Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова




НазваниеЛ. Р. Родкина Е. Э. Шмакова
страница2/30
Дата публикации24.04.2013
Размер1.63 Mb.
ТипДокументы
skachate.ru > Физика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30



^

Глава 1
Концепция
атомистического
строения вещества

1.1. План семинарского занятия


  1. Начальные взгляды на строение вещества. Вещества и их изменения. Основные понятия и определения.

  2. Развитие представления о сложном строении атома. Теория Бора.

  3. Квантовая теория строения атома. Квантовые числа электронов.

  4. Электронные конфигурации атомов. Ядро атома и радиоактивные превращения. Правила заполнения электронных оболочек.

  5. Периодический закон Д.И. Менделеева. Периодическая таблица и электронные конфигурации атомов.

  6. Химическая связь. Ионная связь. Ковалентная связь. Донорно-акцеп­торная связь. Металлическая связь. Водородная связь.
^

1.2. Теоретическое обоснование темы


Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше 2 тыс. лет тому назад. Сторонники атомистической теории, начиная с греческого философа Демокрита, рассматривали атом как мельчайшую неделимую частицу (от греческого «атомос» – неделимый) и считали, что все многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц – атомов.

Конкретные представления о строении атомов развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Большая роль в этой области науки принадлежит Д.И. Менделееву (1834–1907 г.).

Открытия, совершённые во второй половине XIX века, заставили усомниться в неделимости атомов. Очень важным стало открытие немецких ученых К. Кирхгофа и Р. Бунзена: по наличию набора спектральных линий они предположили, что атом представляет собой сложную систему. Об этом уже свидетельствовало явление ионизации атомов.

Ответ на вопрос, что является носителем заряда, теряемого или приобретаемого атомом в процессе ионизации, был дан в самом конце XIX века. Оказалось, что таким носителем является входящий в состав атома электрон – отрицательно заряженная частица массой и зарядом . Опираясь на эти открытия, английский физик Дж. Томсон в 1898 г. предложил первую модель атома в виде положительно заряженного шарика, в который вкраплены отдельные электроны, нейтрализующие положительный заряд.
^

Основные понятия
атомарно-молекулярного учения


Каждый отдельный вид материи обладает при данных условиях определенными физическими свойствами. Например: воду, железо, серу, известь, кислород называют веществом.

Вещество определяется тремя признаками:

  • занимает часть пространства;

  • обладает массой покоя;

  • построено за счет сил притяжения и отталкивания.

Вещество существует в трех агрегатных состояниях:

1) газообразное состояние – вещество не имеет ни собственной формы, ни собственного объема; оно принимает форму и объем того сосуда, в котором находится; вещество может расширяться и его можно легко сжимать;

2) жидкое состояние – вещество не имеет своей формы, принимает форму сосуда, в котором находится, но имеет определенный объем; сжимаемость вещества в жидком состоянии невелика;

3) твердое состояние – вещество обладает механической прочностью (это свойство не присуще ни газам, ни жидкостям), имеет форму и объем; сжимаемость незначительна.

В основе химической науки лежит атомно-молекулярное учение. Это учение строится на двух принципах: дискретности вещества и неделимости атома.

Согласно этому учению:

1) все вещества состоят из отдельных частиц молекул;

2) при химических превращениях молекулы разрушаются, при физических сохраняются;

3) молекулы состоят из атомов, при химических реакциях атомы не разрушаются;

4) атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов любого другого вида (элемента);

5) суть химической реакции – в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные вещества.

Если молекула образована атомами одного элемента, то это молекула простого вещества. Молекула сложного вещества образована атомами разных элементов. Состав молекулы вещества выражается с помощью химических формул. Число атомов, входящих в состав молекулы, указывается правым индексом. например:  – означает, что это сложное вещество, его молекула состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода; – простое вещество, молекула которого состоит из двух атомов водорода.

1869 г. Д.И. Менделеев впервые сформулировал периодический закон (основная характеристика элементов – их атомные веса): свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. На базе современных представлений периодический закон формулируется так: cвойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

Большинство металлов обладает рядом свойств, имеющих общий характер и отличающихся от свойств других простых или сложных веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло- и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи – металлической связи.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Эти электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате этого в кристаллической решетке металлов появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Одни из атомов будут терять свои электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из электронного газа. Вследствие этого металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров. В случае металлов невозможно говорить о направленности связей, т.к. валентные электроны распределены по кристаллу почти равномерно. Именно этим и объясняется, например, пластичность металла.

