Атомын бүтцийн талаархи санаа бодлын хувьсал. Атом бол атомын бүтцийн талаархи орчин үеийн санааг боловсруулах.

Оршил

Атомын цогц бүтцийг нээх нь орчин үеийн физикийн хөгжлийн хамгийн чухал үе шат юм. Шингэнээр дамжин цахилгаан гүйдэл дамжих процессыг судалснаар атомын бүтцийн талаархи анхны мэдээллийг олж авсан. XIX зууны гучаад онд. Гайхамшигт физикч М.Фарадейгийн туршилтууд нь цахилгаан нь тусдаа нэгж цэнэгийн хэлбэрээр байдаг гэж үзсэн. Цацраг идэвхт гэж нэрлэгддэг зарим элементийн атомын аяндаа задралыг нээсэн нь атомын бүтцийн нарийн төвөгтэй байдлын шууд нотолгоо болсон юм.

1902 онд Английн эрдэмтэд Эрнест Рутерфорд, Фредерик Содди нар цацраг идэвхт задралын үед ураны атом нь торийн атом ба гелийн атом гэсэн хоёр атом болж хувирдаг болохыг баталжээ. Энэ нь атомууд нь хувиршгүй, устаж үгүй ​​болдог бөөмс биш гэсэн үг юм.

Нэг талаас цацраг идэвхт цацрагийн судалгаа, нөгөө талаас квант онол хөгжсөн нь атомын Резерфорд-Борын квант загварыг бий болгоход хүргэсэн. Гэхдээ энэ загварыг бүтээхээс өмнө сонгодог электродинамик ба механикийн үзэл баримтлалд үндэслэн атомын загварыг бүтээх оролдлого хийсэн. 1904 онд атомын бүтцийн тухай нийтлэлүүд гарч, зарим нь Японы физикч Хантаро Нагаока, зарим нь Английн физикч Д.Д. Томсон.

Нагаока атомын бүтцийг нарны аймгийн бүтэцтэй төстэй гэж танилцуулав: Нарны үүргийг атомын эерэг цэнэгтэй төв хэсэг гүйцэтгэдэг бөгөөд түүний эргэн тойронд "гаргууд" - электронууд тогтсон цагираг хэлбэртэй тойрог замд хөдөлдөг. Бага зэрэг шилжих үед электронууд цахилгаан соронзон долгионыг өдөөдөг.

Томсоны атомд эерэг цахилгаан нь электронуудыг суулгасан бөмбөрцөгт "тархагддаг". Хамгийн энгийн устөрөгчийн атомд электрон эерэг цэнэгтэй бөмбөрцгийн төвд байрладаг. Олон электрон атомуудад электронууд Томсоны тооцоолсон тогтвортой тохиргоонд байрладаг. Томсон атомын химийн шинж чанарыг тодорхойлохын тулд ийм тохиргоо бүрийг авч үзсэн. Тэрээр Д.И.-ийн элементүүдийн үечилсэн системийг онолын хувьд тайлбарлах оролдлого хийсэн. Менделеев. Энэ оролдлогоос хойш атом дахь электронуудыг бүлэгт хуваах санаа нь эхлэлийн цэг болсон гэж Бор хожим онцолжээ.

Гэвч удалгүй туршилтын шинэ баримтууд Томсоны загварыг үгүйсгэж, харин эсрэгээрээ гаригийн загварыг дэмжиж байгаа нь тодорхой болов. Эдгээр баримтуудыг Рутерфорд нээсэн. Юуны өмнө атомын цөмийн бүтцийг олж илрүүлснийг тэмдэглэх нь зүйтэй.

Атомын электрон бүтцийн орчин үеийн онолын үндэс нь Нильс Борын атомын гаригийн загвар байв.

Хийсвэрлэлийн зорилго: Эрнест Рутерфорд, Нильс Бор нарын загваруудын жишээн дээр атомын бүтцийн талаархи санаа бодлын хувьслын үйл явцыг тусгах.

Хураангуй ажлын зорилго: Э.Резерфорд, Н.Бор нарын илэрхийлсэн атомын бүтцийн талаарх санааг судлах, шинжлэх, нэгтгэн дүгнэх, орчин үеийн физикийн үүднээс хамгийн зөв таамаглалын талаар дүгнэлт гаргах. Ажлын явцад янз бүрийн эх сурвалжийг ашигласан: С.Х.Карпенков, Т.И. Трофимова, дээд боловсрол эзэмшихэд зориулагдсан. Тэд атомын бүтцийн талаархи мэдлэгийн үүсэл, хөгжлийн түүхийг хүртээмжтэй хэлээр ярьдаг. Энэ хандлага нь асуудлыг бүх нарийн төвөгтэй байдлаар нь судлах хүсэл эрмэлзлээс үүдэлтэй юм.

Атомын бүтэц

Атом (Грек хэлнээс atomos - хуваагдашгүй) нь бичил харуурын хэмжээтэй, маш бага масстай (бичил бөөмс) бодисын бөөмс бөгөөд түүний шинж чанарыг тээгч химийн элементийн хамгийн жижиг хэсэг юм. Элемент бүр нь тухайн элементийн тэмдгээр тодорхойлогддог тодорхой төрлийн атомтай тохирдог (жишээлбэл, устөрөгчийн атом H, төмрийн атом Fe; мөнгөн усны атом Hg; ураны атом U).

Орчин үеийн ойлголтоор атом нь эерэг цэнэгтэй цөм ба цөмийн эргэн тойрон дахь электронуудаас бүрдсэн цогц систем юм.

Цөм нь атомын бараг бүх масс ба эерэг цахилгаан цэнэг нь төвлөрсөн атомын төв хэсэг юм. Бүх атомын цөм нь энгийн бөөмсөөс бүрддэг: протон ба нейтронууд нь нэг бөөмийн хоёр цэнэгийн төлөв гэж тооцогддог - нуклон. Протон эерэг цахилгаан цэнэгтэй бөгөөд үнэмлэхүй утгаараа электроны цэнэгтэй тэнцүү байна. Нейтрон нь цахилгаан цэнэггүй байдаг.

Атомын цөмийг тойрсон электронууд нь ~ 5∙10 -4 атомын массын нэгж масстай, -1,6 ∙ 10 -19 К (-1) цэнэгтэй сөрөг цэнэгтэй бичил хэсгүүд юм. Электроны масс нь протон эсвэл нейтроны масстай харьцуулахад өчүүхэн бага байдаг тул атомын масс нь түүний цөмийн масстай бараг тэнцүү байдаг, өөрөөр хэлбэл. протон ба нейтроны массын нийлбэр. Атом дахь электронуудын тоо нь цөмийг бүрдүүлдэг эерэг цэнэгтэй протонуудын тоотой тэнцүү байна.

Атомын хэмжээсийг бүхэлд нь түүний электрон бүрхүүлийн хэмжээсээр тодорхойлдог бөгөөд атомын цөмийн хэмжээстэй харьцуулахад том байдаг. Атомын электрон бүрхүүлүүд нь хатуу тодорхойлогдсон хил хязгааргүй; атомын хэмжээсийн утга нь тэдгээрийг тодорхойлох аргаас их бага хэмжээгээр хамаардаг бөгөөд маш олон янз байдаг.

1911 онд Английн эрдэмтэн Эрнест Рутерфорд атомын "гаргагийн" загварыг гаргаж ирсэн бөгөөд үүний дагуу Рутерфорд атомын төвд өчүүхэн боловч маш нягт цөм байрлуулсан бөгөөд үүнд атомын бараг бүх масс төвлөрсөн байдаг. электронууд нарны эргэн тойрон дахь гаригууд шиг тодорхой тойрог замд түүнийг тойрон эргэдэг.

Дараа нь электрон бүр цөмийг тойрон маш хурдан хөдөлдөг тул үүнийг хамгийн хүчирхэг микроскопоор шалгах боломжгүй төдийгүй тодорхой траекторийн дагуу хөдөлж буй цэг гэж төсөөлөхийн аргагүй юм. Электрон нь сансар огторгуйд "түрхсэн" бөгөөд электрон үүл үүсгэдэг бөгөөд электрон үүлний хэлбэр өөр байж болно.

Одоогийн байдлаар электрон үүлний дөрвөн хэлбэр мэдэгдэж байна: s-электрон (электрон үүлний бөмбөрцөг хэлбэр); p-электронууд (электрон үүлний хэлбэр - дамббелл эсвэл найман зураг); d-электронууд; f электронууд.

Рутерфорд, Бор загварууд

1911 онд Английн физикч Эрнест Рутерфорд хий болон бусад бодис дахь альфа бөөмсийн хөдөлгөөнийг судалж байхдаа атомын эерэг цэнэгтэй хэсгийг нээжээ. Цаашид илүү нарийвчилсан судалгаагаар зэрэгцээ туяа нь хийн давхарга эсвэл нимгэн металл хавтангаар дамжин өнгөрөхөд зэрэгцээ туяа гарахаа больсон, харин зарим талаараа ялгаатай: альфа тоосонцор тархсан, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь анхны замаасаа хазайдаг болохыг харуулсан. Хазайлтын өнцөг нь бага боловч маш хүчтэй хазайдаг цөөн тооны бөөмс (хэдэн мянгад нэг орчим) байдаг. Зарим тоосонцор нь нэвтэршгүй саадтай тулгарсан мэт буцаж шидэгддэг. Эдгээр нь электрон биш - тэдгээрийн масс нь альфа бөөмсийн массаас хамаагүй бага юм. Масс нь альфа бөөмсийн масстай ижил дараалалтай эерэг хэсгүүдтэй мөргөлдөх үед хазайлт үүсч болно. Эдгээр бодол дээр үндэслэн Рутерфорд атомын бүтцийн цөмийн (гаргагийн) загварыг санал болгосон.

“Атомын төвд эерэг цэнэгтэй цөм байдаг бөгөөд түүний эргэн тойронд электронууд өөр өөр тойрог замд эргэлддэг. Тэдний эргэлтийн үед үүсэх төвөөс зугтах хүч нь цөм ба электронуудын хоорондох таталцлаар тэнцвэрждэг бөгөөд үүний үр дүнд тэд цөмөөс тодорхой зайд үлддэг. Электроны масс нь өчүүхэн тул атомын бараг бүх масс түүний цөмд төвлөрдөг. Цөм, электронуудын эзлэх хувь харьцангуй бага байдаг нь атомын системийн эзэлдэг нийт орон зайн өчүүхэн хэсгийг л эзэлдэг."

Рутерфордын санал болгосон атомын бүтцийн диаграмм эсвэл тэдний хэлснээр атомын цөмийн загвар нь альфа бөөмсийн хазайлтын үзэгдлийг хялбархан тайлбарладаг. Үнэн хэрэгтээ цөм ба электронуудын хэмжээ нь бүх атомын хэмжээтэй харьцуулахад маш бага байдаг бөгөөд энэ нь цөмөөс хамгийн алслагдсан электронуудын тойрог замаар тодорхойлогддог тул ихэнх альфа бөөмс атомуудын дундуур мэдэгдэхүйц хазайлтгүйгээр нисдэг. Альфа бөөмс нь цөмд маш ойртсон тохиолдолд л цахилгаан түлхэлт нь түүнийг анхны замаасаа огцом хазайхад хүргэдэг. Ийнхүү альфа бөөмсийн тархалтыг судалснаар атомын цөмийн онолын үндэс тавигдсан. Гэвч тууштай үндэслэлтэй байсан ч Рутерфордын загвар атомын бүх шинж чанарыг тайлбарлаж чадаагүй юм. Ийнхүү сонгодог физикийн хуулиар эерэг цэнэгтэй цөмөөс атом болон дугуй тойрог замд эргэлдэж буй электронууд цахилгаан соронзон долгион ялгаруулах ёстой. "Цахилгаан соронзон долгионы ялгаралт нь цөм-электрон систем дэх боломжит энергийн нөөцийг бууруулж, электрон тойрог замын радиусыг аажмаар бууруулж, электрон цөм рүү унахад хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч атомууд ихэвчлэн цахилгаан соронзон долгион ялгаруулдаггүй, электронууд атомын цөмд унадаггүй, өөрөөр хэлбэл атомууд тогтвортой байдаг." Сонгодог физикийн хүрээнд атомын загварыг бүтээх оролдлого амжилтад хүргэсэнгүй: Томсоны загварыг Рутерфордын туршилтаар няцаасан бол цөмийн загвар нь электродинамик тогтворгүй, туршилтын өгөгдөлтэй зөрчилдсөн. Үүссэн бэрхшээлийг даван туулахын тулд атомын чанарын шинэ онолыг бий болгох шаардлагатай байв.

Атомын чанарын шинэ онолыг бий болгох анхны оролдлогыг 1913 онд хийжээ. Данийн физикч Нильс Бор. Тэрээр шугаман спектрийн эмпирик хуулиуд, атомын Рутерфордын цөмийн загвар, гэрлийн ялгарал, шингээлтийн квант шинж чанарыг бүхэлд нь холбох зорилго тавьсан. Бор онолоо Рутерфордын цөмийн загварт үндэслэсэн. Тэрээр электронууд цөмийг тойрон тойрон эргэлддэг гэж санал болгосон. Тойрог хөдөлгөөн тогтмол хурдтай байсан ч хурдатгалтай байдаг. Энэхүү хурдасгасан цэнэгийн хөдөлгөөн нь орон зайд хувьсах цахилгаан соронзон орон үүсгэдэг хувьсах гүйдэлтэй тэнцүү юм. Энэ талбайг бий болгохын тулд эрчим хүч зарцуулдаг. Талбайн энерги нь электроны цөмтэй Кулоны харилцан үйлчлэлийн энергийн улмаас үүсч болно. Үүний үр дүнд электрон спираль хэлбэрээр хөдөлж, цөм дээр унах ёстой. Гэсэн хэдий ч туршлагаас харахад атом нь маш тогтвортой тогтоц юм. Үүнээс үзэхэд Максвеллийн тэгшитгэл дээр үндэслэсэн сонгодог электродинамикийн үр дүн нь атомын доторх процессуудад хамаарахгүй. Шинэ хэв маягийг олох шаардлагатай байна. Бор онолоо хоёр постулат дээр үндэслэсэн.

Борын анхны постулат (хөдөлгөөнгүй төлөв байдлын постулат): "Атомд энерги ялгаруулдаггүй хөдөлгөөнгүй (цаг хугацааны хувьд өөрчлөгддөггүй) төлөвүүд байдаг. Атомын хөдөлгөөнгүй төлөв нь электронууд хөдөлдөг хөдөлгөөнгүй тойрог замд тохирно. Хөдөлгөөнгүй тойрог замд электронуудын хөдөлгөөн нь цахилгаан соронзон долгионы ялгаралт дагалддаггүй. Атомын хөдөлгөөнгүй төлөвт дугуй тойрог замд хөдөлж буй электрон нь тухайн нөхцлийг хангасан өнцгийн импульсийн салангид квант утгатай байх ёстой.

Борын хоёр дахь постулат (давтамжийн дүрэм): "Электрон нэг хөдөлгөөнгүй тойрог замаас нөгөөд шилжихэд нэг фотон ялгардаг (шингээдэг) энерги нь харгалзах хөдөлгөөнгүй төлөвүүдийн энергийн зөрүүтэй тэнцүү En – Em байна (En ба Em нь). цацраг туяа, шингээлтийн өмнөх ба дараах атомын хөдөлгөөнгүй төлөвүүдийн энерги тус тус). En > Em үед фотоны ялгаралт (атом их энергитэй төлөвөөс бага энергитэй төлөв рүү шилжих, өөрөөр хэлбэл электрон цөмөөс хол байгаа тойрог замаас ойрын тойрог руу шилжих) En үед тохиолддог.< Em - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т.е. переход атома на более отдалённую от ядра орбиту)».

