5.4: Будова атома

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78277

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть будову атомів і компонентів ядер
Поясніть поведінку електронів всередині атомів і як електрони взаємодіють зі світлом для переміщення між енергетичними рівнями

Ідея про те, що матерія складається з крихітних частинок, які називаються атомами, щонайменше 25 століть. Однак вченим знадобилося до двадцятого століття, щоб винайти інструменти, які дозволили їм зондувати всередині атома і виявити, що він, як вважалося, не є твердим і неподільним. Натомість атом являє собою складну структуру, що складається з ще більш дрібних частинок.

зондування атома

Перша з цих більш дрібних частинок була відкрита британським фізиком Джеймсом (J. J.) Томсон в 1897 році. Названа електроном, ця частинка негативно заряджена. (Саме потік цих частинок виробляє струми електрики, будь то в блискавках або в проводах, що ведуть до вашої лампи.) Оскільки атом в нормальному стані є електрично нейтральним, кожен електрон в атомі повинен бути збалансований однаковою кількістю позитивного заряду.

Наступним кроком було визначення, де в атомі розташовані позитивний і негативний заряди. У 1911 році британський фізик Ернест Резерфорд розробив експеримент, який надав частину відповіді на це питання. Він бомбардував надзвичайно тонкий шматок золотої фольги, товщиною всього близько 400 атомів, пучком альфа-частинок (рис.\(\PageIndex{1}\)). Альфа-частинки (α частинки) - це атоми гелію, які втратили електрони і, таким чином, позитивно заряджені. Більшість цих частинок пройшли через золоту фольгу так само, як ніби вона і атоми в ній були майже порожнім простором. Близько 1 з 8000 альфа-частинок, однак, повністю змінив напрямок і відскочив назад від фольги. Резерфорд писав: «Це була найнеймовірніша подія, яка коли-небудь траплялася зі мною в моєму житті. Це було майже так само неймовірно, ніби ви випустили 15-дюймову оболонку по шматочку цигаркового паперу, і він повернувся і вдарив вас».

альт — Малюнок Експеримент\(\PageIndex{1}\) Резерфорда. (а) Коли Резерфорд дозволив частинкам α з радіоактивного джерела вразити ціль золотої фольги, він виявив, що, хоча більшість з них пройшли прямо, деякі відскочили назад у напрямку, звідки вони прийшли. (б) З цього експерименту він дійшов висновку, що атом повинен бути побудований як мініатюрна Сонячна система, з позитивним зарядом зосередженим в ядрі і негативним зарядом, що обертається навколо ядра у великому обсязі. Зверніть увагу, що цей малюнок не масштабувати; електронні орбіти набагато більше щодо розмірів ядра.

Єдиний спосіб врахувати частинки, які змінили напрямок, коли вони потрапили в золоту фольгу, полягав у тому, щоб припустити, що майже вся маса, а також весь позитивний заряд в кожному окремому атомі золота зосереджені в крихітному центрі або ядрі. Коли позитивно заряджена альфа-частинка вражає ядро, вона змінює напрямок, так само, як биток змінює напрямок, коли він б'є інший більярдний куля. Модель Резерфорда розмістила інший тип заряду - негативні електрони - на орбіті навколо цього ядра.

Модель Резерфорда вимагала, щоб електрони перебували в русі. Позитивні і негативні заряди притягують один одного, тому стаціонарні електрони потрапляли б в позитивне ядро. Крім того, оскільки і електрони, і ядро надзвичайно малі, більша частина атома порожня, саме тому майже всі частинки Резерфорда змогли пройти прямо крізь золоту фольгу, не стикаючись ні з чим. Модель Резерфорда була дуже вдалим поясненням проведених ним експериментів, хоча врешті-решт вчені виявили б, що навіть саме ядро має структуру.

Атомне ядро

Найпростіший можливий атом (і найпоширеніший на Сонці і зірках) - водень. Ядро звичайного водню містить єдиний протон. Переміщається навколо цього протона єдиний електрон. Маса електрона майже в 2000 разів менша за масу протона; електрон несе кількість заряду, рівно рівну величині протона, але протилежну за знаком (рис.\(\PageIndex{2}\)). Протилежні заряди притягують один одного, тому це електромагнітна сила, яка утримує протон і електрон разом, так само, як гравітація - це сила, яка утримує планети на орбіті навколо Сонця.

Існує безліч інших типів атомів в природі. Гелій, наприклад, є другим за поширеністю елементом на Сонці. Гелій має два протони в ядрі замість одного протона, який характеризує водень. Крім того, ядро гелію містить два нейтрони, частинки з масою, порівнянною з масою протона, але без електричного заряду. Переміщаються навколо цього ядра два електрона, тому загальний чистий заряд атома гелію також дорівнює нулю (рис.\(\PageIndex{3}\)).

З цього опису водню і гелію, можливо, ви здогадалися закономірність нарощування всіх елементів (різних типів атомів), які ми знаходимо у Всесвіті. Тип елемента визначається кількістю протонів в ядрі атома. Наприклад, будь-який атом з шістьма протонами є елементом вуглецю, з вісьмома протонами - кисень, з 26 - залізо, а з 92 - уран. На Землі типовий атом має таку ж кількість електронів, що і протони, і ці електрони слідують за складними орбітальними візерунками навколо ядра. Глибоко всередині зірок, однак, вона настільки гаряча, що електрони звільняються від ядра і (як ми побачимо) ведуть окреме, але продуктивне життя.

