Атом и люди

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Теплопередача в природе и технике

Дисперсия – тайна солнечного света

Современное воздухоплавание

Мы живем на дне океана (атмосферное давление, его измерение и значение)

Введение:

Первые идеи о том, что материя состоит из отдельных неделимых частиц, появились еще в древние времена. В древней Индии было признано не только существование первичных неделимых частиц материи, но и их способность соединяться друг с другом, образуя новые частицы. Древнегреческий ученый Аристотель писал, что причинами всех вещей являются определенные различия в атомах, а именно: форма, порядок и положение. Позднее древнегреческий философ-материалист ввел понятие массы атомов и их способности самопроизвольно отклоняться во время движения. Французский ученый Пьер Гассенди представил концепцию молекулы, под которой он понял качественно новое образование, состоящее из объединения нескольких атомов.

По мнению британского ученого Р. Бойла, мир корпускул (молекул), их движение и «переплетение» очень сложны. Мир в целом и его мельчайшие части представляют собой целенаправленно устроенные механизмы. Великий русский ученый М.В. Ломоносов разработал и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и активный принцип способность двигаться и взаимодействовать. 

Английский ученый Дж. Далтон рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента, которая отличается от атомов других элементов преимущественно массой.

Французский ученый Дж. Гей-Люссак, итальянский ученый А. Авогадро и русский ученый Д. И. Менделеев внесли большой вклад в атомно-молекулярную теорию. В 1860 году в Карлсруэ состоялся международный конгресс химиков. Благодаря усилиям итальянского ученого С. Канниццаро ​​были приняты следующие определения атома и молекулы: молекула «количество тела, которое вступает в реакции и определяет химические свойства»; атом «наименьшее количество элемента, входящего в частицы (молекулы) соединения. 

Установленные С. Канниццаро ​​атомные массы элементов послужили Д. И. Менделееву главной в открытии периодического закона.

История атома

В далеком прошлом философы древней Греции предполагали, что вся материя одна, но приобретает определенные свойства в зависимости от ее «сущности». Некоторые из них утверждали, что материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярных исследований были заложены позднее в работах русского ученого М. В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Дж. Пруста, английского химика Д. Далтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей. 

Периодический закон Д. И. Менделеева показывает существование регулярной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том, что в основе всех атомов лежит что-то общее. До конца XIX века в химии царило убеждение, что атом самая маленькая неделимая частица простого вещества. Это считалось , что во всех химических превращений, только молекулы разрушаются и создаются, а атомы остаются неизменными и не может быть разделен на части. И, наконец, в конце XIX века были сделаны открытия, которые показали сложность структуры атома и возможность превращения одних атомов в другие. 

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., После того как природа катодных лучей как потока электронов была окончательно установлена ​​и определены величина заряда и масса электрона. Факт высвобождения электронов различными веществами при привело к выводу, что электроны являются частью всех атомов. Но атом, как вы знаете, электрически нейтрален, из этого следует, что в его состав должен был войти еще один компонент, уравновешивающий сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта Резерфордом в 1911 году при изучении движения частиц в газах и других веществах. 

Исследование Резерфорда Эрнеста

Частицы, испускаемые веществами активных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость которых достигает 20000 км / с. Из-за такой огромной скорости частицы, летящие в воздухе и сталкивающиеся с молекулами газа, выбивают из них электроны. Молекулы, которые потеряли электроны, становятся положительно заряженными, в то время как выбитые электроны немедленно присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, положительно и отрицательно заряженные ионы газа образуются в воздухе вдоль пути частиц. Способность частиц ионизировать воздух использовалась английским физиком Уилсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. 

Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), и когда пучок параллельных лучей проходит через слой газа или тонкую металлическую пластину, они не выходят наружу. параллельны, но несколько расходятся, т. е. наблюдается отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластину. 

Основываясь на этих наблюдениях, Резерфорд предложил собственную схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого вращаются отрицательные электроны на разных орбиталях. 

Центростремительные силы, возникающие в результате их вращения, удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения частиц . Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами электронов, наиболее удаленных от ядра; поэтому большинство  частиц проходят через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение от своего первоначального пути.