Борын онол туршилтаар ажиглагдсан устөрөгчийн шугамын спектрийг гайхалтай тайлбарлав. Гэвч устөрөгчийн атомын онолын амжилт нь 200 гаруй жилийн турш ямар ч болзолгүй хүчинтэй хэвээр байгаа сонгодог механикийн үндсэн зарчмуудыг орхисны үр дүнд хүрсэн юм. Тиймээс Борын постулатуудын үнэн зөвийг шууд туршилтаар нотлох, ялангуяа хөдөлгөөнгүй төлөв байдлын талаархи анхны нотолгоо маш чухал байв. Хоёрдахь постулатыг энерги хадгалах хууль ба фотон оршин тогтнох тухай таамаглалын үр дагавар гэж үзэж болно.

Германы физикч Д.Франк, Г.Герц нар электронуудын хийн атомуудтай мөргөлдөхийг удаашруулах потенциалын аргаар (1913) судалж байхдаа хөдөлгөөнгүй төлөв байдал, атомын энергийн утгын салангид байдлыг туршилтаар баталжээ.

Устөрөгчийн атомтай холбоотой Борын үзэл баримтлал нь эргэлзээгүй амжилтанд хүрч, спектрийн тоон онолыг бий болгох боломжтой байсан ч Борын онол дээр үндэслэн устөрөгчийн дэргэд гелий атомын ижил төстэй онолыг бий болгох боломжгүй байв. санаанууд. Гелийн атом ба илүү нарийн төвөгтэй атомуудын тухайд Борын онол нь зөвхөн чанарын (маш чухал ч гэсэн) дүгнэлт гаргах боломжийг бидэнд олгосон. Бор атомд электрон хөдөлдөг тодорхой тойрог замуудын тухай санаа нь маш нөхцөлтэй байсан. Үнэн хэрэгтээ атом дахь электронуудын хөдөлгөөн нь тойрог замд байгаа гаригуудын хөдөлгөөнтэй бараг ижил төстэй байдаггүй.

Одоогийн байдлаар квант механикийн тусламжтайгаар аливаа элементийн атомын бүтэц, шинж чанарын талаархи олон асуултанд хариулах боломжтой.

Атомын бүтцийн талаархи орчин үеийн санаанууд

Бөөм төдийгүй долгионы шинж чанартай электрон хоёрдмол шинж чанар нь 1927 онд туршилтаар батлагдсан нь эрдэмтэд эдгээр шинж чанаруудыг хоёуланг нь харгалзан үзсэн атомын бүтцийн шинэ онолыг бий болгоход хүргэсэн. Атомын бүтцийн орчин үеийн онол нь квант механик дээр суурилдаг.
Электроны шинж чанарын хоёрдмол байдал нь нэг талаас бөөмийн шинж чанартай (тодорхой тайван масстай), нөгөө талаас түүний хөдөлгөөн нь долгионтой төстэй бөгөөд үүнийг дараах байдлаар тодорхойлж болно. тодорхой далайц, долгионы урт, хэлбэлзлийн давтамж гэх мэт. Тиймээс электрон хөдөлгөөний тодорхой траекторийн талаар хэлж болохгүй - зөвхөн түүний орон зайн өгөгдсөн цэгт байх магадлалын нэг буюу өөр түвшинг шүүж болно.
Тиймээс электрон тойрог замыг электроны хөдөлгөөний тодорхой шугам биш, харин электрон байх магадлал хамгийн их байдаг цөмийн эргэн тойрон дахь орон зайн тодорхой хэсэг гэж ойлгох хэрэгтэй. Өөрөөр хэлбэл, электрон тойрог зам нь электроны нэг цэгээс цэг рүү шилжих хөдөлгөөний дарааллыг тодорхойлдоггүй, харин цөмөөс тодорхой зайд электроныг олох магадлалаар тодорхойлогддог. Үүнтэй холбогдуулан электроныг материаллаг цэг болгон төлөөлдөггүй, харин цахилгаан цэнэгийн конденсац, ховордсон хэсгүүдтэй электрон үүл гэж нэрлэгддэг электрон үүл хэлбэрээр атомын бүх эзэлхүүнийг "түрхсэн" юм. Электроныг цахилгаан цэнэгийн үүл гэж үзэх нь тохиромжтой; Энэ нь электроны зан төлөвийг маш нарийн дамжуулдаг. Гэсэн хэдий ч электрон үүл нь тодорхой хил хязгааргүй бөгөөд цөмөөс маш хол зайд ч электрон үлдэх боломжтой гэдгийг санах нь зүйтэй. Электрон үүлний хэлбэрийг тодорхойлохын тулд сонгодог физикт электроны хөдөлгөөнийг биеийн хөдөлгөөнтэй андуурахгүйн тулд тойрог замын тухай ойлголтын оронд тойрог замын тухай ойлголтыг нарийн нэвтрүүлсэн. Гэсэн хэдий ч атомын бүтцийг хялбаршуулсан байдлаар авч үзэхэд тойрог зам гэсэн нэр томъёо заримдаа хэвээр үлддэг боловч атом дахь электрон хөдөлгөөний онцгой шинж чанарыг санаж байна.

Атомын бүтцийн талаархи орчин үеийн санаанууд нь атомын бүтцийн квант загварт хамаарах бөгөөд энэ нь элементийн бөөмсийн долгионы шинж чанарыг харгалзан үздэг. Үүний үндсэн заалтуудыг танилцуулъя.

Электрон нь давхар (бөөмийн долгион) шинж чанартай, i.e. бөөмс болон долгион шиг ажилладаг. Бөөмийн хувьд электрон нь масс ба цэнэгтэй; долгион шиг дифракцлах чадвартай.

Электрон өөрийн байрлал, хурдыг нэгэн зэрэг нарийн хэмжих боломжгүй юм.

Атом дахь электрон тодорхой траекторийн дагуу хөдөлдөггүй, харин перинуклеар орон зайн аль ч хэсэгт байрлаж болох боловч энэ орон зайн өөр өөр хэсэгт байх магадлал нь ижил биш юм. Электрон байрлах хамгийн их магадлалтай орон зайн бүсийг тойрог зам гэж нэрлэдэг.

Атомын цөмүүд нь протон ба нейтроноос бүрддэг бөгөөд тэдгээр нь нийтлэг нэртэй байдаг - нуклонууд.

Дүгнэлт

Атомын бүтцийн орчин үеийн онолын үндэс нь нэмэлт, сайжруулсан гаригийн загвар юм. Энэ онолоор атомын цөм нь протон (эерэг цэнэгтэй бөөмс) ба нейрон (цэнэггүй бөөмс) зэргээс бүрддэг. Цөмийн эргэн тойронд электронууд (сөрөг цэнэгтэй бөөмс) тодорхойгүй зам дагуу хөдөлдөг.

Энэхүү судалгаа нь Эрнест Рутерфорд, Нилс Бор нарын загваруудыг жишээ болгон ашиглан атомын бүтцийн талаархи санаа бодлыг өөрчлөх үйл явцыг тусгасан болно. Резерфорд, Бор нарын илэрхийлсэн атомын бүтцийн талаархи санааг бүрэн судалж, шинжилж, нэгтгэн дүгнэсэн. Орчин үеийн физикийн үүднээс атомын бүтцийн талаарх хамгийн зөв таамаглалыг Данийн эрдэмтэн Нильс Бор хийсэн.

Тиймээс Рутерфорд, Бор нарын нээлтүүд нь орчин үеийн физик болон бүх хүн төрөлхтний хувьд чухал ач холбогдолтой юм. Шинжлэх ухааны түүхэнд хүн төрөлхтөн материйн гүн рүү орох шатны дараагийн шатыг эзэмших бүртээ шинэ, бүр илүү хүчирхэг энергийг нээхэд хүргэдэг гэж заадаг.

Шатах ба дэлбэрэлт нь молекулуудын дахин зохион байгуулалттай холбоотой байдаг. Атомын доторх үйл явц нь хэдэн сая дахин их энерги ялгаруулж дагалддаг. Бүр илүү их энерги ялгарах нь энгийн бөөмсийн түвшинд тохиолддог. Дараагийн алхамуудад юу тохиолдох вэ? Рутерфорд, Бор нарын нээлтүүд атом бол хуваагдашгүй бөөмс биш гэдгийг нотолсон бөгөөд орчин үеийн физикт энэ асуултад хариулах боломжтой болсон.

Ном зүй

1. Алексеев I. S. Атомын бүтцийн талаархи санаа бодлыг хөгжүүлэх. - М.: Наука, 2000.

2. Бочкарев А.И. Бочкарева Т.С., Саксонов С.В. Орчин үеийн байгалийн шинжлэх ухааны үзэл баримтлал. - М.: Наука, 2008.

3. Горбачев В.В. Орчин үеийн байгалийн шинжлэх ухааны үзэл баримтлал, - М.: Альфа-М, 2003.

4. Коренев Ю.Ерөнхий ба органик бус хими, 3 хэсэг. М .: Москвагийн их сургуулийн хэвлэлийн газар, 2002 он.

5. Кудрявцев L. S. Физикийн түүхийн курс. - М.: Наука, 2006.

6. Карпенков С.Х. Орчин үеийн байгалийн шинжлэх ухааны үзэл баримтлал. Их дээд сургуулиудад зориулсан сурах бичиг. – М.: Эрдмийн төсөл, 2000 он.

7. Трофимова T. I. Физикийн хичээл: сурах бичиг. - М.: Дээд сургууль, 2007 он.

Өгүүллийн агуулга

АТОМЫН БҮТЭЦ,атомын дотоод бүтцийг судалдаг физикийн салбар. Анх хуваагдашгүй гэж үздэг атомууд нь нарийн төвөгтэй системүүд юм. Тэд протон ба нейтроны асар том цөмтэй бөгөөд тэдгээрийн эргэн тойронд электронууд хоосон орон зайд хөдөлдөг. Атомууд нь маш жижиг бөгөөд тэдгээрийн хэмжээ нь 10-10-10-9 м, цөмийн хэмжээ нь 100,000 дахин бага (10-15-10-14 м) хэвээр байна. Тиймээс атомыг зөвхөн шууд бус байдлаар, маш өндөр өсгөлттэй зураг дээр (жишээлбэл, хээрийн цацрагийн проектор ашиглан) "харж" болно. Гэхдээ энэ тохиолдолд ч атомуудыг нарийвчлан харж чадахгүй. Тэдний дотоод бүтцийн талаарх бидний мэдлэг асар их хэмжээний туршилтын өгөгдөл дээр суурилдаг бөгөөд энэ нь дээр дурдсан зүйлийг шууд бус боловч үнэмшилтэй баталж байна.

20-р зуунд атомын бүтцийн талаархи санаанууд эрс өөрчлөгдсөн. онолын шинэ санаа, туршилтын өгөгдөлд нөлөөлсөн. Атомын цөмийн дотоод бүтцийг тодорхойлоход эрчимтэй судалгааны сэдэв болох шийдэгдээгүй асуултууд байсаар байна. Дараах хэсгүүд нь бүхэлдээ атомын бүтцийн талаархи санаа бодлын хөгжлийн түүхийг тоймлон харуулав; Эдгээр санаанууд нь бие даасан байдлаар хөгжсөн тул цөмийн бүтцэд (АТОМЫН ЦӨМИЙН БҮТЭЦ) тусдаа нийтлэл зориулагдсан болно. Атомын гаднах бүрхүүлийг судлахад шаардагдах энерги нь дулааны болон химийн энергийн дарааллаар харьцангуй бага байдаг. Ийм учраас цөмийг нээхээс өмнө электронуудыг туршилтаар нээсэн.

Цөм нь жижиг хэмжээтэй хэдий ч маш хүчтэй холбогддог тул атомуудын хооронд үйлчилдэг хүчнээс хэдэн сая дахин илүү хүчтэй хүчний тусламжтайгаар л устгаж, судалж болно. Цөмийн дотоод бүтцийг ойлгох хурдацтай ахиц дэвшил зөвхөн бөөмийн хурдасгуур бий болсноор эхэлсэн. Атомын бүтцийг бүхэлд нь цөмийн бүтцээс тусад нь авч үзэх боломжийг бидэнд олгодог хэмжээ ба холболтын энергийн асар том ялгаа юм.

Атомын хэмжээ болон түүний эзэлдэг хоосон орон зайны талаархи ойлголттой болохын тулд 1 мм диаметртэй усны дусал бүрдүүлдэг атомуудыг авч үзье. Хэрэв та энэ дуслыг дэлхийн хэмжээгээр томруулж чадвал усны молекулд агуулагдах устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн атомууд нь 1-2 м диаметртэй байх болно үүнээс ердөө 0.01 мм байв.

АТОМ БҮХЭЛДЭЭ

Атомын тухай хамгийн ерөнхий санаанууд үүссэн түүх нь ихэвчлэн Грекийн гүн ухаантан Демокритын (МЭӨ 460 - МЭӨ 370 он) үеэс эхэлдэг бөгөөд тэрээр аливаа бодисыг хувааж болох хамгийн жижиг хэсгүүдийн талаар маш их бодож байсан. . Ийм өчүүхэн хуваагдашгүй бөөмс байдаг гэсэн үзэл баримтлалтай Грекийн гүн ухаантны бүлэг хүмүүсийг атомистууд гэж нэрлэдэг. Грекийн гүн ухаантан Эпикур (МЭӨ 342-270 орчим) атомын онолыг хүлээн зөвшөөрч, МЭӨ I зуунд. түүний дагалдагчдын нэг болох Ромын яруу найрагч, гүн ухаантан Лукреций Карус Эпикурийн сургаалыг "Юмсын мөн чанарын тухай" шүлэгт дүрсэлсэн бөгөөд үүний ачаар дараа үеийнхэнд хадгалагдан үлджээ. Эртний хамгийн агуу эрдэмтдийн нэг Аристотель (МЭӨ 384-322) атомын онолыг хүлээн зөвшөөрөөгүй бөгөөд дундад зууны үеийн сэтгэлгээнд гүн ухаан, шинжлэх ухааны талаархи түүний үзэл бодол давамгайлж байв. Атомын онол нь Сэргэн мандалтын үеийн төгсгөл хүртэл, цэвэр таамаглалын философийн үндэслэл туршилтаар солигдох хүртэл байгаагүй юм шиг санагддаг.

Сэргэн мандалтын үед одоо хими, физик гэж нэрлэгддэг салбаруудад системтэй судалгаа хийж эхэлсэн нь "хуваашгүй бөөмс"-ийн мөн чанарын тухай шинэ ойлголтуудыг авчирсан. Р.Бойл (1627-1691), И.Ньютон (1643-1727) нар материйн хуваагдашгүй бөөмс байдаг гэсэн санаан дээр үндэслэсэн. Гэсэн хэдий ч Бойл, Ньютон хоёрын аль алинд нь тэдний сонирхсон үзэгдлийг тайлбарлах атомын нарийвчилсан онол шаардлагагүй байсан бөгөөд туршилтын үр дүн нь "атом" -ын шинж чанарын талаар шинэ зүйлийг илчилсэнгүй.

Далтоны хуулиуд.

Химийн элемент бүр хамгийн жижиг хэсгүүдээс тогтдог гэсэн таамаглал нь оновчтой, энгийн болохыг баттай нотолсон атомын онолын анхны жинхэнэ шинжлэх ухааны үндэслэл нь англи сургуулийн математикийн багш Ж.Дальтон (1766-1844)-ийн бүтээл байв. Энэ асуудалд зориулагдсан 1803 онд гарч ирэв.