Ставлення нейтронів до протонів збільшується в міру збільшення кількості протонів, але кожен елемент унікальний. Кількість нейтронів не обов'язково однакове для всіх атомів даного елемента. Наприклад, більшість атомів водню взагалі не містять нейтронів. Існують, однак, атоми водню, які містять один протон і один нейтрон, а інші, які містять один протон і два нейтрони. Різні типи ядер водню з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами водню (рис.\(\PageIndex{4}\)), а всі інші елементи також мають ізотопи. Ви можете думати про ізотопи як про братів і сестер в одному елементі «сім'ї» - тісно пов'язаної, але з різними характеристиками та поведінкою.

Щоб вивчити структуру атомів, перейдіть на веб-сайт PhET Build a Atom, де ви можете додати протони, нейтрони або електрони до моделі, і з'явиться назва створеного вами елемента. Ви також можете побачити чистий заряд, масове число, чи є він стабільним або нестабільним, і чи є це іоном або нейтральним атомом.

Атом Бора

Модель Резерфорда для атомів має одну серйозну проблему. Теорія Максвелла електромагнітного випромінювання говорить, що коли електрони змінюють або швидкість, або напрямок руху, вони повинні випромінювати енергію. Орбітальні електрони постійно змінюють напрямок свого руху, тому вони повинні випромінювати постійний потік енергії. Застосовуючи теорію Максвелла до моделі Резерфорда, всі електрони повинні спіраль у ядро атома, оскільки вони втрачають енергію, і цей колапс повинен відбутися дуже швидко - приблизно за ^10-16 секунд.

Саме датський фізик Нільс Бор (1885—1962) розгадав таємницю того, як електрони залишаються на орбіті. Він намагався розробити модель атома, яка б також пояснювала певні закономірності, що спостерігаються в спектрі водню. Він припустив, що спектр водню можна зрозуміти, якщо припустити, що орбіти тільки певних розмірів можливі для електрона. Бор далі припускав, що поки електрон рухається тільки по одній з цих дозволених орбіт, він не випромінює енергії: його енергія зміниться тільки в тому випадку, якщо він перемістився з однієї орбіти на іншу.

Ця пропозиція, за словами історика науки Абрахама Паїса, була «однією з найсміливіших гіпотез, коли-небудь запроваджених у фізиці». Якби щось еквівалентне було на роботі в повсякденному світі, ви могли б виявити, що, коли ви пішли на прогулянку після класу астрономії, природа дозволила вам ходити два кроки на хвилину, п'ять кроків на хвилину, і 12 кроків на хвилину, але ніяких швидкостей між ними. Як би ви не намагалися рухати ногами, дозволені тільки певні швидкості ходьби. Щоб зробити речі більш химерними, не потрібно було б зусиль ходити на будь-якій з дозволених швидкостей, але переходити з однієї швидкості на іншу було б важко. На щастя, на рівні людської поведінки такі правила не застосовуються. Але на мікроскопічному рівні атома експеримент за експериментом підтвердив обгрунтованість дивної ідеї Бора. Пропозиції Бора стали однією з основ нової (і набагато більш досконалої) моделі субатомного світу під назвою квантова механіка.

У моделі Бора, якщо електрон рухається з однієї орбіти на іншу ближче до атомного ядра, він повинен віддавати деяку енергію у вигляді електромагнітного випромінювання. Однак, якщо електрон йде з внутрішньої орбіти на одну далі від ядра, це вимагає деякої додаткової енергії. Одним із способів отримання необхідної енергії є поглинання електромагнітного випромінювання, яке може протікати повз атом із зовнішнього джерела.

Ключовою особливістю моделі Бора є те, що кожна з дозволених електронних орбіт навколо даного атома має певну енергетичну цінність; тому ми можемо розглядати кожну орбіту як енергетичний рівень. Для переміщення з однієї орбіти на іншу (яка матиме свою питому енергетичну цінність) потрібна зміна енергії електрона - зміна, що визначається різницею між двома енергетичними значеннями. Якщо електрон перейде на більш низький рівень, різниця енергій буде віддаватися; якщо електрон перейде на більш високий рівень, різницю в енергії потрібно отримати звідкись ще. Кожен стрибок (або перехід) на інший рівень має фіксоване і певне енергетичне зміна, пов'язане з ним.

Грубою аналогією для цієї ситуації може стати життя в вежі розкішних квартир, де орендна плата визначається якістю огляду. Така будівля має певні, певні пронумеровані рівні або поверхи, на яких розташовуються квартири. Ніхто не може жити на 5.37 або 22.5 поверсі. Крім того, орендна плата стає вище, коли ви піднімаєтеся на більш високі поверхи. Якщо ви хочете обміняти квартиру на двадцятому поверсі на одну на другому поверсі, ви не будете зобов'язані стільки орендної плати. Однак якщо ви хочете переїхати з третього поверху на двадцять п'ятий поверх, ваша орендна плата збільшиться. В атомі теж «найдешевшим» місцем для проживання електрона є найнижчий можливий рівень, а енергія потрібна для переходу на більш високий рівень.