Таким образом, изучение рассеяния частиц заложило основы ядерной теории атома. Одной из проблем, стоящих перед теорией строения атома в начале его развития, было определение величины ядерного заряда различных атомов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить число электронов, окружающих ядро. В решении этой проблемы этому в значительной степени способствовало изучение рентгеновских спектров. Рентгеновские лучи генерируются воздействием быстро летящих электронов на твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие длины волн света составляют около 4000 ангстрем (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновского излучения составляют от 20 до 0,1 ангстрем. Вы не можете использовать обычную призму или дифракционную решетку для получения рентгеновского спектра. 

Рентгеновские снимки требовали решетки с очень большим числом делений на миллиметр (приблизительно 1 млн / 1 мм). Было невозможно искусственно подготовить такую ​​сетку. В 1912 году у швейцарского физика Лауэ возникла идея использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей. 

Упорядоченное расположение атомов в кристалле и малое расстояние между ними дают основание предполагать, что именно кристаллы подойдут для роли требуемой дифракционной решетки. 

Опыт блестяще подтвердил гипотезу Лауэ, вскоре стало возможным создание приборов, позволяющих получать рентгеновский спектр практически всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках изготавливают из металла, спектр которого они хотят получить, или применяют соединение исследуемого элемента. Экран для спектра фотобумага; после развития все линии спектра видны на нем. В 1913 году английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры, обнаружил связь между длинами волн рентгеновских лучей и порядковыми номерами соответствующих элементов, это называется законом Мозли и может быть сформулировано следующим образом: Квадратные корни Обратные длины волн линейно зависят от элементов серийных номеров. 

Еще до работы Мозли некоторые ученые предполагали, что порядковый номер элемента указывает число зарядов в ядре его атома. В то же время Резерфорд, изучая рассеяние частиц при прохождении через тонкие металлические пластины, обнаружил, что если заряд электрона принимается за единицу, то заряд ядра, выраженный в таких единицах, примерно равен половине атомного веса элемент. Порядковый номер, по крайней мере, из более легких элементов, также составляет примерно половину атомного веса. Все вместе взятые привели к выводу, что заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Таким образом, с учетом нейтральности атомов было установлено также число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. 

Исследование Нильса Бора

Бор Нильс Хенрик Давид (1885-1962). Ядерная модель атома Резерфорда получила дальнейшее развитие благодаря работам Нильса Бора, в которых теория строения атома неразрывно связана с теорией происхождения спектров.

Планк Макс (1858-1947). Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейных спектров обусловлена ​​колебаниями электронов, происходящими внутри атомов. Согласно теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, а сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона полностью аналогично его быстрым колебаниям и должно вызывать излучение электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, в зависимости от частоты орбитального вращения электрона. Но, испуская свет, электрон теряет часть своей энергии, в результате чего нарушается баланс между ним и ядром; чтобы восстановить равновесие, электрон должен постепенно приблизиться к ядру, и частота вращения электрона и характер испускаемого им света также будут постепенно меняться.

В конце концов, израсходовав всю энергию, электрон должен «упасть» на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то спектр всегда был бы получен непрерывным, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, «падение» электрона на ядро ​​означало бы разрушение атома и прекращение его существования.

Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности распределения спектральные линии, ни само существование линейчатых спектров. В 1913 году Бор предложил свою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим умением согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к ней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецкий физик Планк. Суть теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия излучается и поглощается не непрерывно, как это было принято ранее, а отдельными небольшими, но вполне определенными порциями энергетических квантов. Запас энергии излучающего тела меняется как на дрожжах, квант за квантом; дробное число квантов, тело не может ни излучать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем выше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии также называют фотонами.

Применяя квантовые концепции к вращению электронов вокруг ядра, Бор основывал свою теорию на очень смелых предположениях или постулатах. Хотя эти постулаты противоречат законам классической электродинамики, они находят свое оправдание в удивительных результатах, к которым они приводят, и в полном согласии между теоретическими результатами и огромным количеством экспериментальных фактов. Постулаты Бора таковы: электрон может двигаться не по каким-либо орбитам, а только по тем, которые удовлетворяют определенным условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты называются стабильными или квантовыми орбитами. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, он не излучает.

Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Энергия, потерянная атомом при каждом переходе, преобразуется в один квант лучистой энергии. Частота света, излучаемого в этом случае, определяется радиусами тех двух орбит, между которыми происходит электронный переход. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он проходит, тем больше частота излучения. Самым простым из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон.