Далтон хийн шинж чанарыг судалсан, ялангуяа химийн нэгдэл үүсгэх урвалд орсон хийн эзлэхүүний харьцаа, жишээлбэл, устөрөгч ба хүчилтөрөгчөөс ус үүсэх үед. Тэрээр урвалд орсон устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн харьцаа нь үргэлж жижиг бүхэл тоонуудын харьцаа байдгийг тогтоосон. Ийнхүү ус (H 2 O) үүсэхэд 2.016 г устөрөгчийн хий 16 г хүчилтөрөгчтэй, устөрөгчийн хэт исэл (H 2 O 2) үүсэхэд 32 г хүчилтөрөгчийн хий 2.016 г устөрөгчтэй урвалд ордог. Эдгээр хоёр нэгдлүүдийг үүсгэхийн тулд ижил масстай устөрөгчтэй урвалд орох хүчилтөрөгчийн масс нь бие биенээсээ бага тоогоор хамааралтай:

Ийм үр дүнд үндэслэн Далтон "олон тооны харьцааны хууль"-аа томъёолжээ. Энэ хуулийн дагуу хоёр элемент өөр өөр харьцаатай нийлж өөр өөр нэгдлүүдийг үүсгэдэг бол хоёр дахь элементийн ижил хэмжээтэй нийлсэн аль нэг элементийн масс нь жижиг бүхэл тоогоор хамааралтай болно. Далтоны хоёр дахь хууль болох "тогтмол харьцааны хууль"-ийн дагуу аливаа химийн нэгдэлд түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн массын харьцаа үргэлж ижил байдаг. Зөвхөн хий төдийгүй шингэн болон хатуу нэгдлүүдтэй холбоотой асар их хэмжээний туршилтын өгөгдлийг Ж.Берцелиус (1779–1848) цуглуулсан бөгөөд тэрээр олон нэгдлүүдийн урвалд орж буй элементүүдийн массын нарийвчлалыг хэмжсэн байна. Түүний өгөгдөл нь Далтоны боловсруулсан хуулиудыг баталж, элемент бүр хамгийн бага массын нэгжтэй болохыг баттай харуулсан.

Далтоны атомын постулатууд нь түүний хуулиуд нь бодит туршилтуудын үр дүнг тайлбарлах, холбох, түүнчлэн шинэ туршилтуудын үр дүнг урьдчилан таамаглах боломжтой болсон гэсэн эртний Грекийн атомчдын хийсвэр үндэслэлээс давуу талтай байв. Тэрээр 1) ижил элементийн бүх атомууд бүх талаараа ижил, ялангуяа масс нь ижил байна гэж тэр дэвшүүлсэн; 2) өөр өөр элементийн атомууд нь өөр өөр шинж чанартай байдаг, ялангуяа тэдгээрийн масс нь өөр өөр байдаг; 3) нэгдэл нь элементээс ялгаатай нь түүний бүрдүүлэгч элемент бүрийн тодорхой бүхэл тооны атом агуулдаг; 4) химийн урвалын үед атомуудын дахин хуваарилалт тохиолдож болох боловч нэг ч атом устаж, дахин үүсдэггүй. (Үнэндээ 20-р зууны эхэн үед тодорхой болсон тул эдгээр постулатууд нь хатуу биелээгүй, учир нь нэг элементийн атомууд өөр өөр масстай байж болно, жишээлбэл, устөрөгч нь изотоп гэж нэрлэгддэг ийм гурван сорттой байдаг; үүнээс гадна атомууд цацраг идэвхт хувиралтанд орж, бүр бүрэн нурж болно, гэхдээ Далтоны авч үзсэн химийн урвалуудад биш.) Эдгээр дөрвөн постулат дээр үндэслэн Далтоны атомын онол нь тогтмол ба олон тооны харьцааны хуулиудын хамгийн энгийн тайлбарыг өгсөн.

Хэдийгээр Далтоны хуулиуд нь бүх химийн үндэс суурь болдог ч атомын бодит хэмжээ, массыг тодорхойлдоггүй. Тэд элемент эсвэл нэгдлийн тодорхой массад агуулагдах атомын тооны талаар юу ч хэлдэггүй. Энгийн бодисын молекулууд нь дангаар нь жинлэхэд хэтэрхий жижиг тул атом, молекулын массыг тодорхойлохдоо шууд бус аргыг ашиглах шаардлагатай.

Авогадрогийн дугаар.

1811 онд А.Авогадро (1776–1856) элементүүдээс нэгдлүүд хэрхэн үүсдэг, атом, молекулуудын хоорондын ялгааг тогтоосон таамаглал дэвшүүлсэн. Түүний санаа бол ижил температур, даралттай ижил хэмжээний хий нь ижил тооны молекул агуулдаг. Зарчмын хувьд, үүний сэжүүрийг Ж.Гэй-Люссак (1778-1850)-ийн өмнөх бүтээлээс олж болно, тэр нь химийн урвалд орох хийн элементийн эзлэхүүний харьцаа өөр боловч бүхэл тоогоор илэрхийлэгддэг болохыг тогтоосон. Далтоны олж авсан массын харьцаанаас. Жишээлбэл, 2 литр устөрөгчийн хий (H 2 молекул) нь 1 литр хүчилтөрөгчийн хий (O 2 молекул) -тай нийлж, 1 литр усны уур (H 2 O молекул) үүсгэдэг.

Тухайн хийн эзэлхүүн дэх молекулуудын жинхэнэ тоо маш их бөгөөд 1865 он хүртэл үүнийг зөвшөөрөгдөх нарийвчлалтайгаар тодорхойлох боломжгүй байв. Гэсэн хэдий ч аль хэдийн Авогадрогийн үед хийн кинетик онол дээр үндэслэн ойролцоогоор тооцооллыг хийсэн. Бодисын хэмжээг хэмжихэд маш тохиромжтой нэгж бол мэнгэ, өөрөөр хэлбэл. нүүрстөрөгчийн хамгийн түгээмэл изотопын 0.012 кг-д атомын тоотой адил олон молекул байгаа бодисын хэмжээ 12 C. Хэвийн нөхцөлд (n.s.) нэг моль идеал хийн, өөрөөр хэлбэл. стандарт температур ба даралт нь 22.4 литр эзэлхүүнтэй. Авогадрогийн тоо гэдэг нь орчны нөхцөлд нэг моль бодис буюу 22.4 литр хий дэх молекулуудын нийт тоо юм. Рентген зураг гэх мэт бусад аргууд нь Авогадрогийн тоог өгдөг Н 0 кинетик онолын үндсэн дээр олж авсан утгуудаас илүү нарийвчлалтай. Одоогоор хүлээн зөвшөөрөгдсөн утга нь нэг моль дахь 6.0221367×10 23 атом (молекул) юм. Иймээс 1 литр агаарт ойролцоогоор 3×10 22 молекул хүчилтөрөгч, азот болон бусад хий агуулагддаг.

Атомын физикийн хувьд Авогадрогийн тооны чухал үүрэг нь атом эсвэл молекулын масс ба ойролцоо хэмжээсийг тодорхойлох боломжийг олгодогтой холбоотой юм. 22,4 литр Н2 хийн масс 2,016×10 –3 кг тул нэг устөрөгчийн атомын масс 1,67×10 –27 кг байна. Хэрэв бид хатуу биед атомууд хоорондоо ойрхон байрладаг гэж үзвэл Авогадрогийн тоо нь радиусыг ойролцоогоор тооцоолох боломжийг олгоно. rхөнгөн цагааны атом гэж хэлье. Хөнгөн цагааны хувьд 1 моль нь 0.027 кг, нягт нь 2.7H103 кг / м3 байна. Энэ тохиолдолд бидэнд байна

хаана r» 1.6 × 10 -10 м Тиймээс Авогадрогийн тооны анхны тооцоолол нь атомын хэмжээний тухай ойлголтыг өгсөн.

Электроны нээлт.

Химийн нэгдлүүд үүсэхтэй холбоотой туршилтын өгөгдөл нь "атомын" тоосонцор байгааг баталж, бие даасан атомуудын жижиг хэмжээ, массыг шүүх боломжтой болгосон. Гэсэн хэдий ч атомын бодит бүтэц, тэр дундаа атомыг бүрдүүлдэг үүнээс ч жижиг хэсгүүд байдаг нь 1897 онд Ж.Ж.Томсон электроныг нээх хүртэл тодорхойгүй хэвээр байв.Тэр болтол атомыг хуваагдашгүй, янз бүрийн элементүүдийн химийн шинж чанарын ялгаа гэж үздэг байв. ямар ч тайлбар байгаагүй. Томсоныг нээхээс өмнө ч гэсэн бусад судлаачид бага даралттай хийгээр дүүргэсэн шилэн хоолойд цахилгаан гүйдлийг судалсан хэд хэдэн сонирхолтой туршилтуудыг хийж байжээ. Анх хийж эхэлсэн Германы шил үлээгч Г.Гейслер (1815–1879)-ийн нэрээр Гейсслерийн хоолой гэж нэрлэгддэг ийм хоолойнуудыг индукцийн ороомгийн өндөр хүчдэлийн ороомогтой холбоход хурц гэрэл цацарч байв. Эдгээр цахилгаан цэнэг алдагдлыг В.Крукс (1832–1919) сонирхож эхэлсэн бөгөөд тэрээр гуурсан дахь ялгадасын шинж чанар нь даралтаас хамаарч өөрчлөгдөж, өндөр вакуумд ялгадас бүрэн арилдаг болохыг тогтоожээ. Дараа нь Ж.Перриний (1870–1942) хийсэн судалгаагаар гэрэлтэлтийг үүсгэгч “катодын туяа” нь шулуун шугамаар хөдөлдөг сөрөг цэнэгтэй хэсгүүд боловч соронзон орны нөлөөгөөр хазайж чаддаг болохыг харуулсан. Гэсэн хэдий ч бөөмсийн цэнэг ба масс нь тодорхойгүй хэвээр байсан бөгөөд бүх сөрөг бөөмүүд адилхан эсэх нь тодорхойгүй байв.

Катодын цацраг үүсгэдэг бүх бөөмс нь бие биетэйгээ адилхан бөгөөд материйн нэг хэсэг гэдгийг нотолсон нь Томсоны агуу гавьяа байв. Зурагт үзүүлсэн тусгай төрлийн гадагшлуулах хоолойг ашиглан. 1, Томсон катодын цацрагийн бөөмсийн хурд ба цэнэгийн массын харьцааг хэмжсэн бөгөөд хожим нь электрон гэж нэрлэгддэг. Хоолойн өндөр хүчдэлийн цэнэгийн нөлөөн дор электронууд катодоос гарч ирэв. Апертуруудаар дамжуулан ДТэгээд ЭЗөвхөн хоолойн тэнхлэгийн дагуу нисч байсан хүмүүс л дамжин өнгөрдөг.

Ердийн горимд эдгээр электронууд гэрэлтдэг дэлгэцийн төв хэсэгт хүрдэг. (Томсоны хоолой нь дэлгэцтэй анхны "катодын цацрагийн хоолой" байсан бөгөөд энэ нь телевизийн зургийн хоолойн урьдал зүйл юм.) Уг хоолойд мөн энерги өгөх үед электронуудыг хазайлгах чадвартай хос цахилгаан конденсатор хавтан байсан. Цахилгаан хүч Ф Э, цэнэгийн дагуу ажиллаж байна дцахилгаан талбайгаас Э, илэрхийллээр өгөгдсөн

F E = eE.

Нэмж дурдахад электронуудыг эсрэг чиглэлд шилжүүлэх чадвартай хос гүйдэл дамжуулах ороомог ашиглан хоолойн ижил хэсэгт соронзон орон үүсгэж болно. Хүч Ф Х, соронзон орны нөлөөгөөр ажилладаг Х, талбайн хүч, бөөмийн хурдтай пропорциональ vболон түүний төлбөр д:

F H = Hev.

Томсон цахилгаан ба соронзон орныг тохируулсан бөгөөд ингэснээр электронуудын нийт хазайлт тэг болно, i.e. электрон цацраг анхны байрлалдаа буцаж ирэв. Учир нь энэ тохиолдолд хоёр хүч Ф ЭТэгээд Ф Хтэнцүү бол электронуудын хурдыг өгөгдөнө

v = E/H.

Томсон энэ хурд нь хоолой дээрх хүчдэлээс хамаардаг болохыг олж мэдсэн Вмөн электронуудын кинетик энерги mv 2/2 нь энэ хүчдэлтэй шууд пропорциональ, өөрөөр хэлбэл. mv 2 /2 = eV. (Иймээс 1 В-ын потенциалын зөрүүгээр хурдасгахад электронтой тэнцэх цэнэгтэй бөөмийн олж авах энергийн "электрон-вольт" гэсэн нэр томъёо гарч ирэв.) Энэ тэгшитгэлийг электроны хурдны илэрхийлэлтэй нэгтгэж, тэрээр цэнэгийн массын харьцааг олов:

Эдгээр туршилтууд нь харилцаа холбоог тодорхойлох боломжийг олгосон д/мэлектроны хувьд ойролцоогоор цэнэгийн утгыг өгсөн д. Яг үнэ цэнэ дР.Милликен хэмжсэн бөгөөд тэрээр туршилтаараа конденсаторын ялтсуудын хооронд агаарт дүүжлэгдсэн тосны дуслууд байгааг баталжээ. Одоогийн байдлаар электроны шинж чанаруудыг маш нарийвчлалтай мэддэг.

Томсоны туршилтууд нь цахилгаан цэнэг дэх электронууд ямар ч бодисоос үүсч болохыг харуулсан. Бүх электронууд ижил байдаг тул элементүүд нь зөвхөн электронуудын тоогоор ялгаатай байх ёстой. Нэмж дурдахад электрон массын бага утга нь атомын масс тэдгээрт төвлөрөөгүйг харуулж байна.

Томсоны масс спектрограф.

Удалгүй эерэг цэнэгтэй атомын үлдсэн хэсгийг ижил, гэхдээ өөрчилсөн цэнэгийн хоолойг ашиглан ажиглаж, электроныг нээх боломжтой болсон. Гаргах хоолойтой хийсэн анхны туршилтууд нь хоолойн голд нүхтэй катод байрлуулсан бол эерэг цэнэгтэй хэсгүүд катодын "суваг" -аар дамжиж, хоолойны эсрэг талд байрлах флюресцент дэлгэц үүсгэдэг болохыг харуулсан. анодоос гэрэлтэх хүртэл. Эдгээр эерэг "сувгийн цацрагууд" нь соронзон орны нөлөөгөөр хазайсан боловч электронуудын эсрэг чиглэлд байв.

Томсон эдгээр шинэ цацрагуудын масс ба цэнэгийг хэмжихээр шийдсэн бөгөөд мөн бөөмсийг хазайлгахын тулд цахилгаан болон соронзон орны тусламжтайгаар. Түүний эерэг цацрагийг судлах хэрэгсэл болох "масс спектрограф"-ыг Зураг дээр схемийн дагуу үзүүлэв. 2. Зурагт үзүүлсэн төхөөрөмжөөс ялгаатай. 1, цахилгаан ба соронзон орон нь бөөмсийг өөр хоорондоо зөв өнцгөөр хазайдаг тул "тэг" хазайлтыг олж авах боломжгүй. Анод ба катодын хоорондох замд эерэг цэнэгтэй атомууд нэг буюу хэд хэдэн электроноо алдаж, энэ шалтгааны улмаас янз бүрийн энерги хүртэл хурдасч болно. Ижил төрлийн атомууд ижил цэнэг, масстай боловч эцсийн хурдаараа тодорхой хэмжээгээр тархсан атомууд гэрэлтэгч дэлгэц эсвэл гэрэл зургийн хавтан дээр муруй шугам (параболын сегмент) зурах болно. Өөр өөр масстай атомууд байгаа тохиолдолд хүнд атомууд (ижил цэнэгтэй) төв тэнхлэгээс хөнгөн атомуудаас бага хазайдаг. Зураг дээр. Томсоны масс спектрограф дээр авсан параболын зургийг 3-р зурагт үзүүлэв. Хамгийн нарийхан парабол нь нэг электроныг устгасан хамгийн хүнд дан ионжуулсан атом (мөнгөн усны атом) -тай тохирч байна. Хамгийн өргөн хоёр парабол нь устөрөгчтэй тохирч, нэг нь атомын H +, нөгөө нь молекул H 2 +, хоёулаа дангаараа ионждог. Зарим тохиолдолд хоёр, гурав, бүр дөрвөн цэнэг алдагддаг ч атомын устөрөгч нэгээс олон удаа ионжсон нь ажиглагдаагүй. Энэ нөхцөл байдал нь устөрөгчийн атом нь зөвхөн нэг электронтой байдгийн анхны шинж тэмдэг байв. Энэ нь атомуудын хамгийн энгийн нь юм.

Атомын цогц бүтцийн бусад нотолгоо.