Существует еще особый вид связи – водородная связь. Само название подчеркивает, что в ее образовании принимает участие атом водорода. Атом водорода, соединенный с сильно электроотрицательным элементом, способен образовывать еще одну химическую связь с другим подобным элементом. Условием образования этой связи является высокая электроотрицательность атома, непосредственно связанного в молекуле с атомом водорода. Атом с сильной электроотрицательностью смещает к себе общую электронную пару, приобретая отрицательный заряд, а атом водорода с внешней стороны почти полностью лишается электронного облака. С внешней стороны остается протон водорода, он будет взаимодействовать с отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Водородная связь затрудняет отрыв молекулы друг от друга, играет большую роль в живой и неживой природе. Температура кипения воды намного выше, чем соответствующих соединений остальных элементов 6 группы (, , ), именно благодаря водородным связям.Водородная связь служит причиной некоторых важных особенностей воды – вещества, играющего огромную роль в процессах, протекающих в живой и неживой природе. Она в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. Так, наиболее важным и, несомненно, одним из наиболее известных примеров влияния внутримолекулярной водородной связи на структуру является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекула ДНК свернута в виде двойной спирали. Две нити этой двойной спирали связаны друг с другом водородными связями.

Молекулы органических соединений, содержащие группы , , , и др., часто ассоциированы вследствие образования водородных связей.

Доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью. В 1896 году французский физик А. Беккерель обнаружил, что материалы, содержащие уран, засвечивают в темноте фотопластинку, ионизируют газы, вызывают свечение флюоресцирующих веществ.

В дальнейшем выяснилось, что этой способностью обладает не только уран. Титанические усилия, связанные с переработкой огромных масс урановой смоляной руды, позволили П. Кюри и М. Склодовской-Кюри открыть два новых радиоактивных элемента полоний и радий. Последовавшие за этим установление природы , и лучей, образующихся при радиоактивном распаде (Э. Резерфорд, 1899–1903 гг.), открытие ядер атомов диаметром, занимающих незначительную долю объема атома (Э. Резерфорд, 1909–1911 гг.), определение заряда электрона (Р. Милликен, 1909–1914 гг.) и доказательство дискретности его энергии в атоме (Дж. Франк, Г. Герц, 1912 г.), открытие того факта, что заряд ядра равен номеру элемента (Г. Мозли, 1913 г.), и наконец, открытие протона (Э. Резерфорд, 1920 г.) и нейтрона (Дж. Чедвик, 1932 г.) позволили предложить следующую модель строения атома.
^

Строение атома


Атом любого химического элемента состоит из ядра и электронной оболочки.

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома;

2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна );

3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название – нуклоны). Число протонов и нейтронов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу;

4. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

Различные виды атомов имеют общее название – нуклиды. Нуклиды достаточно охарактеризовать любыми двумя числами из трех фундаментальных параметров:

 – массовое число,

 – заряд ядра, равный числу протонов, и

 – число нейтронов в ядре.

Эти параметры связаны между собой соотношениями:

.

Нуклиды с одинаковым , но различными и называют изотопами.

Ядро состоит из положительно заряженных и нейтральных частиц – протонов и нейтронов. Протон () – стабильная элементарная положительная частица. Положительный заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона. Масса протона больше массы электрона приблизительно в раз и равняется .

В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил свою теорию строения атома. При этом Бор не отбрасывал полностью старые представления о строении атома: как и Резерфорд, он считал, что электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам, движущимся вокруг Солнца, однако в основу новой теории были положены два необычных предложения (постулата). 1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным орбитам, а только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам. Радиус орбиты и скорость электрона v связаны квантовым соотношением Бора:

, (1.1)

где  – масса электрона,

 – номер орбиты,

 – постоянная Планка ().

2. При движении по этим 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 , в другое – с энергией ,что соответствует переходу электрона с одной стационарной орбиты на другую. При таком переходе излучается или поглощается энергия , величина которой определяется соотношением:

=, (1.2)

где  – частота излучения, .

Отметим важное соотношение для радиусов орбит электрона в атоме водорода:

. (1.3)

Подставляя значения констант () и считая , получаем значение первого боровского радиуса, который является единицей длины в физике атома:

.

Бор рассчитал частоты линий спектра атома водорода, которые очень хорошо согласовывались с экспериментальными значениями.