Рассчитанные из этого частоты излучения, сопровождающего переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались точно совпадающими с частотами, найденными экспериментально для линий спектра водорода, что доказывает правильность расчета устойчивых орбит, и в то же время применимость постулатов Бора для таких расчетов. Позднее теория Бора была распространена на атомную структуру других элементов, хотя это было связано с некоторыми трудностями из-за ее новизны. 

Теория Бора позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы для строения атомов всех химических элементов. Однако имейте в виду, что все эти схемы являются лишь более или менее надежной гипотезой, позволяющей объяснить многие физические и химические свойства элементов.

Как упоминалось ранее, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической таблице. Электроны расположены в слоях, то есть каждый слой имеет определенное заполнение или как бы насыщающее число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются практически одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одном уровне энергии. Вся оболочка атома распадается до нескольких уровней энергии. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее количество электронов N, которое может быть на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату числа слоя: 

N = 2n²,

где n номер слоя;

N наибольшее количество предметов.

Кроме того, было установлено, что число электронов во внешнем слое для всех элементов, кроме палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем восемнадцать. Электроны внешнего слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут быть отделены от атома и присоединены к другим атомам, являясь частью внешнего слоя последнего. Атомы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, поскольку заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. И наоборот, атомы, которые прикрепили электроны, становятся отрицательно заряженными. Образованные таким образом заряженные частицы качественно отличаются от соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или добавлять электроны, превращаясь в электрически нейтральные атомы или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромную помощь физике и химии, приблизившись, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма излучения, а с другой стороны, к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связь между ними. Однако в этой области еще было много явлений, которые теория Бора не могла объяснить. 

Бор представлял движение электронов в атомах как простое механическое, однако оно сложное и уникальное. Эта особенность была объяснена новой квантовой теорией. Отсюда и получилось: «дуализм карпускульной волны». 

Итак, электрон в атоме характеризуется:

• Основное квантовое число n, обозначающее энергию электрона;
• Орбитальное квантовое число l, указывающее на природу орбиты;
• Магнитное квантовое число, которое характеризует положение облаков в пространстве;
• И спиновое квантовое число, которое характеризует веретенообразное движение электрона вокруг своей оси.

Строение атома

Химики XIX века не смогли ответить на вопрос, в чем суть различий между атомами разных элементов, например меди и йода. Только в период 1897-1911 гг. удалось установить, что сами атомы состоят из еще более мелких частиц. Открытие этих частиц и изучение строения атомов как атомы различных типов строятся из более мелких частиц является одной из самых интересных страниц в истории науки. Более того, знание структуры атомов позволило затем провести чрезвычайно успешную систематизацию химических фактов, и это облегчило понимание и усвоение химии. Наибольшую помощь каждому, кто изучает химию, окажет, прежде всего, четкое понимание строения атома. 

Частицы, из которых состоят атомы это электроны и атомные ядра. Электроны и атомные ядра несут электрические заряды, которые во многом определяют свойства самих частиц и структуру атомов. 

Природа электричества

Даже древние греки знали, что если натереть янтарь шерстью или мехом, он притянет к себе легкие предметы, такие как перья или кусочки соломы. Это явление было изучено Уильямом Гильбертом (1540-1603), который предложил электрическое прилагательное для описания силы притяжения, действующей в этом случае; оно происходит от греческого слова «электрон», означающего янтарь. Гилберт и многие другие ученые, включая Бенджамина Франклина, изучали электрические явления; на протяжении всего XIX в. были сделаны многочисленные открытия, чтобы объяснить явления электричества и магнетизма (тесно связанные с электричеством). 

Было обнаружено, что если вощеный стержень, который ведет себя так же, как янтарь, натирают шерстяной тканью и приближают к стеклянному стержню, натертому шелковой тканью, то между стержнями прыгает электрическая искра. Также было обнаружено, что между такими стержнями действует сила притяжения. Таким образом, если восковой стержень, который получил электрический заряд в результате трения шерстяной тканью, подвешен на нити и заряженный стеклянный стержень подведен ближе к нему, то заряженный конец воскового стержня повернет к стеклянный стержень В то же время конец электрифицированного воскового стержня; таким же образом электрифицированный стеклянный стержень отталкивается аналогичным электрифицированным стеклянным стержнем. 