Томсон болон бусад судлаачид катодын туяагаар туршилт хийж байх үед рентген туяа болон цацраг идэвхт бодисыг нээсэн нь атомын нарийн бүтэцтэй болохыг нотлох нэмэлт нотолгоог авчирсан. 1895 онд В.Рентген (1845–1923) учир битүүлэг цацрагийг санамсаргүйгээр илрүүлжээ (“ X-цацраг"), цахилгаан гүйдлийн ногоон гэрэлтэгч хэсгийг шалгаж байхдаа Круксийн хоолойг ороосон хар цаасаар нэвтрэн оржээ. X-цацраг нь талст барийн платиноцианидаар бүрсэн алсын дэлгэцийг гэрэлтүүлэхэд хүргэсэн. Рентген дэлгэц ба хоолойн хооронд янз бүрийн зузаантай янз бүрийн бодис оруулснаар гэрэлтэлтийг сулруулж байсан ч бүрэн унтрааж чадаагүй байна. Энэ нь маш өндөр нэвтлэх чадварыг харуулж байна X- цацраг. Рентген туяа нь эдгээр туяа нь шулуун шугамаар тархдаг бөгөөд цахилгаан болон соронзон орны нөлөөгөөр хазайдаггүй болохыг тогтоожээ. Төрөл бүрийн материалыг электроноор бөмбөгдсөнөөс ийм үл үзэгдэх, нэвт шингэдэг цацраг гарч ирсэн нь цоо шинэ зүйл байв. Гейслер хоолойноос харагдах гэрэл нь тодорхой долгионы урттай бие даасан "спектрийн шугам" -аас бүрддэг тул салангид давтамжтай атомуудын "чичиргээ" -тэй холбоотой болохыг мэддэг байсан. Шинэ цацрагийг оптик спектрээс ялгах нэг чухал шинж чанар нь өндөр нэвтлэх чадвараас гадна электроны тоо дараалан нэмэгдэж буй элементүүдийн оптик спектрүүд нь бие биенээсээ тэс өөр, харин спектр нь X-цацраг нь элементээс элемент рүү маш бага өөрчлөгдсөн.

Атомын бүтэцтэй холбоотой өөр нэг нээлт бол зарим элементийн атомууд аяндаа цацраг ялгаруулж чаддаг явдал байв. Энэ үзэгдлийг 1896 онд А.Беккерел (1852–1908) нээжээ. Беккерел гэрлийн нөлөөн дэх давсны гэрэлтэлт, түүний шилний гэрэлтэлттэй хамаарлыг рентген туяагаар судлах явцад ураны давс ашиглан цацраг идэвхт бодисыг нээсэн. Туршилтын нэгэнд ураны давсны дэргэд бүрэн харанхуйд байрлах гэрэл зургийн хавтанг хар цаасаар боож, харласан нь ажиглагдсан. Энэхүү санамсаргүй нээлт нь байгалийн цацраг идэвхт байдлын бусад жишээнүүдийг эрчимтэй эрэлхийлж, ялгарч буй цацрагийн шинж чанарыг тодорхойлох туршилтыг идэвхжүүлсэн. 1898 онд П.Кюри (1859–1906), М.Кюри (1867–1934) нар өөр хоёр цацраг идэвхт элемент болох полони, радийг нээжээ. Э.Резерфорд (1871–1937) ураны цацрагийн нэвтрэлтийн чадварыг судалсны үндсэн дээр хоёр төрлийн цацраг байдгийг харуулсан: бодист амархан шингэдэг маш "зөөлөн" цацраг, үүнийг Рутерфорд альфа туяа гэж нэрлэсэн ба илүү нэвтрэх чадвартай. цацраг туяа, түүнийг бета туяа гэж нэрлэдэг. Бета туяа нь гадагшлуулах хоолойд үүсдэг энгийн электронууд буюу "катодын туяа"-тай адилхан болсон. Альфа туяа нь гелийн атомуудтай ижил цэнэг, масстай бөгөөд хоёр электроноо хасдаг. Гамма туяа гэж нэрлэгддэг гурав дахь төрлийн цацраг нь ижил төстэй болсон X-цацраг, гэхдээ бүр илүү их нэвтрэх чадвартай байсан.

Эдгээр бүх нээлтүүд атом бол "хуваашгүй" биш гэдгийг тодорхой харуулсан. Энэ нь зөвхөн жижиг хэсгүүдээс (электрон ба хүнд эерэг хэсгүүдээс) тогтдог төдийгүй эдгээр болон бусад дэд хэсгүүд нь хүнд элементүүдийн цацраг идэвхт задралын үед аяндаа ялгардаг бололтой. Нэмж дурдахад атомууд үзэгдэх бүсэд тусдаа давтамжтайгаар цацраг ялгаруулаад зогсохгүй маш их догдолж, "хатуу" цахилгаан соронзон цацрагийг ялгаруулж эхэлдэг. X- цацраг.

Томсоны атомын загвар.

Атомын бүтцийг туршилтаар судлахад асар их хувь нэмэр оруулсан Ж.Томсон түүний мэдэгдэж буй бүх шинж чанарыг тайлбарлах загварыг олохыг эрэлхийлсэн. Атомын массын зонхилох хэсэг нь эерэг цэнэгтэй хэсэгт төвлөрсөн байдаг тул атомыг ойролцоогоор 10-10 м радиустай эерэг цэнэгийн бөмбөрцөг хэлбэрийн тархалт бөгөөд түүний гадаргуу дээр уян харимхай электронууд байдаг гэж үзсэн. тэдгээрийн хэлбэлзлийг зөвшөөрөх хүч (Зураг 4). Электронуудын цэвэр сөрөг цэнэг нь эерэг цэнэгийг яг цуцалж, атомыг цахилгаанаар саармагжуулдаг. Электронууд бөмбөрцөг дээр байрладаг боловч тэнцвэрийн байрлалтай харьцуулахад энгийн гармоник хэлбэлзлийг гүйцэтгэж чаддаг. Ийм хэлбэлзэл нь хий ялгаруулах хоолойд ажиглагдсан нарийн спектрийн шугамтай тохирч байгаа тодорхой давтамжид л тохиолдож болно. Масс спектрографын туршилтын явцад электронууд байрлалаасаа маш амархан салж, эерэг цэнэгтэй "ионууд" гарч ирдэг. X-цацраг нь электронуудын үндсэн чичиргээний маш өндөр тонтой тохирч байна. Цацраг идэвхт хувирлын үед үүссэн альфа тоосонцор нь эерэг бөмбөрцгийн нэг хэсэг бөгөөд атомын зарим энергийн урагдсаны үр дүнд гарч ирдэг.

Гэсэн хэдий ч энэ загвар нь хэд хэдэн эсэргүүцлийг бий болгосон. Үүний нэг нь ялгаруулалтын шугамыг хэмжсэн спектроскопистуудын олж мэдсэнээр эдгээр шугамын давтамж нь цэнэгийн үечилсэн хэлбэлзлийн үед байх ёстой хамгийн бага давтамжийн энгийн үржвэр биш байсантай холбоотой байв. Харин давтамж нэмэгдэхийн хэрээр тэд хязгаарт ойртож байгаа мэт ойртдог. Аль хэдийн 1885 онд И.Балмер (1825–1898) устөрөгчийн спектрийн харагдах хэсгийн шугамын давтамжийг холбосон энгийн эмпирик томьёог олж чаджээ.

Хаана n- давтамж, в– гэрлийн хурд (3×10 8 м/с), n– бүхэл тоо ба RH- тодорхой тогтмол хүчин зүйл. Энэ томъёоны дагуу устөрөгчийн өгөгдсөн цуврал спектрийн шугамд долгионы урттай шугам байх ёсгүй. л 364.56 нм-ээс бага (эсвэл түүнээс дээш давтамж) харгалзах n= Ґ. Энэ нь тодорхой болсон бөгөөд энэ нь Томсоны атомын загварыг ноцтой эсэргүүцсэн боловч зөрүүг янз бүрийн электронуудын уян хатан сэргээх хүчний ялгаагаар тайлбарлахыг оролдсон.

Томсоны атомын загвар дээр үндэслэн атомуудаас рентген туяа эсвэл гамма цацраг ялгаруулж байгааг тайлбарлахад маш хэцүү байсан.

Томсоны атомын загварт бэрхшээлүүд мөн хандлагаас үүдэлтэй д/мэлектроноо алдсан атомуудын массын цэнэг ("сувгийн туяа"). Хамгийн энгийн атом бол нэг электронтой устөрөгчийн атом бөгөөд нэг эерэг цэнэг агуулсан харьцангуй том бөмбөрцөг юм. Үүнээс хамаагүй эрт буюу 1815 онд В.Проут бүх хүнд атомууд устөрөгчийн атомуудаас тогтдог гэж үзсэн бөгөөд атомын масс электроны тоотой пропорциональ өсөх нь ойлгомжтой байх болно. Гэсэн хэдий ч хэмжилтээс харахад цэнэгийн массын харьцаа өөр өөр элементүүдийн хувьд ижил биш байна. Жишээлбэл, неон атомын масс нь устөрөгчийн атомын массаас 20 дахин их байдаг бол цэнэг нь ердөө 10 нэгж эерэг цэнэгтэй байдаг (неон атом нь 10 электронтой). Нөхцөл байдал эерэг цэнэг нь хувьсах масстай, эсвэл үнэхээр 20 электронтой байсан ч 10 нь бөмбөрцөг дотор байсан.

Рутерфордын сарнилт дээр хийсэн туршилтууд.

Дараа нь өөр нэг бэрхшээл гарч ирэв. 1903 онд Ф.Ленард (1862–1947) нимгэн металл тугалган цаасаар хурдан электрон цацрагийг нэвтрүүлэх туршилт хийжээ. Томсоны атомын загварт бараг бүх орон зай нь матераар дүүрсэн байдаг (атомын эерэг цэнэгтэй хэсэг) тул тугалган цаасыг маш цөөхөн электрон нэвтэрч чадна гэж бодож болно. Ленард бараг бүх электронууд тугалган цаасаар дамждаг болохыг олж мэдэв. Хэдийгээр бөмбөгдөж буй бөөмсийн масс бага тул туршилт хийхэд бэрхшээлтэй байсан ч Ленард атомын масс нь "динамид" -ын төв хэсэгт төвлөрч, хүлээгдэж байснаас хамаагүй бага гэж таамаглаж байв.

Атомын орон зайн бүтцийн талаарх ойлголтыг бүрэн өөрчилсөн шийдвэрлэх туршилтыг Э.Рутерфорд болон түүний хамтран зүтгэгчид Х.Гейгер (1882–1945), Э.Марсден (1889–1970) нар хийсэн. Тэд электронуудын оронд альфа бөөмсийг ашигласан, учир нь... Илүү их масстай (электроноос 7350 дахин их) тул эдгээр бөөмс нь атомын электронуудтай мөргөлдөх үед мэдэгдэхүйц хазайлтанд ордоггүй бөгөөд энэ нь зөвхөн атомын эерэг хэсэгтэй мөргөлдөхийг илрүүлэх боломжийг олгодог. Альфа бөөмийн эх үүсвэр болгон радиыг авч, алт гэх мэт нимгэн металл тугалган цаасанд тараагдсан тоосонцорыг харанхуй өрөөнд байрлуулсан цайрын сульфидын дэлгэцэн дээр "сцинтилляци" хийх замаар тэмдэглэв. Туршилтын схемийг Зураг дээр үзүүлэв. 5.

Томсоны загварын дагуу бараг бүх альфа бөөмс нь бараг жигд тархсан эерэг цэнэгийн бүсийг дайран өнгөрдөг тул анхны чиглэлээсээ маш бага өнцгөөр төгсдөг. Хэдийгээр Рутерфордын үр дүн нь жижиг хазайлтын бүс дэх хүлээгдэж буй тархалттай нийцэж байсан ч Томсоны атомын загвараар таамаглаж байснаас хамаагүй том өнцөгт маш олон хазайлт бүртгэгдсэн. Ийм том хазайлтыг зөвхөн атомын эерэг "цөм" нь түүний электрон бүтцийн хэмжээнээс хамаагүй бага байдаг тул альфа бөөмсүүд энэ жижиг эерэг цөмд маш ойртож, Кулоны маш том хүчтэй тулгарах боломжтой гэдгээр л тайлбарлаж болно. . Резерфордын туршилтууд Ленардын таамаглаж байсанчлан маш жижиг масстай цөм буюу "цөм"-ээс бусад бүх атом нь бараг бүрэн хоосон байсныг баттай харуулсан. Түүний олж авсан туршилтын мэдээлэлд үндэслэн Рутерфорд алтны атомын цөмийн диаметр нь 6х10-15 м-ээс ихгүй байгаа нь орчин үеийнхтэй нэлээд ойролцоо утгатай гэж дүгнэжээ.

Рутерфорд цөмийг цэгийн тархалтын төв гэж үзэн зөвхөн электростатик ба Ньютоны механик дээр тулгуурлан тархсан бөөмсийн өнцгийн тархалтын томъёог гаргаж чадсан. Масстай альфа бөөмийн хооронд Мба төлбөр 2 д, Хаана д– электроны цэнэг, цэнэгтэй цөм Зэ, Хаана З– тараагч бодисыг бүрдүүлдэг элементийн атомын дугаар 2 үйлчилдэг электростатик түлхэлтийн хүч; Зэ 2 /r 2 хаана r- төлбөр хоорондын зай. Булан j, ямар тархалт үүсэх нь мөргөлдөөний параметрээс хамаарна х, өөрөөр хэлбэл Хэрэв бөөмс хазайгаагүй бол цөмийг дайран өнгөрөх хамгийн бага зай.

Зураг дээрээс харж болно. 6, хамгийн том хазайлтын өнцөг нь мөргөлдөөний хамгийн бага параметртэй тохирч байна. Альфа тоосонцорыг өнцгөөр хазайсан хэсэг jба түүнээс дээш, илэрхийллээр өгөгдсөн

Хаана n- 1 см 3 дахь атомын тоо; т- тугалган цаасны зузаан, МТэгээд v– альфа бөөмийн масс ба хурд ба З- цөмийн цэнэг. Энэ Рутерфордын тархалтын хуулийг ихэвчлэн бөөмсийн бутархай хэлбэрээр бичдэг df, энэ нь цул өнцөгт тархдаг dw-аас өнцгийн мужид jөмнө j + dj:

Эдгээр илэрхийлэл нь өргөн хүрээний өнцөг, янз бүрийн тархалтын материалын хувьд тоон хувьд батлагдсан бөгөөд цөмийн цэнэгийг хэмжих боломжтой болсон.

Томсоны загварыг орлож атомын Рутерфордын буюу цөмийн загвар нь квант механикийг бий болгоход чухал алхам болсон юм. 1913 онд Гейгер, Марсден нарын хийсэн нарийвчилсан туршилтууд нь илүү том хэмжээтэй электрон бүтцийн төвд жижиг том цөмтэй атомын зураг зөвхөн чанарын хувьд төдийгүй тоон хувьд зөв гэдэгт эргэлзэх сүүдэр үлдээсэнгүй. Томсоны загвараас авсан зарим нарийн ширийн зүйлийг, тухайлбал цөмд электронууд байдаг гэх мэтийг хожим нь бас хассан.

Борын квант онол.

Н.Бор (1885–1962) 1912–1913 онд Рутерфордтой сарниулах туршилт хийж байхдаа хамтран ажиллаж, 1913 онд олон шинэ санаа авч Копенгагенд буцаж иржээ. "Цөмийн" тархалтын туршилтаар дөнгөж олж илрүүлсэн үзэгдлүүдээс гадна хэд хэдэн үзэгдлийн тайлбар шаардлагатай байв. Атомын Томсоны загвараас татгалзсан тул гадагшлуулах хоолойн цацрагийн нарийхан, салангид спектрийн шугамууд, тэдгээрийн давтамж дахь эмпирик загварууд нь бүр ч тодорхойгүй мэт санагдаж байв.

1887 онд Г.Герц (1857–1894) нээсэн өөр нэг атомын эффект буюу фотоэлектрик эффект байсан. Үүний мөн чанар нь шинэхэн цэвэрлэсэн металл гадаргуу дээр унасан гэрэл нь гэрлийн давтамж хангалттай өндөр байвал электронуудыг гадагшлуулдаг. Метал бүр өөрийн гэсэн босго давтамжтай байдаг. Туршилтаар фотоэлектроны гүйдлийг тэг болгож бууруулдаг тоормосны электростатик орон нь гэрлийн эрчмээс хамаардаггүй, харин түүний долгионы уртаас хамаардаг болохыг харуулсан. Гэрэл цахилгаан соронзон долгион гэж үздэг цахилгаан соронзон онол үүнийг тайлбарлах боломжгүй байсан, учир нь энэ онолын дагуу ямар ч хурдтай электрон ялгаруулахын тулд атом зөвхөн эрчим хүчийг удаан хугацаанд шингээх шаардлагатай байдаг. 1905 онд А.Эйнштейн (1879–1955) фотоэлектрик эффектийн тайлбарыг санал болгосон нь туршилтын өгөгдөлтэй бүрэн нийцэж байсан боловч одоо байгаа гэрлийн тухай ойлголтыг долгионы процесс гэж үндсээр нь өөрчлөх шаардлагатай байв. Эйнштейн гэрэл нь фотон буюу гэрлийн квант гэж нэрлэгддэг нэгжээр энергийг зөөдөг гэж санал болгов. Э = hn, Хаана nнь гэрлийн давтамж, ба h– “Планкийн тогтмол”, 6.626Х10 –34 JChs-тэй тэнцүү. Металлын гадаргуу дээр фотон хүрэх үед бүх энергийг электрон руу шилжүүлдэг. Электрон нь гадаргуутай цахилгаан статик хүчээр холбогддог тул гадагш гарахын тулд энерги хэрэгтэй В("ажлын функц"), электрон хүлээн авсан энергийн үлдсэн хэсэг нь түүний кинетик энерги болж хувирдаг, өөрөөр хэлбэл. hn = В + 1 / 2 mv 2. Эйнштейний таамаглал нь фотоэлектронуудын кинетик энерги яагаад гэрлийн давтамжаас, ялгарах электронуудын тоо нь түүний эрчимээс хамаардаг болохыг тайлбарлав.

Шинжлэх ухааны нээлтүүдэд ихэвчлэн тохиолддог шиг Эйнштейний "квант" таамаглал нь өмнөх онол дээр үндэслэсэн байсан нь тогтоогджээ. М.Планк (1858-1947) нь халсан биетийн цацрагийн ажиглагдсан спектрийн найрлагыг тайлбарлахын тулд квантчлалын санааг анх ашигласан. Тэрээр гармоник осциллятор нь энергийн зөвхөн салангид хэсгийг шингээж, ялгаруулдаг гэж үзснээр спектрийг тайлбарлаж чадсан. hn.

Бор атом дахь электронуудын тойрог зам, тэдгээрийн цацрагийг тайлбарлахад квант таамаглалыг гайхалтай ашигласан. Тэрээр электронууд осциллятор шиг ажилладаг гэсэн санааг үгүйсгэж, атомын динамикийг нарны эргэн тойрон дахь тойрог замд байгаа гаригуудын хөдөлгөөнтэй адил цөмийн эргэн тойрон дахь электронуудын хөдөлгөөн гэж төсөөлжээ. Цөмд электроныг электростатик татах хүч нь электроныг радиусын тойрог замд шилжүүлэхэд хүргэдэг төв рүү чиглэсэн хүч юм. rхурдтай v. Ерөнхийдөө цэнэгтэй цөмүүд Зэбидэнд байгаа

Ийм хүчний талбарт (хүч нь хүндийн төв хүртэлх зайтай урвуу пропорциональ байх үед) хөдөлгөөний кинетик энерги үргэлж боломжит энергийн 1/2-тэй тэнцүү байна.

мөн нийт энерги, өөрөөр хэлбэл. кинетик ба боломжит энергийн нийлбэр нь дараахтай тэнцүү байна.

Эдгээр харилцаа нь механик ба цахилгаан статикийн ердийн хуулиас үүдэлтэй. Бор эдгээрээс гадна атомын квант онолын үндэс болсон дараах постулатуудыг томъёолсон.

I. Зөвхөн өнцгийн импульс нь Планкийн тогтмолыг 2-т хуваасан бүхэл тоотой тэнцүү тойрог тойрог замуудыг л зөвшөөрнө. х. (Биеийн өнцгийн импульс л, дугуй тойрог замд хөдөлж байгаа нь түүний массын үржвэртэй тэнцүү байна мхурдны төлөө vба тойрог замын радиус r.) Тиймээс,

II. Хэдийгээр цахилгаан соронзон онолын дагуу хурдатгалтай хөдөлж буй аливаа цэнэглэгдсэн бөөмс цацраг ялгаруулах ёстой ч электронууд атомын тойрог замд шилжихдээ цацраг ялгаруулдаггүй. Цацраг нь электрон нэг квант тойрог замаас нөгөөд шилжих үед л үүсдэг.

III. Энэ цацрагийн давтамжийг нийт энергийн өөрчлөлтөөр тодорхойлно, өөрөөр хэлбэл. Эхний болон эцсийн төлөв дэх атомын энергийн ялгаа:

hn = Э 2 – Э 1 .

Эдгээр энергийн квантчлалын нөхцөл нь электрон тойрог замд хүргэдэг. Тэгшитгэлийг (2) хурдыг шийдэж, (4)-д орлуулснаар бид олж авна

эсвэл, хэрэв та "Борын радиус" гэж орвол а 0 = h 2 /4х 2би 2 "5.29Х10 –11 м,

Зураг дээр. Борын онолд тохирсон устөрөгчийн атом дахь электронуудын эхний зургаан тойрог замыг Зураг 7-д үзүүлэв. Дискрет спектрийн шугамын ялгарал дагалддаг шилжилтийг мөн үзүүлэв. Спектрийн шугамын цуврал бүр өөрийн нээсэн хүний ​​нэрийг агуулсан; Бүх цувралаас Балмерын цувралын зөвхөн нэг хэсэг нь спектрийн харагдах бүсэд оршдог.

Зураг дээр. 8-р зурагт Балмерын цувралын шугамууд спектрографийн гэрэл зургийн хавтан дээр хэрхэн харагдахыг харуулав. Цувралын хилийн ойролцоо шугамууд нягт болж байгааг харахад хялбар байдаг.

Бүхэл тоо бүрт тохирох атомын төлөвүүдийн энерги n, мөн хэмжигддэг:

Борын гурав дахь постулат ба хамаарлыг ашиглах -тай = lnХурд, долгионы урт, давтамж хоёрын хооронд Балмерын цуврал шугамын хувьд олсон эмпирик томъёог тайлбарлаж болно.

зүгээр л Борын томьёоны онцгой тохиолдол болгон. Түүний тусламжтайгаар та "Райдберг тогтмол"-ыг тооцоолж болно. RH:

Утга RH, Балмерын олсон, 10967776 м–1; тухайн үед байгаа утгыг ашиглан м, д, вТэгээд h, Бор хүлээн авсан RH= 1.03Х10 7 м–1. Орчин үеийн утга RH 10979708 м–1 байна. Тиймээс Борын онол ба туршилтын тохироо нэлээд сайн байна. Хэмжээний зөрүү RHүндсэн тогтмолуудын утгуудын буруугаар тайлбарлав м, д, в, hБор ашигласан, түүнчлэн хэд хэдэн засварыг анхаарч үзэх шаардлагатай бөгөөд тэдгээрийн гол нь цөмийн хөдөлгөөнийг засах явдал юм ( доороос үзнэ үү).

Ийнхүү Бор анхнаасаа онолдоо ихээхэн амжилтанд хүрч, устөрөгчийн спектрийн шугамын талаар зөвхөн чанарын төдийгүй тоон тайлбарыг өгч, квантуудын тухай Планк, Эйнштейний санааг оптик спектрийн онолд ашигласан.

1914 онд Дж.Фрэнк (1882–1964), Г.Герц (1887–1975) нар мөнгөн усны уурын атомуудыг мэдэгдэж байгаа энергитэй электронуудаар бөмбөгдөх замаар энергийн түвшний квантчлалын үзэл баримтлал зөв болохыг туршилтаар баталжээ. Тэд мөнгөн усны атомаар тараагдах үед электронуудын алдсан энергийг хэмжсэн. Тодорхой босгоос доогуур энергитэй электронууд мөнгөн усны атомуудад энергийг огт шилжүүлээгүй; гэхдээ электронуудын энерги нь мөнгөн усны атомыг илүү өндөр энергитэй хамгийн ойрын түвшинд шилжүүлэхэд хангалттай болмогц электронууд эрчим хүчээ шилжүүлэв. Энэ нь тоон энергийн түвшин байдгийн баттай нотолгоо байсан юм.

Борын онол нь мөн рентген цацрагийн гарал үүслийг тайлбарлах боломжийг олгосон. X-цацраг): энэ цацраг нь атомын дотоод тойрог замаас электроныг цохисны үр дүнд (атомыг бөмбөгдөж буй электрон) ялгардаг: атомын гаднах бүрхүүлээс электронууд суллагдсан орон зайд шилждэг. Эрчим хүч нь оптик шилжилтийн үеийнхээс хамаагүй их өөрчлөгддөг тул рентген цацраг нь харагдах гэрлээс богино долгионы урттай, илүү нэвтэрдэг. Борын онол нь зөвхөн спектрийн харагдах хэсэгт ажиглагдсан Балмерын шугамыг тайлбарлаад зогсохгүй хэт ягаан туяаны (Лайманы цуврал) болон хэт улаан туяаны (Пашений цуврал) бүс нутгуудын гэрэл зургийн аргуудыг ашиглан илрүүлсэн бусад цуврал шугамуудыг тайлбарлав.

Хэдийгээр масс МУстөрөгчийн (протон) цөм нь атомын тойрог замд хөдөлж буй электроны массаас хамаагүй том тул атомын энэхүү "динамик" загварт протон тайван байдалд байна гэж үзэх нь буруу байх болно. А.Зоммерфельд (1868–1951) онцлон тэмдэглэснээр, энерги ба импульс хадгалагдах хуулиудын дагуу цөм ба электрон массын нийтлэг төвтэй харьцуулахад ижил өнцгийн хурдтай (цөм нь тэнхлэгээс хамаагүй ойрхон байрладаг бол) эргэх ёстой. массын төв). Энэхүү цөмийн хөдөлгөөний электрон төлөвийн энергид үзүүлэх нөлөөг электрон массыг орлуулах замаар тооцож болно. м"багассан масс"

Хаана Мнь тухайн атомын цөмийн масс юм. Устөрөгчийн хувьд үнэ цэнэ мбага м 1/1837 онд. Гэсэн хэдий ч спектроскопийн хэмжилтийн нарийвчлал нь ийм залруулга нь онол ба туршилтын хоорондын тохиролцоог мэдэгдэхүйц сайжруулдаг.

Борын өөрчилсөн онолын устөрөгчийн атомын боломжуудын гайхалтай жишээ бол "хүнд устөрөгч" (дейтерий) 2 H-ийг нээсэн явдал юм. Дейтерийн цөмийн масс нь протоны массаас бараг хоёр дахин их, харин дейтерий нь ердөө 1 юм. /4500 энгийн устөрөгчийн хий, түүний оршихуй нь спектрийн гэрэл зураг дээр, өндөр нарийвчлалтай, маш бүдэг шугам хэлбэрээр, магнитудын ялгаатай байдлаас шалтгаалан үндсэн шугамтай харьцуулахад шилжсэн хэлбэрээр илэрдэг. м. 1931 онд Ф.Астон (1977-1945) устөрөгчийн атомын массын илэрхий зөрүүг илрүүлсний дараа Р.Бюрге (1887-1980), Д.Мензел нар өөр өөр изотопын масстай хоёр төрлийн устөрөгч байдаг гэсэн таамаглал дэвшүүлсэн. 1932 онд Г.Урей (1893–1981), Ж.Мёрфи, Ф.Брикведд (1903–1989) нар 6.4 м радиустай хонхор дифракцийн тор ашиглан устөрөгчийн спектрийн зургийг авсан цуврал туршилтуудыг хийжээ тэнд сул дейтерийн шугамыг олж, тэдгээрийг урьдчилан таамаглаж байсан (долгионы урт нь H шугамтай тохирч байна а, 179.3 нм-ээр шилжсэн), хүнд изотопоор баяжуулсан дээжийг авч үзэхэд эргэлзээгүй тод шугамууд гарч ирэв.

Соммерфельд Борын онолыг улам боловсронгуй болгож, дугуй тойрог зам нь зөвхөн онцгой тохиолдол бөгөөд Борын постулатуудыг эллипс тойрог замд ч нэвтрүүлж болно гэдгийг онцолсон. (Зуван тойрог зам дагуу хөдөлж байх үед хурд нь азимуталын хамт мөн радиаль бүрэлдэхүүнтэй байдаг. Энэ тохиолдолд хөдөлгөөн нь нэг хавтгайд явагдах ба хүндийн төв нь голомтын аль нэгэнд байрладаг.) ​​Тиймээс, ерөнхий импульсийн хувьд p i"Үечилсэн координат"-тай холбоотой квантчлалын хоёр нөхцөл ногдуулдаг qi. (Үелэх координатын хэлбэлзлийн муж нь тодорхой хугацаанд давтагддаг; жишээлбэл, электроны цөмтэй харьцуулахад өнцгийн байрлал нь үечилсэн координатыг илэрхийлдэг.) Ерөнхийдөө.

Тиймээс тойрог зам оршин тогтнохын тулд тухайн үеийн координат дээрх импульсийн интеграл нь Планкийн тогтмолуудын бүхэл тоотой тэнцүү байх ёстой. Зууван тойрог замд шилжих үед бие даасан хоёр тэгшитгэл байдаг

Хаана p j– азимутал, ба p r- радиаль импульс. (Радиал импульс p rнь масс ба радиаль хурдны үржвэртэй тэнцүү бөгөөд дугуй тойрог замын хувьд тэг болно.) Гаригуудын хөдөлгөөнийг тодорхойлоход хүчинтэй эллипс тойрог зам дагуух хөдөлгөөний сонгодог механикийг сайн мэддэг байсан тул шууд ашиглаж болно. атомын тойрог замын хувьд. Ньютоны механикийн үзэж байгаагаар эллипс тойрог замаас дугуй руу шилжих нь түвшний энергийн өөрчлөлтийг дагалддаггүй, учир нь эллипсийн хувьд энерги нь зөвхөн эллипсийн хагас гол тэнхлэгээс хамаардаг. зөвхөн хамаарна

Тэгэхээр тоо n("үндсэн квант тоо") нь зууван тойрог зам, түүний дотор дугуй тойрог замд ижил энергитэй тохирч байна. n Y = 0.

Илүү өндөр нарийвчлалтайгаар хийсэн хэмжилтүүд нь спектрийн шугамын "нарийн бүтэц" байгааг харуулсан (нэг өргөн "шугам" нь үнэндээ хэд хэдэн шугамаас бүрддэг). Энэ нь нэг талаараа электронууд гэрлийн хурдтай дүйцэхүйц хурдтай хөдөлдөг гэдгийг Соммерфельд харуулсан тул Ньютоны механикийн оронд Эйнштейний харьцангуй механикийг ашиглах ёстой гэж үзсэнтэй холбоотой юм. Үүний үр дүнд хурд нь хазайлтаас хамаарч өөр өөр байдаг тул эллипс тойрог замуудын энергид бага зэрэг ялгаатай байдаг. Засварыг квант тоогоор илэрхийлж болно nТэгээд n j:

нарийн бүтцийн тогтмол буюу Соммерфельд тогтмол гэж нэрлэгддэг тогтмол байдаг. Орбитын эллипсээс хамааран эдгээр жижиг засварууд байгаа нь боломжит шилжилтийн тоог ихээхэн нэмэгдүүлдэг. Зарим урьдчилан таамагласан спектрийн шугам байхгүй байгааг харгалзан үзэхийн тулд азимутын квант тоог өөрчлөх боломжийг олгодог "сонголтын дүрэм" -ийг нэвтрүүлэх шаардлагатай байв. n jзөвхөн +1 эсвэл -1.

