (Э. Резерфорд, 1911 г.) можно свести к следующим утверждениям. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.). Вокруг ядра вращаются электроны.
Их число равно положительному заряду ядра. Эта модель оказалась очень наглядной и полезной для объяснения многих экспериментальных данных, но она сразу обнаружила и свои недостатки. В частности, электрон, двигаясь вокруг ядра с ускорением (на него действует центростремительная сила), должен был бы, согласно электромагнитной теории, непрерывно излучать энергию.
Это привело бы к тому, что электрон должен был бы двигаться вокруг ядра по спирали и в конце концов упасть на него. Никаких доказательств того, что атомы непрерывно исчезают, не было, отсюда следовало, что модель Рсзерфорда в чем-то ошибочна. Теория Бора. В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил свою теорию строения атома. При этом Бор не отрицал полностью предыдущие представления о строении атома: как и Резерфорд, он считал, что электроны двигаются вокруг ядра подобно планетам, движущимся вокруг Солнца. Однако к этому времени Дж. Франк и Г. Герц (1912 г.)
доказали дискретность энергии электрона в атоме и это позволило Бору положить в основу новой теории два необычных предположения (постулата): 1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам. Радиус орбиты г и скорость электрона v связаны квантовым соотношением Бора: mnr = пħ, где m — масса электрона, п — номер орбиты, Ъ — постоянная Планка (ħ = 1,05-10-34 Джс). 2.
При движении по стационарным орбитам электрон не излучает и не поглощает энергии. Таким образом, Бор предположил, что электрон в атоме не подчиняется законам классической физики. Согласно Бору, излучение или поглощение энергии определяется переходом из одного состояния, например, с энергией Е1, в другое — с энергией Е2, что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую.
При таком переходе излучается или поглощается энергия δЕ = Е1 - Е2 = hn , где п — частота излучения, h = 2рħ = 6,62-10-34 Дж с. Бор, используя это уравнение, рассчитал частоты линий спектра атома водорода, которые хорошо согласовались с экспериментальными значениями, но было обнаружено также и то, что для других атомов эта теория не давала удовлетворительных результатов.
Квантовая модель строения атома В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены и дополнены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне только как частице. В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения: 1.Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу.
Он может вести себя и как частица, и как волна: подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом; в то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона 1 и его скорость v связаны соотношением де Бройля: 1 = ħ/mv 2. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость.
Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. На соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, основывается квантово-механическое описание микромира. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение: δх m δv > ħ /2, где δх — неопределенность положения координаты, δv — погрешность измерения скорости. 3.
Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью. 4. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны).