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.
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).
Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу. Последнее положение было сформулировано после того, как в 1920 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик — нейтрон. Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N— число нейтронов в ядре.
Эти параметры связаны между собой соотношениями: Z = A -N , N = A - Z , A = Z + N . Нуклиды с одинаковым Z , но различными А и N , называют изотопами. Сформулированные выше положения составляют суть теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, который Н. Бор сформулировал следующим образом.
Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света являлись при этом объединяющим элементом строения микромира.
Убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 году дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Законы движения электронов в квантовой механике выражаются уравнением Шредингера, которое играет в квантовой механике ту же роль, что и законы Ньютона в классической механике.
Начало современным представлениям о микромире было положено исследованиями М. Планка, благодаря которым он пришел к выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях-квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергий-квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М.
Планк ввел в науку под символом h : E =hn , где n — частота, а Е — энергия кванта. День опубликования этой формулы — 14 декабря 1900 года считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта послужило основой для понимания свойств атомной оболочки и ядра, то этот день следует рассматривать как день рождения атомной физики и начало новой эры естествознания. В 1905 году А.
Эйнштейн перенес идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и, таким образом, представил новое учение о свете. Представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.