Тиймээс Борын квантын онол нь Соммерфельдийн тойрог замын хөдөлгөөний илүү нарийн механикаар нэмэлт, өргөн хүрээний үзэгдлийг тайлбарлаж чадсан юм. Устөрөгчийн цуврал спектрийн шугам байгаа эсэх, тэдгээрийн нарийн бүтэц байгаа эсэх, хийн дэх электронуудын уян хатан бус тархалтын шинж чанар, спектрийн шугамын изотопын шилжилт тодорхой болсон. Үүнээс гадна устөрөгчийн иончлолын потенциалыг (атомоос электроныг цохиход шаардагдах энерги) нарийн тооцоолох боломжтой болсон.

Гэсэн хэдий ч бэрхшээлүүд хэвээр байна. Борын онол нь устөрөгч, дан ионжуулсан гелий, давхар ионжсон литий, мөн натри зэрэг нэг электрон атомын хувьд сайн үр дүнг өгсөн (натрийн атом нь нэг сул холбогдсон электронтой байдаг тул энэ нь үндсэндээ үүнийг тодорхойлдог. натрийн спектр ба химийн шинж чанарууд), гэхдээ энэ нь хоёр электрон болон бусад олон электрон атом бүхий ердийн гелийн атомыг муу дүрсэлсэн. Атомоос атом руу шилжих явцад химийн болон физик шинж чанаруудын сайн мэддэг өөрчлөлтийг тайлбарлах гэсэн Бор оролдлого амжилтгүй болсон. Эцэст нь Борын постулатууд, жишээлбэл, электрон тойрог зам дахь өнцгийн импульсийн квантчлал нь бүрэн дур зоргоороо харагдаж байв.

Баримт нь тухайн үед хоёр заалт тодорхойгүй байсан бөгөөд үүнгүйгээр нарийн төвөгтэй атомуудын бүтцийг ойлгох боломжгүй юм - Паули хасах зарчим ба электрон эргэлтийн оршин тогтнох. Эдгээр заалтууд нь долгион эсвэл квант механик гэж нэрлэгддэг шинэ механикийг бий болгохын зэрэгцээ атомын бүтцийг бүрэн ойлгоход зайлшгүй шаардлагатай байв.

Атомын квант механик.

Квантын постулатуудыг нэмсэн сонгодог бөөмийн механик дээр үндэслэсэн Борын онолын дутагдал нь электронуудын жижиг зайд, жишээлбэл, атомын доторх хөдөлгөөнийг зөв тайлбарлах үндсэн асуудлыг онцолж байв. Гэрэл нь корпускуляр ба долгионы шинж чанартай байдаг (зарим үзэгдлийн хувьд, жишээлбэл, фотоэлектрик эффекттэй, бөөмсийн урсгал шиг, бусад тохиолдолд, жишээлбэл, интерференц, долгион шиг ажилладаг) Л. Де Бройль (1892-1987) 1923 онд долгион-бөөмийн хоёрдмол байдал нь материйн шинж чанартай гэсэн таамаглал дэвшүүлжээ. Квантын онол нь фотоэлектрик эффектийн үед гэрлийн фотонуудад корпускуляр зан үйлийг холбодог тул атом дахь электронууд нь "орбитууд" дахь долгион шиг ажиллаж чаддаг гэж үзэж болно. Де Бройль долгионы тархалтыг масстай бөөмсөнд хуваарилвал ямар ч төрлийн бөөмийн хөдөлгөөнтэй "холбогдох" боломжтой гэсэн дүгнэлтэд хүрчээ. мболон хурд vдолгионы урт

л = h/mv.

Бөөмийн долгионы шинж чанарыг туршилтаар баталгаажуулсан нь 1927 онд К.Дэвиссон (1881–1958), Л.Гермер (1896–1971) нарын нээсэн электрон дифракцийн үзэгдэл байв. Кристалын гадаргуугаас электрон цацраг тусах үед электронуудын өнцгийн тархалтыг зөвхөн долгионы үзэл баримтлалд үндэслэн тайлбарлах боломжтой бөгөөд де Бройлийн дэвшүүлсэн долгионы урт ба хурдны хамааралтай тохирч байгааг ажиглав.

Де Бройлийн илэрхийлсэн таамаглалаас хойшхи хугацаанд В.Гейзенберг (1901–1976), Э.Шредингер (1887–1961) болон бусад онолчдын квант механикийг хөгжүүлсэн нь Борын онолын нөхцөл байдлыг тодруулахад хүргэсэн. Жишээлбэл, Борын онолд "хөдөлгөөнгүй төлөв"-ийн нөхцөл байдал.

mv Ch2 pr = nh

дурын шаардлагын шинж чанартай байсан. Одоо энэ нь де Бройль долгионы уртын бүхэл тоо нь электроны үечилсэн тойрог замд багтах шаардлага болж байна. Энэ шаардлагыг хангасан тойрог замууд нь зөвшөөрөгддөг.

Устөрөгчийн атомын Шредингерийн долгионы тэгшитгэлийг шийдвэрлэхэд байгалийн жамаар гурван квант тоо гарч ирдэг бөгөөд үүнийг ихэвчлэн тэмдэгтээр тэмдэглэдэг. n, лТэгээд м л. Энд n– 0-ээс их ямар ч утгыг авч болох бүхэл тоо бөгөөд үүнийг электроны үндсэн квант тоо гэнэ. Энэ нь тоотой тохирч байна n, Борын янз бүрийн тойрог замыг илэрхийлдэг. Тоо л(орбиталь квант тоо) нь мөн бүхэл тоо бөгөөд 0-ээс ( хүртэл ямар ч утгыг авч болно. n- 1). Энэ нь электроны тойрог замын өнцгийн импульсийг тодорхойлдог бөгөөд түүнтэй нягт холбоотой байдаг n jБор загварт. Долгионы тэгшитгэлийн шийдлээс харахад зөвхөн электроны тойрог замын өнцгийн импульсийн утгуудыг зөвшөөрнө.

Эцэст нь бид атом дахь электроны төлөв байдлыг тодорхойлдог 4 бие даасан квант тоог олж авдаг.

n- үндсэн квант тоо;

л- тойрог замын квант тоо;

м л– тойрог замын соронзон квант тоо;

м с– спин соронзон квант тоо.

Хэдийгээр квант механик нь квант тоогоор төлөвийн энерги болон электроны магадлалын нягтын орон зайн тархалтыг (Борын загварт орбитыг орлуулах) тодорхойлох боломжийг олгодог ч төлөв тус бүрийн электронуудын тоог тогтоохын тулд нэмэлт таамаглал шаардагдана.

1925 онд В.Паули (1900–1958) “хориглох зарчмыг” томъёолсон нь атомын олон үзэгдлийг шууд тодруулсан юм. Тэрээр энгийн дүрмийг санал болгосон: бие даасан квант төлөв бүрт зөвхөн нэг электрон байж болно. Энэ нь өгөгдөлд тохирох тооны багц гэсэн үг юм n, лТэгээд м л, хамаарна n. Жишээлбэл, хэзээ n= 1 зөвхөн боломжтой л= 0; иймээс, м л= 0 ба мужуудын цорын ганц ялгаа нь үүнээс үүдэлтэй м с= +1/2 ба -1/2. Хүснэгтэнд өөр өөр тохирох боломжуудыг харуулав n. Эхний "бүрхүүл" дээр ( n= 1) дараагийн бүрхүүлд 2 электрон байна ( n= 2) хоёр дэд бүрхүүл үүсгэдэг 8 электрон байдаг гэх мэт. Дэд бүрхүүл дэх электронуудын хамгийн их тоо нь 2 (2 л+ 1), дэд бүрхүүлийн хамгийн их тоо нь байна n. Тус бүр nБүрэн дүүргэсэн бүрхүүл нь 2-ыг агуулна n 2 электрон.

Хүснэгт: Өгөгдсөн бүрхүүл дэх электронуудын боломжит тоо

ӨГӨГДСЭН ХҮРЭЭД БАЙГАА ЭЛЕКТРОНЫ ТОО
n	л	м л	м с	Дэд бүрхүүл дэх электронуудын тоо	Дүүрсэн бүрхүүл дэх электронуудын тоо
1 1	0 0	0 0	+1/2 –1/2	2	2
2 2	0 0	0 0	+1/2 –1/2	2
2 2 2 2 2 2	1 1 1 1 1 1	–1 –1 0 0 1 1	+1/2 –1/2 +1/2 –1/2 +1/2 –1/2	6	8
3 3	0 0	0 0	+1/2 –1/2	2
3 3 3 3 3 3	1 1 1 1 1 1	–1 –1 0 0 1 1	+1/2 –1/2 +1/2 –1/2 +1/2 –1/2	6
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3	2 2 2 2 2 2 2 2 2 2	–2 –2 –1 –1 0 0 1 1 2 2	+1/2 –1/2 +1/2 –1/2 +1/2 –1/2 +1/2 –1/2 +1/2 –1/2	10	18

Паули зарчим нь туршилт хийхтэй нийцэж байгаа нь асар олон тооны спектроскопийн ажиглалт, түүнчлэн металлын электрон онол, цөмийн процессын физик, бага температурын үзэгдлүүдийн олон тооны мэдээллээр батлагдсан. Энэ бол нийлмэл атомуудын электрон бүтцийг ойлгох замыг нээж өгсөн физикийн хамгийн үндсэн нэгдмэл зарчмуудын нэг юм. Үнэн бол Паули зарчим нь зөвхөн янз бүрийн электрон бүрхүүлийг дүүргэх боломжийг тодорхойлдог бөгөөд тодорхой төлөвийн бодит дүүргэлтийг шалгахын тулд оптик болон рентген спектрээс олж авсан өгөгдөл шаардлагатай байдаг. Харин атомуудад аргон хүртэл З= 18 нэмэлт электрон бүрийг дүүргээгүй дэд бүрхүүлүүдийн хамгийн доод хэсэгт нэмнэ. Энэ дарааллаас хазайх нь илүү нарийн төвөгтэй атомуудад ажиглагддаг бөгөөд тэдгээрийн бүрхүүл нь хэсэгчлэн давхцдаг. Квантын механикууд энэ хазайлтыг хамгийн бага энергитэй төлөвүүдийг эхлээд дүүргэдэг гэж тайлбарладаг.

Квант механик болон хүнд атом дахь Паули зарчмын үүднээс электронуудын электрон бүтэц, тархалтын нарийвчилсан дүн шинжилгээ нь маш нарийн төвөгтэй байдаг. 1 муж улсын хувьд с (n = 1, л= 0), зөвхөн бөмбөрцөг тэгш хэмтэй тархалт боломжтой (мөн электроны хамгийн их магадлалтай байрлал нь атомын төвд байдаг). 2-р мужид х (n = 2, л= 1) электроны өнцгийн импульс тэг байхаа больсон тул хамгийн их нягт нь цөмөөс тэг биш зайд байна. Электрон нягтын тархалт нь квант тооноос хамаарна м лсоронзон орны чиглэлийн дагуу өнцгийн импульсийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг квантжуулах шаардлагын дагуу.

Элементүүдийн үечилсэн систем.

Төвийг сахисан атомын бүрхүүл дэх электронуудын тоог түүний цөм дэх протоны тоотой тэнцүүлэхийг элементийн атомын дугаар гэнэ. Д.И.Менделеев (1834-1907) 1869 онд санал болгосон элементүүдийн үелэх систем нь элементүүдийг атомын тоог нэмэгдүүлэх дарааллаар байрлуулж, ижил төстэй химийн шинж чанартай атомууд нэг бүлэгт багтдаг хүснэгт юм. Жишээлбэл, гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон агуулсан бүлэг нь үнэт хийн бүлгийг бүрдүүлдэг; Эдгээр нь электрон бүрхэвчээр дүүрсэн атомууд бөгөөд дүүргэсэн бүрхүүлээс электроныг зайлуулах нь нэмэлт нэгийг нэмэхтэй адил хэцүү байдаг. Нэмж дурдахад эдгээр хий нь нэг атомын молекулууд юм.

Атомын химийн шинж чанарыг гол төлөв тэдгээрийн гаднах электронууд тодорхойлдог. Аргон хүртэлх хүснэгтийн энгийн шинж чанар (атомын дугаар З= 18) хүртэл өөр электрон нэмэхэд байгаатай холбоотой З= 18 хамгийн бага дэд бүрхүүлийг дараалан бөглөнө. Дараа нь хүснэгтийн мэдэгдэхүйц хүндрэл З= 18 нь дэд бүрхүүлийг дүүргэх дарааллын хүндрэлээр тайлбарлагддаг. Олон тооны электрон байгаа тохиолдолд квант механикийн тэгшитгэлийн яг шийдлийг олж авах боломжгүй бөгөөд ойролцоо аргыг ашигладаг. Нэгэн тооцоолол бол натри гэх мэт бүрэн бүрхүүлийнхээ гадна нэг электронтой атом. З= 11, "нэг электрон" атом гэж үздэг. Үнэн хэрэгтээ Борын хялбаршуулсан онол (ач холбогдлыг харгалзан өөрчилсөн nЭлектрон төлөвийн хувьд = 3) түвшний энергийн хувьд нэлээд нарийвчлалтай утгыг өгдөг (гэхдээ шугамыг хуваахад биш).

Атомын бүтцийн цаашдын судалгаа.

Одоогийн байдлаар атомын электрон бүтцийг зарчмын хувьд тайлбарласан боловч олон электрон атомын шинж чанарыг зөвхөн ойролцоогоор тооцоолж болно. Квант механик нь бие даасан атомуудын мэдэгдэж буй бүх шинж чанарыг тайлбарладаг. Атомуудын харилцан үйлчлэлийг, ялангуяа хатуу биетүүдэд идэвхтэй судалж байна. Энэхүү нийтлэл нь атомын цөмийн бүтцэд зориулагдсан болно.

Уран зохиол:

Вихман Э. Квантын физик. М., 1977
Жаммер М. Квант механикийн үзэл баримтлалын хувьсал. М., 1985
Еляшевич М.А. Атом; Атомын физик; Атомын спектр. Физик нэвтэрхий толь бичиг, боть 1. М., 1988



Атомын цогц бүтцийг нээх нь орчин үеийн физикийн хөгжлийн хамгийн чухал үе шат юм. Атомын системийг тайлбарлах боломжтой болсон атомын бүтцийн тоон онолыг бий болгох явцад квант механикаар тодорхойлсон бичил бөөмсийн шинж чанаруудын талаар шинэ санаа бий болсон.

Дээр дурдсанчлан атомыг бодисын хуваагдашгүй хамгийн жижиг хэсгүүд гэж үзэх санаа эртний үед үүссэн (Демокрит, Эпикур, Лукреций). Дундад зууны үед атомын тухай сургаал материалист байсан тул хүлээн зөвшөөрөгдөөгүй. 18-р зууны эхэн үед. атомын онол улам бүр түгээмэл болж байна. Энэ үед Францын химич А.Лавуазье (1743–1794), Оросын агуу эрдэмтэн М.В. Ломоносов, Английн химич, физикч Д.Дальтон (1766–1844) нар атом оршин тогтнох бодит үнэнийг нотолсон. Гэсэн хэдий ч энэ үед атомыг хуваагдашгүй гэж үздэг байсан тул атомын дотоод бүтцийн тухай асуулт ч гарч ирээгүй.

Атомын онолыг хөгжүүлэхэд Оросын нэрт химич Д.И. Менделеев 1869 онд атомын нэгдмэл шинж чанарын тухай асуудлыг шинжлэх ухааны үндэслэлтэйгээр анх удаа тавьсан элементүүдийн үечилсэн системийг боловсруулсан. 19-р зууны хоёрдугаар хагаст. Электрон бол аливаа бодисын үндсэн хэсгүүдийн нэг болох нь туршилтаар батлагдсан. Эдгээр дүгнэлтүүд, түүнчлэн олон тооны туршилтын өгөгдөл нь 20-р зууны эхэн үед ийм байдалд хүргэсэн. Атомын бүтцийн тухай асуудал ноцтой гарч ирэв.

Менделеевийн үечилсэн системд тодорхой илэрхийлэгдсэн бүх химийн элементүүдийн хооронд байгалийн холбоо байгаа нь бүх атомын бүтэц нь нийтлэг шинж чанарт суурилдаг болохыг харуулж байна: тэд бүгд хоорондоо нягт холбоотой байдаг.