В результате экспериментального изучения такого рода явлений была сформирована идея о существовании двух типов электричества, называемых смоляным электричеством (которое собирается на стеклянном стержне); Оказалось, что противоположные виды электричества растягиваются, а те же самые отталкивают. Франклин несколько упростил эту точку зрения, приняв предположение, что только один тип электричества может течь от объекта к другому объекту.

Он предположил, что в процессе протирания стеклянного стержня шелковой тканью определенная электрическая «жидкость» проходит от ткани к стеклу, и стеклянный стержень становится положительно заряженным из-за избытка электрической жидкости. Недостаток электрической жидкости создается в ткани. Ткань создает недостаток электрической жидкости и становится отрицательно заряженной. Он подчеркнул, что он действительно не знает, прошла ли электрическая жидкость от шелковой ткани к стеклянному стержню или от стеклянного стержня к ткани, и поэтому решение рассматривать электричество на заряженном стеклянном стержне как положительное допустимо.

В настоящее время на самом деле известно, что, когда стеклянный стержень натирают шелковой тканью, отрицательно заряженные частицы электроны переходят от стеклянной палочки к шелковой ткани, и что Франклин допустил ошибку в своем предположении. 

Электрон

Идея электрических частиц, содержащихся в веществах, была выдвинута в качестве гипотезы английским ученым Дж. Джонстоном Стони. Stonay знал, что вещества могут разлагаться электрическим током например, вода может разлагаться таким образом на водород и кислород. Он также знал о работе Майкла Фарадея, который установил, что для получения определенного количества элемента из того или иного его соединения требуется определенное количество электричества. Размышляя об этих явлениях, Стони в 1874 г. пришел к выводу, что они указывают на существование электричества в виде дискретных единичных зарядов, и эти единичные заряды связаны с атомами. В 1891 г. Стоуни предложил название электрона для единицы электричества, которую он постулировал. Электрон был экспериментально обнаружен в 1897 году Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете. 

Ядра атомов

В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд провел серию экспериментов, которые показали, что каждый атом содержит, помимо одного или нескольких электронов, еще одну частицу, называемую ядром атома. Каждое ядро ​​несет положительный заряд. Он очень маленький диаметр ядра составляет всего около 10-14 м, но он очень тяжелый самое легкое ядро ​​в 1836 раз тяжелее электрона. 

Существует много разных типов ядер, причем ядра одного элемента отличаются от ядер другого элемента. Ядро атома водорода (протона) имеет точно такой же электрический заряд, что и электрон, но с противоположным знаком (положительным вместо отрицательного). Ядра других атомов имеют положительные заряды, целое число раз превышающее значение этого основного заряда заряда протона. 

Протон и нейтрон

Протон самое простое атомное ядро. Это ядро ​​самого распространенного типа водорода, самый легкий из всех атомов. 

Протон имеет электрический заряд 0,1602 10-18 ° С. Этот заряд в точности равен заряду электрона, но он положительный, а заряд электрона отрицательный. 

Масса протона составляет 1.672 10-27 кг. Это в 1836 раз больше массы электрона. 

Нейтрон был открыт английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году . Масса нейтрона составляет 1,675 · 10-27 кг, что в 1839 раз больше массы электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда. 

Среди химиков принято использовать единицу атомной массы, или дальтон (d), приблизительно равный массе протона. Масса протона и масса нейтрона примерно равны единице атомной массы.

Заключение

Известно о существовании нескольких сотен различных типов атомных ядер. Вместе с электронами, которые окружают ядро, они образуют атомы разных химических элементов. 

Хотя детальная структура ядер не установлена, физики единодушно признают, что ядра можно считать состоящими из протонов и нейтронов.

Давайте начнем с дейтрона в качестве примера. Это ядро ​​тяжелого атома водорода или атома дейтерия. Дейтрон имеет тот же электрический заряд, что и протон, но его масса примерно вдвое больше электрического заряда, чем протона, но его масса примерно в два раза больше массы протона. Считается, что дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона. 

Ядро атома гелия, также называемое альфа-частицей или гелионом, имеет электрический заряд, в два раза превышающий заряд протона, и массу, примерно в четыре раза превышающую заряд протона. Считается, что альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. 

В далеком прошлом философы древней Греции предполагали, что вся материя одна, но приобретает определенные свойства в зависимости от ее "сущности". И теперь, в наше время, благодаря великим ученым, мы точно знаем, из чего он состоит.