В последующие годы некоторые положения теории Бора были переосмыслены, видоизменены, дополнены. Наиболее существенным нововведением явилось понятие об электронном облаке, которое пришло на смену понятию об электроне, как только частице. Большую часть пространства атома занимают электроны. Электрон (e)ˉ – элементарная отрицательная частица, носитель элементарного электрического заряда. Электрон движется с такой большой скоростью, что зафиксировать его положение в какой-либо определенной точке пространства невозможно. Представим себе, что человек мог бы уменьшиться до размеров атомного ядра и наблюдать движение электрона «изнутри» атома водорода. Он увидел бы электрон, «размазанный» по объему атома и мог бы сказать, что он находится «где-то здесь». Поэтому обычно говорят об электронных облаках, образующихся при движении электрона вокруг ядра. С увеличением номера элемента увеличивается и число электронов, и поэтому форма электронных облаков становится более сложной.

Модель Бора стала первой квантовой моделью атома. Объединив в себе результаты, полученные при исследовании радиоактивности, оптических и электромагнитных явлений, теория Бора положила начало новой эпохи в развитии теории атома и сразу же обнаружила справедливость в спектроскопии и химии.

За создание квантовой теории атома Н.Бор стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1922 г.

На смену теории Бора пришла квантовая теория строения атома, которая учитывает волновые свойства электрона. 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 поток электронов проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции.

Длина волны электрона и его скорость связаны соотношением де Бройля:

, (1.4)

где – масса,

 – скорость электрона.

Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение:

, (1.5)

где  – неопределенность положения координаты,

 – погрешность измерения скорости.

Электрон в атоме 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. Эти положения составляют суть новой теории, описывающей движение микрочастиц, квантовой механики. Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз Л. де Бройль, немец В. Гейзенберг, австриец Э. Шредингер и англичанин П. Дирак.

Состояние электронов можно описать набором четырех квантовых чисел, но для объяснения строения электронных оболочек атомов нужно еще знать три основных положения:

1) принцип Паули;

2) принцип наименьшей энергии;

3) правило Гунда.

В 1925 г. швейцарский физик В. Паули установил правило, названное впоследствии принципом Паули (или запрет Паули): в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковые. Хотя бы одно из квантовых чисел и должны отличаться обязательно.

В 1927 г. немецкий физик Ф. Гунд сформулировал так называемое правило Гунда: при данном значении (то есть в пределах определенного подуровня) электроны располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.

^ Принцип наименьшей энергии (наибольший вклад в разработку этого принципа внес советский ученый В. М. Клечковский) – в атоме каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной. Именно В. М. Клечковский впервые в 1961 г. сформулировал общее положение, что электрон занимает в основном состоянии уровень не с минимальным возможным значением , а с наименьшим значением суммы . Принцип наименьшей энергии справедлив только для основных состояний атомов. В возбужденных состояниях электроны могут находиться на любых орбиталях атомов, если при этом не нарушается принцип Паули. Дальнейшее развитие теории привело к созданию Шредингером и Гейзенбергом квантовой механики, описывающей поведение микрочастиц (1926 г.)

Все дискретные величины в микромире оказались пропорциональны постоянной М.Планка, введенной им в 1900 г. для решения проблемы излучения «черного тела».
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30

Похожие:

Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconВыступление Михаила Шмакова на общественно-политическом журнале «Признание» №44-45 2007-2008
Михаил Шмаков: «Профсоюз заставляет работодателя относиться к работнику не как к винтику, а как к человеку»
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconВ. С. Барашенков, М. В. Ляблин, Н. Л. Шмакова, Я. Г. Гальперин
Сравнение групп 100 гамма-облученных, потреблявших "энерголизованную" воду мышей и 100 таких же контрольных, содержавшихся на обычной...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconЛ. А. Шмакова финансовый анализ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования в качестве учебного пособия...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconДоклад председателя фнпр м. В. Шмакова
Тем не менее, я хотел бы остановиться на нескольких наиболее существенных моментах прошедшего пятилетия. А также – зафиксировать...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconДоклад Председателя фнпр шмакова М. В. на заседании Генерального...
Сегодня мы рассматриваем один из важных вопросов нашей деятельности, по которому нам необходимо и высказать свою позицию, и принять...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconВыступление делегата профсоюзов России Михаила Шмакова на 102-й сессии...
Этот доклад посвящен столетней годовщине мот, но его идеи мобилизуют нас на практические дела уже сегодня, во имя торжества идеалов...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconДоклад Председателя фнпр м. В. Шмакова "О ходе выполнения решений...
Оду пятилетки присваивать названия. Первый год пятилетки, второй, определяющий, решающий, завершающий. В этом смысле 2013 год определяющий,...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconМетодические указания и задания к контрольным работам для студентов...
Финансовый анализ [Текст]: Методические указания и задания к контрольным работам для студентов специальности 080105 «Финансы и кредит»...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
skachate.ru
Главная страница