Гэсэн хэдий ч 19-р зууны эцэс хүртэл. Химийн шинжлэх ухаанд атом бол энгийн материйн хамгийн жижиг бөөмс, материйн хуваагдах эцсийн хязгаар гэсэн метафизик итгэл давамгайлж байв. Химийн бүх өөрчлөлтийн үед зөвхөн молекулууд устаж дахин бий болдог бол атомууд өөрчлөгдөөгүй хэвээр үлдэж, жижиг хэсгүүдэд хуваагдах боломжгүй байдаг.

Удаан хугацааны туршид атомын бүтцийн талаархи янз бүрийн таамаглалууд туршилтын мэдээллээр батлагдаагүй байв. Зөвхөн 19-р зууны төгсгөлд. атомын бүтцийн нарийн төвөгтэй байдал, тодорхой нөхцөлд зарим атомыг бусад болгон хувиргах боломжийг харуулсан нээлтүүд хийгдсэн. Эдгээр нээлтүүд дээр үндэслэн атомын бүтцийн тухай сургаал эрчимтэй хөгжиж эхэлсэн.

Атомын нарийн төвөгтэй бүтцийн анхны шууд бус нотолгоог маш ховордсон хий дэх цахилгаан цэнэгийн үед үүссэн катодын цацрагийг судлах замаар олж авсан. Эдгээр цацрагийн шинж чанарыг судалснаар сөрөг цахилгаан цэнэг тээж, гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай нисдэг жижиг хэсгүүдийн урсгал юм гэсэн дүгнэлтэд хүрчээ. Тусгай арга техникийг ашиглан катодын бөөмсийн масс, тэдгээрийн цэнэгийн хэмжээг тодорхойлж, тэдгээр нь хоолойд үлдсэн хийн шинж чанар, электродууд үүссэн бодисоос хамаардаггүй болохыг олж мэдэх боломжтой байв. хийсэн, эсвэл бусад туршилтын нөхцөлд. Түүнээс гадна катодын бөөмсийг зөвхөн цэнэгтэй төлөвт л мэддэг бөгөөд цэнэгээсээ салж, цахилгаан саармаг бөөмс болгон хувиргах боломжгүй: цахилгаан цэнэг нь тэдний мөн чанарын мөн чанар юм. Эдгээр бөөмсийг нэрлэдэг электронууд, 1897 онд Английн физикч Ж.Томсон нээсэн.

1897-1898 онд катодын цацрагийн мөн чанарыг электрон урсгал хэлбэрээр тогтоож, электроны цэнэг ба массыг тодорхойлсны дараа атомын бүтцийг судалж эхэлсэн. Томсон санал болгов анхны атомын загвар, атомыг эерэг цахилгаан цэнэгтэй материйн бөөгнөрөл гэж төсөөлж, дотор нь маш олон электронууд хоорондоо огтлолцсон тул түүнийг цахилгаан саармаг тогтоц болгон хувиргадаг. Энэ загварт гадны нөлөөний нөлөөн дор электронууд хэлбэлзэж, өөрөөр хэлбэл хурдасгасан хурдаар хөдөлдөг гэж үзсэн. Энэ нь бодисын атомын гэрлийн ялгаруулалт, цацраг идэвхт бодисын атомын гамма цацрагийн талаархи асуултуудад хариулах боломжтой болсон юм шиг санагдаж байна.

Томсоны атомын загвар нь атомын доторх эерэг цэнэгтэй бөөмсийг төсөөлөөгүй. Гэхдээ эерэг цэнэгтэй альфа бөөмсийг цацраг идэвхт бодисоор ялгаруулж байгааг бид хэрхэн тайлбарлах вэ? Томсоны атомын загвар нь бусад асуултад хариулсангүй.

1911 онд Английн физикч Э.Резерфорд хий болон бусад бодис дахь альфа бөөмсийн хөдөлгөөнийг судалж байхдаа атомын эерэг цэнэгтэй хэсгийг нээжээ. Цаашид илүү нарийвчилсан судалгаагаар зэрэгцээ туяа нь хийн давхарга эсвэл нимгэн металл хавтангаар дамжин өнгөрөхөд зэрэгцээ туяа гарахаа больсон, харин зарим талаараа ялгаатай: альфа тоосонцор тархсан, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь анхны замаасаа хазайдаг болохыг харуулсан. Хазайлтын өнцөг нь бага боловч маш хүчтэй хазайдаг цөөн тооны бөөмс (хэдэн мянгад нэг орчим) байдаг. Зарим тоосонцор нь нэвтэршгүй саадтай тулгарсан мэт буцаж шидэгддэг. Эдгээр нь электрон биш - тэдгээрийн масс нь альфа бөөмсийн массаас хамаагүй бага юм. Масс нь альфа бөөмсийн масстай ижил дараалалтай эерэг хэсгүүдтэй мөргөлдөх үед хазайлт үүсч болно. Эдгээр бодол дээр үндэслэн Рутерфорд атомын бүтцийн дараах диаграммыг санал болгов.

Атомын төвд эерэг цэнэгтэй цөм байдаг бөгөөд түүний эргэн тойронд электронууд өөр өөр тойрог замд эргэлддэг. Тэдний эргэлтийн үед үүсэх төвөөс зугтах хүч нь цөм ба электронуудын хоорондох таталцлаар тэнцвэрждэг бөгөөд үүний үр дүнд тэд цөмөөс тодорхой зайд үлддэг. Электроны масс нь өчүүхэн тул атомын бараг бүх масс түүний цөмд төвлөрдөг. Цөм ба электронуудын эзлэх хувь, тэдгээрийн тоо харьцангуй бага байдаг нь атомын системийн эзэлдэг нийт орон зайн өчүүхэн хэсгийг л эзэлдэг.

Рутерфордын санал болгосон атомын бүтэц эсвэл тэдний хэлснээр гаригийн бүтэц атомын загвар, альфа бөөмийн хазайлтын үзэгдлийг хялбархан тайлбарладаг. Үнэн хэрэгтээ цөм ба электронуудын хэмжээ нь бүх атомын хэмжээтэй харьцуулахад маш бага байдаг бөгөөд энэ нь цөмөөс хамгийн алслагдсан электронуудын тойрог замаар тодорхойлогддог тул ихэнх альфа бөөмс атомуудын дундуур мэдэгдэхүйц хазайлтгүйгээр нисдэг. Альфа бөөмс нь цөмд маш ойртсон тохиолдолд л цахилгаан түлхэлт нь түүнийг анхны замаасаа огцом хазайхад хүргэдэг. Ийнхүү альфа бөөмсийн тархалтыг судалснаар атомын цөмийн онолын үндэс тавигдсан.

Атомын цогц бүтцийг нээх нь орчин үеийн физикийн хөгжлийн хамгийн чухал үе шат юм. Атомын системийг тайлбарлах боломжтой болсон атомын бүтцийн тоон онолыг бий болгох явцад квант механикаар тодорхойлсон бичил бөөмсийн шинж чанаруудын талаар шинэ санаа бий болсон.
Дээр дурдсанчлан атомыг бодисын хуваагдашгүй хамгийн жижиг хэсгүүд гэж үзэх санаа эртний үед үүссэн (Демокрит, Эпикур, Лукреций). Дундад зууны үед атомын тухай сургаал материалист байсан тул хүлээн зөвшөөрөгдөөгүй. 18-р зууны эхэн үед. атомын онол улам бүр түгээмэл болж байна. Энэ үед Францын химич А.Лавуазье (1743–1794), Оросын агуу эрдэмтэн М.В. Ломоносов, Английн химич, физикч Д.Дальтон (1766–1844) нар атом оршин тогтнох бодит үнэнийг нотолсон. Гэсэн хэдий ч энэ үед атомыг хуваагдашгүй гэж үздэг байсан тул атомын дотоод бүтцийн тухай асуулт ч гарч ирээгүй.
Атомын онолыг хөгжүүлэхэд Оросын нэрт химич Д.И. Менделеев 1869 онд атомын нэгдмэл шинж чанарын тухай асуудлыг шинжлэх ухааны үндэслэлтэйгээр анх удаа тавьсан элементүүдийн үечилсэн системийг боловсруулсан. 19-р зууны хоёрдугаар хагаст. Электрон бол аливаа бодисын үндсэн хэсгүүдийн нэг болох нь туршилтаар батлагдсан. Эдгээр дүгнэлтүүд, түүнчлэн олон тооны туршилтын өгөгдөл нь 20-р зууны эхэн үед ийм байдалд хүргэсэн. Атомын бүтцийн тухай асуудал ноцтой гарч ирэв.
Менделеевийн үечилсэн системд тодорхой илэрхийлэгдсэн бүх химийн элементүүдийн хооронд байгалийн холбоо байгаа нь бүх атомын бүтэц нь нийтлэг шинж чанарт суурилдаг болохыг харуулж байна: тэд бүгд хоорондоо нягт холбоотой байдаг.
Гэсэн хэдий ч 19-р зууны эцэс хүртэл. Химийн шинжлэх ухаанд атом бол энгийн материйн хамгийн жижиг бөөмс, материйн хуваагдах эцсийн хязгаар гэсэн метафизик итгэл давамгайлж байв. Химийн бүх өөрчлөлтийн үед зөвхөн молекулууд устаж дахин бий болдог бол атомууд өөрчлөгдөөгүй хэвээр үлдэж, жижиг хэсгүүдэд хуваагдах боломжгүй байдаг.
Удаан хугацааны туршид атомын бүтцийн талаархи янз бүрийн таамаглалууд туршилтын мэдээллээр батлагдаагүй байв. Зөвхөн 19-р зууны төгсгөлд. атомын бүтцийн нарийн төвөгтэй байдал, тодорхой нөхцөлд зарим атомыг бусад болгон хувиргах боломжийг харуулсан нээлтүүд хийгдсэн. Эдгээр нээлтүүд дээр үндэслэн атомын бүтцийн тухай сургаал эрчимтэй хөгжиж эхэлсэн.
Атомын нарийн төвөгтэй бүтцийн анхны шууд бус нотолгоог маш ховордсон хий дэх цахилгаан цэнэгийн үед үүссэн катодын цацрагийг судлах замаар олж авсан. Эдгээр цацрагийн шинж чанарыг судалснаар сөрөг цахилгаан цэнэг тээж, гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай нисдэг жижиг хэсгүүдийн урсгал юм гэсэн дүгнэлтэд хүрчээ. Тусгай арга техникийг ашиглан катодын бөөмсийн масс, тэдгээрийн цэнэгийн хэмжээг тодорхойлж, тэдгээр нь хоолойд үлдсэн хийн шинж чанар, электродууд үүссэн бодисоос хамаардаггүй болохыг олж мэдэх боломжтой байв. хийсэн, эсвэл бусад туршилтын нөхцөлд. Түүнээс гадна катодын бөөмсийг зөвхөн цэнэгтэй төлөвт л мэддэг бөгөөд цэнэгээсээ салж, цахилгаан саармаг бөөмс болгон хувиргах боломжгүй: цахилгаан цэнэг нь тэдний мөн чанарын мөн чанар юм. Эдгээр бөөмсийг нэрлэдэг электронууд, 1897 онд Английн физикч Ж.Томсон нээсэн.
1897-1898 онд катодын цацрагийн мөн чанарыг электрон урсгал хэлбэрээр тогтоож, электроны цэнэг ба массыг тодорхойлсны дараа атомын бүтцийг судалж эхэлсэн. Томсон санал болгов анхны атомын загвар, атомыг эерэг цахилгаан цэнэгтэй материйн бөөгнөрөл гэж төсөөлөхөд маш олон электронууд хоорондоо огтлолцсон тул түүнийг цахилгаан саармаг тогтоц болгон хувиргадаг. Энэ загварт гадны нөлөөний нөлөөн дор электронууд хэлбэлзэж, өөрөөр хэлбэл хурдасгасан хурдаар хөдөлдөг гэж үзсэн. Энэ нь бодисын атомын гэрлийн ялгаруулалт, цацраг идэвхт бодисын атомын гамма цацрагийн талаархи асуултуудад хариулах боломжтой болсон юм шиг санагдаж байна.
Томсоны атомын загвар нь атомын доторх эерэг цэнэгтэй бөөмсийг төсөөлөөгүй. Гэхдээ эерэг цэнэгтэй альфа бөөмсийг цацраг идэвхт бодисоор ялгаруулж байгааг бид хэрхэн тайлбарлах вэ? Томсоны атомын загвар нь бусад асуултад хариулсангүй.
1911 онд Английн физикч Э.Резерфорд хий болон бусад бодис дахь альфа бөөмсийн хөдөлгөөнийг судалж байхдаа атомын эерэг цэнэгтэй хэсгийг нээжээ. Цаашид илүү нарийвчилсан судалгаагаар зэрэгцээ туяа нь хийн давхарга эсвэл нимгэн металл хавтангаар дамжин өнгөрөхөд зэрэгцээ туяа гарахаа больсон, харин зарим талаараа ялгаатай: альфа тоосонцор тархсан, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь анхны замаасаа хазайдаг болохыг харуулсан. Хазайлтын өнцөг нь бага боловч маш хүчтэй хазайдаг цөөн тооны бөөмс (хэдэн мянгад нэг орчим) байдаг. Зарим тоосонцор нь нэвтэршгүй саадтай тулгарсан мэт буцаж шидэгддэг. Эдгээр нь электрон биш - тэдгээрийн масс нь альфа бөөмсийн массаас хамаагүй бага юм. Масс нь альфа бөөмсийн масстай ижил дараалалтай эерэг хэсгүүдтэй мөргөлдөх үед хазайлт үүсч болно. Эдгээр бодолд үндэслэн Рутерфорд атомын бүтцийн дараах диаграммыг санал болгов.
Атомын төвд эерэг цэнэгтэй цөм байдаг бөгөөд түүний эргэн тойронд электронууд өөр өөр тойрог замд эргэлддэг. Тэдний эргэлтийн үед үүсэх төвөөс зугтах хүч нь цөм ба электронуудын хоорондох таталцлаар тэнцвэрждэг бөгөөд үүний үр дүнд тэд цөмөөс тодорхой зайд үлддэг. Электроны масс нь өчүүхэн тул атомын бараг бүх масс түүний цөмд төвлөрдөг. Цөм ба электронуудын эзлэх хувь, тэдгээрийн тоо харьцангуй бага байдаг нь атомын системийн эзэлдэг нийт орон зайн өчүүхэн хэсгийг л эзэлдэг.
Рутерфордын санал болгосон атомын бүтэц эсвэл тэдний хэлснээр гаригийн бүтэц атомын загвар, альфа бөөмийн хазайлтын үзэгдлийг хялбархан тайлбарладаг. Үнэн хэрэгтээ цөм ба электронуудын хэмжээ нь бүх атомын хэмжээтэй харьцуулахад маш бага байдаг бөгөөд энэ нь цөмөөс хамгийн алслагдсан электронуудын тойрог замаар тодорхойлогддог тул ихэнх альфа бөөмс атомуудын дундуур мэдэгдэхүйц хазайлтгүйгээр нисдэг. Альфа бөөмс нь цөмд маш ойртсон тохиолдолд л цахилгаан түлхэлт нь түүнийг анхны замаасаа огцом хазайхад хүргэдэг. Ийнхүү альфа бөөмсийн тархалтыг судалснаар атомын цөмийн онолын үндэс тавигдсан.