Тут ми маємо одну з ситуацій, коли легше думати про електромагнітне випромінювання як частинки (фотони), а не як хвилі. Коли електрони рухаються з одного рівня на інший, вони виділяють або поглинають невеликі пакети енергії. Коли електрон рухається на більш високий рівень, він поглинає фотон тільки потрібної енергії (за умови, що така є). Коли він переходить на більш низький рівень, він випромінює фотон з точною кількістю енергії, яку він більше не потребує в своїй «ситуації з низькою вартістю життя».

Перспективи фотонів та хвиль повинні бути рівнозначними: світло - це світло, незалежно від того, як ми на нього дивимося. Таким чином, кожен фотон несе певну кількість енергії, яка пропорційна частоті (\(f\)) хвилі, яку він представляє. Значення його енергії (\(E\)) задається за формулою

\[E=hf \nonumber\]

де константа пропорційності\(h\), називається постійною Планка.

Константа названа на честь Макса Планка, німецького фізика, який був одним із винуватців квантової теорії (рис.\(\PageIndex{5}\)). Якщо використовуються метричні одиниці (тобто якщо енергія вимірюється в джоулі і частота в герцах), то константа Планка має значення\(h = 6.626 \times 10^{–34}\) джоуль-секунди (J-s). Фотони вищої енергії відповідають хвилям більш високої частоти (які мають коротшу довжину хвилі); фотони нижчої енергії - хвилі меншої частоти.

Щоб взяти конкретний приклад, розглянемо атом кальцію всередині атмосфери Сонця, в якому електрон перескакує з нижчого рівня на більш високий рівень. Для цього йому потрібно близько 5 × 10 ^—19 джоулів енергії, яку він може зручно отримати, поглинаючи прохідний фотон тієї енергії, що надходить з глибше всередині Сонця. Цей фотон еквівалентний хвилі світла, частота якої становить близько 7,5 × 10 ¹⁴ герц і довжина хвилі якої становить близько 3,9 × 10 ^-7 метрів (393 нанометра), в глибокій фіолетовій частині спектру видимого світла. Хоча спочатку може здатися дивним перехід від зображення світла як фотона (або енергетичного пакета) до зображення його як хвилі, таке перемикання стало другою природою для астрономів і може бути зручним інструментом для проведення розрахунків щодо спектрів.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Енергія фотона

Тепер, коли ми знаємо, як обчислити довжину хвилі і частоту фотона, ми можемо використовувати цю інформацію разом з константою Планка, щоб визначити, скільки енергії несе кожен фотон. Скільки енергії має червоний фотон довжиною хвилі 630 нм?

Рішення

По-перше, як ми дізналися раніше, ми можемо знайти частоту фотона:

\[f= \frac{c}{ \lambda} = \frac{3 \times 10^8 \text{ m/s}}{630 \times 10^{–9} \text{ m}} = 4.8 \times 10^{14} \text{ Hz} \nonumber\]

Далі ми можемо використовувати константу Планка для визначення енергії (пам'ятайте, що Гц - це те саме, що 1/с):

\[E=hf= \left( 6.626 \times 10^{–34} \text{ J-s} \right) \left( 4.8 \times 10^{14} (1/\text{s}) \right)=3.2 \times 10^{–19} \text{ J} \nonumber\]

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Яка енергія жовтого фотона з частотою 5,5 × 10 ¹⁴ Гц?

Відповідь: \[E=hf= \left(6.626 \times10^{–34} \right) \left(5.5 \times 10^{14} \right) = 3.6 \times 10^{–19} \text{ J} \nonumber\]

Ключові поняття та резюме

Атоми складаються з ядра, що містить один або кілька позитивно заряджених протонів. Всі атоми, крім водню, також можуть містити один або кілька нейтронів в ядрі. Негативно заряджені електро нс орбіти ядра. Кількість протонів визначає елемент (водень має один протон, гелій - два і так далі) атома. Ядра з однаковою кількістю протонів, але різною кількістю нейтронів - це різні ізотопи одного і того ж елемента. У моделі Бора атома електрони на дозволених орбітах (або енергетичних рівнях) не виділяють електромагнітного випромінювання. Але коли електрони переходять від нижчих рівнів до вищих, вони повинні поглинати фотон правильної енергії, і коли вони переходять від вищих рівнів до нижчих, вони видають фотон тільки потрібної енергії. Енергія фотона пов'язана з частотою електромагнітної хвилі, яку він представляє за формулою Планка,\(E=hf\).

Глосарій

енергетичний рівень: певного рівня, або кількість, енергії, що володіють атома або іона вище енергії він володіє в його найменш енергійний стан; також використовується для позначення станів енергії електрон може мати в атомі

ізотопу: будь-яка з двох або більше форм одного елемента, атоми якого мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів

ядро (атома): масивна частина атома, що складається в основному з протонів і нейтронів, і про яку обертаються електрони