Борын постулатууд

Атомын гаригийн загвар нь материйн альфа бөөмсийг тараах туршилтын үр дүнг тайлбарлах боломжийг олгосон боловч атомын тогтвортой байдлыг зөвтгөхөд үндсэн бэрхшээлүүд гарч ирэв.
Атомын чанарын шинэ буюу квант онолыг бүтээх анхны оролдлогыг 1913 онд Нильс Бор хийсэн. Тэрээр шугаман спектрийн эмпирик хуулиуд, атомын Рутерфордын цөмийн загвар, гэрлийн ялгарал, шингээлтийн квант шинж чанарыг бүхэлд нь холбох зорилго тавьсан. Бор онолоо Рутерфордын цөмийн загварт үндэслэсэн. Тэрээр электронууд цөмийг тойрон тойрон эргэлддэг гэж санал болгосон. Тойрог хөдөлгөөн тогтмол хурдтай байсан ч хурдатгалтай байдаг. Энэхүү хурдасгасан цэнэгийн хөдөлгөөн нь орон зайд хувьсах цахилгаан соронзон орон үүсгэдэг хувьсах гүйдэлтэй тэнцүү юм. Энэ талбайг бий болгохын тулд эрчим хүч зарцуулдаг. Талбайн энерги нь электроны цөмтэй Кулоны харилцан үйлчлэлийн энергийн улмаас үүсч болно. Үүний үр дүнд электрон спираль хэлбэрээр хөдөлж, цөм дээр унах ёстой. Гэсэн хэдий ч туршлагаас харахад атом нь маш тогтвортой тогтоц юм. Үүнээс үзэхэд Максвеллийн тэгшитгэл дээр үндэслэсэн сонгодог электродинамикийн үр дүн нь атомын доторх процессуудад хамаарахгүй. Шинэ хэв маягийг олох шаардлагатай байна. Бор атомын тухай онолоо дараах постулатууд дээр үндэслэсэн.
Борын анхны постулат (хөдөлгөөнгүй төлөв байдлын постулат): атомд энерги ялгаруулдаггүй хөдөлгөөнгүй (цаг хугацааны хувьд өөрчлөгддөггүй) төлөвүүд байдаг. Атомын хөдөлгөөнгүй төлөв нь электронууд хөдөлдөг хөдөлгөөнгүй тойрог замд тохирно. Хөдөлгөөнгүй тойрог замд электронуудын хөдөлгөөн нь цахилгаан соронзон долгионы ялгаралт дагалддаггүй.
Энэхүү постулат нь сонгодог онолтой зөрчилдөж байна. Атомын хөдөлгөөнгүй төлөвт дугуй тойрог замд хөдөлж буй электрон нь өнцгийн импульсийн салангид квант утгатай байх ёстой.
Борын хоёр дахь постулат (давтамжийн дүрэм): электрон нэг суурин тойрог замаас нөгөөд шилжихэд энергитэй нэг фотон ялгардаг (шингээдэг)

харгалзах хөдөлгөөнгүй төлөвүүдийн энергийн зөрүүтэй тэнцүү (En ба Em нь цацраг/шингээлтийн өмнөх ба дараах атомын хөдөлгөөнгүй төлөвүүдийн энерги юм).
Тогтсон тойрог замын тоо m-ээс хөдөлгөөнгүй тойрог замд электрон шилжих nнь атомын энергитэй төлөвөөс шилжихтэй тохирч байна Эмэнергитэй төлөвт En (Зураг 4.1).

Цагаан будаа. 4.1. Борын постулатын тайлбарт

En > Em үед фотоны ялгаралт (атом их энергитэй төлөвөөс бага энергитэй төлөв рүү шилжих, өөрөөр хэлбэл электрон цөмөөс хол байгаа тойрог замаас ойрын тойрог руу шилжих) En үед тохиолддог.< Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

квант шилжилт ба атомын шугамын спектрийг тодорхойлдог.
Борын онол туршилтаар ажиглагдсан устөрөгчийн шугамын спектрийг гайхалтай тайлбарлав.
Устөрөгчийн атомын онолын амжилт нь 200 гаруй жилийн турш ямар ч болзолгүйгээр хүчинтэй хэвээр байгаа сонгодог механикийн үндсэн зарчмуудыг орхисны үр дүнд хүрсэн юм. Тиймээс Борын постулатуудын үнэн зөвийг шууд туршилтаар нотлох, ялангуяа хөдөлгөөнгүй төлөв байдлын талаархи эхнийх нь маш чухал байсан. Хоёрдахь постулатыг энерги хадгалах хууль ба фотон оршин тогтнох тухай таамаглалын үр дагавар гэж үзэж болно.
Германы физикч Д.Франк, Г.Герц нар электронуудын хийн атомуудтай мөргөлдөхийг удаашруулах потенциалын аргаар (1913) судалж байхдаа хөдөлгөөнгүй төлөв байдал, атомын энергийн утгын салангид байдлыг туршилтаар баталжээ.
Устөрөгчийн атомтай холбоотой Борын үзэл баримтлал нь эргэлзээгүй амжилтанд хүрч, спектрийн тоон онолыг бий болгох боломжтой байсан ч Борын онол дээр үндэслэн устөрөгчийн дэргэд гелий атомын ижил төстэй онолыг бий болгох боломжгүй байв. санаанууд. Гелийн атом ба илүү нарийн төвөгтэй атомуудын тухайд Борын онол нь зөвхөн чанарын (маш чухал ч гэсэн) дүгнэлт гаргах боломжийг бидэнд олгосон. Бор атомд электрон хөдөлдөг тодорхой тойрог замуудын тухай санаа нь маш нөхцөлтэй байсан. Үнэн хэрэгтээ атом дахь электронуудын хөдөлгөөн нь тойрог замд байгаа гаригуудын хөдөлгөөнтэй бараг ижил төстэй байдаггүй.
Одоогийн байдлаар квант механикийн тусламжтайгаар аливаа элементийн атомын бүтэц, шинж чанарын талаархи олон асуултанд хариулах боломжтой.

Холбогдох мэдээлэл.

"Атом" (хуваагдах боломжгүй) гэсэн ойлголтыг манай эриний өмнөх 500-200 онд эртний Грекийн гүн ухаантнууд нэвтрүүлсэн. МЭӨ. хүрээлэн буй ертөнцийн бүтцийг дүрслэх. 19-р зууны эцэс хүртэл атомыг хамгийн энгийн хуваагдашгүй бөөмс гэж үздэг байв. Атомын бүтцийн нарийн төвөгтэй байдлын талаархи анхны таамаглал нь цацраг идэвхт байдал, цахилгаан химийн процесс, катодын туяа болон бусад үзэгдлийг судлахад гарч ирэв. Хожим нь цацраг идэвхт бодис нь бөөмсийн урсгал гэдгийг олж мэдсэн: α - He 2+ цөм, β - электрон ба γ - рентген цацраг.

12.1.1 Атомын Резерфордын загвар

1911–1913 онд Э.Рутерфорд металл (алт) тугалган цаасаар α-бөөмийн дамжлагыг судалсан. Туршилтын мөн чанарыг Зураг 12.1-д үзүүлэв.

Зураг 12.1 – α-бөөмийн тугалган цаасаар дамжин өнгөрөх

Ихэнх α-бөөмүүд (давхар ионжсон гелийн атом He +2) тугалган цаасаар дамжин өнгөрч, хазайгаагүй, харин зөвхөн багахан хэсэг нь чиглэлээ өөрчилж, бүр эсрэг чиглэлд шидэгдсэн байв. Үүний үндсэн дээр атомын эзэлхүүний маш бага хэсэгт том масстай эерэг цэнэгтэй бөөмс байдаг бөгөөд α-бөөмүүдтэй мөргөлдөж хөдөлгөөний чиглэлээ өөрчилсөн гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн.

Туршилтын өгөгдлүүд дээр үндэслэн Э.Рутерфорд атомын загварыг санал болгосон бөгөөд үүний дагуу атом нь эерэг цэнэгтэй цөм, атомын дийлэнх хэсэг нь төвлөрсөн бага хэмжээний эзэлхүүнийг эзэлдэг ба сөрөг цэнэгтэй гэрлийн бөөмс - электронуудаас бүрддэг. . Электронууд цөмийн эргэн тойронд эргэлдэж, электрон эргэлтийн төвөөс зугтах хүч нь электронуудыг цөм рүү татах электростатик таталттай тэнцүү байх тохиолдолд ийм систем тогтвортой байж болно. Энэ загварыг нарны аймгийн нэгэн адил гариг ​​гэж нэрлэдэг.

Рутерфордын атомын загвар нь дутагдалтай байсан ч атомын ерөнхий бүтцийн талаар анх удаа зөв ойлголт өгсөн боловч дараахь зүйлийг тайлбарлаж чадаагүй юм.

1) цөм-электрон системийн тогтвортой байдал. Цөмийг тойрон хөдөлж байх үед электрон тасралтгүй энерги ялгаруулж байх ёстой бөгөөд энэ нь электроны тойрог замын радиусыг багасгахад хүргэдэг бөгөөд эцэст нь электрон цөм дээр унах ёстой. Үнэн хэрэгтээ гадны нөлөө байхгүй үед атом нь энерги ялгаруулдаггүй;

2) атомын спектрийн шугамын шинж чанар. Санал болгож буй загварын дагуу электроны тойрог замын радиус тасралтгүй буурч байх ёстой бөгөөд энэ нь тасралтгүй спектрийг бий болгох ёстой. Гэвч атомын спектрийг судалснаар тэдгээр нь шугаман шинж чанартай болохыг харуулсан. Энэ баримт нь электронууд эрчим хүчийг тасралтгүй биш, харин тусдаа хэсгүүдэд ("квант") ялгаруулж, шингээж байгааг харуулж байна.

Данийн физикч Нильс Бор эдгээр зөрчилдөөнийг арилгаж чадсан.

Борын атомын загвар

1900 онд Макс Планк спектрийн харагдах хэсэг дэх цахилгаан соронзон цацрагийн энергийг квантчилсан, өөрөөр хэлбэл. гэрэл ялгарч, тасралтгүй шингэдэг, гэхдээ тусдаа хэсгүүдэд - квантууд. Квантын энерги (E) нь цацрагийн давтамжтай (υ) дараах томъёогоор холбогдоно.

Энд h нь Планкийн тогтмол.

Нильс Бор цацрагийн квант онол дээр үндэслэн атом дахь электрон ямар ч биш, харин хатуу тодорхойлогдсон энергийн утгыг авч чаддаг гэж дүгнэжээ. Электрон нэг энергийн түвшингээс нөгөөд шилжих нь цахилгаан соронзон цацрагийн тодорхой квант ялгарах буюу шингээлт дагалддаг.

Бор цацрагийн квантын онол ба Рутерфордын хэлснээр атомын гаригийн загварт үндэслэн дараах постулатууд дээр үндэслэсэн атомын загварыг санал болгов.

1) атом дахь электрон нь цөмийн эргэн тойронд аль ч хэсэгт биш, зөвхөн тодорхой тойрог замд эргэлдэж чаддаг бөгөөд үүнийг хөдөлгөөнгүй гэж нэрлэдэг;

2) хөдөлгөөнгүй тойрог замд шилжих үед электрон энерги ялгаруулдаггүй;

3) доод тойрог замаас дээд тойрог руу шилжих үед электрон нь харгалзах тойрог замуудын хоорондох энергийн зөрүүтэй тэнцүү энергийг шингээдэг. Электроны энэ төлөвийг өдөөгдсөн гэж нэрлэдэг.Энэ төлөвт ойролцоогоор 10-8 секунд байх ба илүүдэл энерги гаргасны дараа хөдөлгөөнгүй тойрог зам руугаа буцдаг.

Атом дахь электронуудын төлөв байдлын талаархи мэдээллийг электрон шилжилтийн спектрүүдээр хангадаг бөгөөд энэ нь судалгааны аргаас хамааран шингээлтийн болон ялгаралтын спектр (ялгаралтын спектр) гэж хуваагддаг. Дүрслэлээр хэлбэл спектр нь электрон төлөвийн толь гэж хэлж болно. Борын санал болгосон математикийн аппарат нь зөвхөн устөрөгчийн атом ба устөрөгчтэй төстэй атомуудын спектрийг тооцоолох боломжтой болсон.

Борын атомын загварын гол сул талууд:

1) устөрөгчөөс илүү нарийн төвөгтэй атомуудын спектрийг тодорхойлоход загвар хэрэглээгүй;

2) загвар нь устөрөгчийн атомын спектрийн спектрийн шугамын янз бүрийн эрчмийг тайлбарлаж чадаагүй.

12.2 Атомын бүтцийн талаарх орчин үеийн санаа

1924 онд Луи де Бройль аливаа хөдөлгөөнт материалын бөөмс, түүний дотор электронууд долгионы шинж чанартай байх ёстой гэж санал болгосон.

М.Планк (E = h ν) ба А.Эйнштейний (E = mc 2) тэгшитгэлийг нэгтгэн тэрээр аливаа хөдөлгөөнт бөөмийн цацрагийн долгионы уртыг тооцоолох тэгшитгэлийг гаргажээ.

h нь Планкийн тогтмол,

m нь бөөмийн масс, V нь хөдөлгөөний хурд юм.

1927 он гэхэд электроны долгионы шинж чанарыг туршилтаар (электронуудын дифракц ба интерференц) баталжээ. Өөрөөр хэлбэл, атом дахь электроны төлөвийг тодорхойлохын тулд түүний долгионы шинж чанарыг харгалзан үзэх шаардлагатай. Тиймээс бид орон зайн тодорхой мужаас электрон олох магадлалын талаар ярьж болно. Үүнийг харгалзан "орбит" гэсэн нэр томъёог "орбит" гэсэн нэр томъёогоор сольсон.

Орбитал– электрон олох магадлал 90% байх хилийн гадаргуу.

1925 онд Австрийн физикч Шредингер атом дахь электроны төлөвийг электроны долгионы шинж чанарыг харгалзан үздэг математик тэгшитгэл (Шредингерийн тэгшитгэл) ашиглан дүрслэхийг санал болгов. Энэ тэгшитгэл нь аливаа элементийн атом дахь электрон бүтцийг тодорхойлоход тохиромжтой. Энэ тэгшитгэлийн шийдэл нь атом дахь электроны төлөвийг үндсэн, тойрог зам, соронзон, спин гэсэн дөрвөн квант тоогоор тодорхойлж болохыг харуулж байна.

Үндсэн квант тоо (n) нь энергийн түвшний электроны радиус ба энергийг тодорхойлдог.. Энэ нь бүхэл тоон утгыг авч болно: 1, 2, 3, 4 гэх мэт. n том байх тусам электроны радиус, энерги их байх болно.

Орбитын квант тоо (l) дэд түвшний электроны энерги ба электрон үүлний хэлбэрийг тодорхойлдог.Энэ нь 0-ээс (n - 1) хүртэлх бүхэл утгыг хүлээн авдаг. Жишээлбэл, хэрэв үндсэн квант тоо n = 4 бол тойрог замын квант тоо дараах утгыг авч болно: 0; 1; 2; 3. Эдгээр утгууд нь үсгийн тэмдэглэгээтэй байна: s-, p-, d- ба f-электрон үүл.

Соронзон квант тоо (м) дэд түвшний тойрог замын тоог харуулж, -l-ээс +l хүртэлх бүхэл утгыг авна (нийт). 2л + 1 утга). s-, p-, d- болон f-дэд түвшинд тус тус 1, 3, 5, 7 орбитал байдаг.

Спин квант тоо (м с) нь электроны зөв хөдөлгөөнийг тодорхойлдог бөгөөд хоёр утгыг авч болно: +1/2 ба –1/2, өөрөөр хэлбэл хоёр электрон нэг тойрог замд байж болно.

Атомын электрон бүрхүүлийг дүүргэх зарчим:

эрчим хүчний хамгийн бага зарчим - эрчим хүчийг нэмэгдүүлэх дарааллаар тойрог замыг дүүргэх;

Паулигийн зарчим - доторатом нь дөрвөн квант тоо нь ижил хоёр электронтой байж болохгүй;

Хундын дүрэм - дэд түвшний доторх эргэлт хамгийн их байх ёстой.

Хүснэгт 12.1-д бүх дөрвөн квант тоонуудын утгууд ба энергийн түвшин ба дэд түвшний орбитал ба электронуудын хамгийн их тоог харуулав.

Хүснэгт 12.1 - n, l, m-ийн утга, дэд түвшний тойрог замын тоо

(2л + 1), дэд түвшний электронууд (N l) ба түвшний (N n)

n	л	м	2л + 1	Nl = 2(2л+1)	Nn=2n2
	0(ууд)
	0(ууд)
1 (p)	– 1,0,+1
	0(ууд)
1 (p)	– 1,0,+1
2(г)	– 3, – 2, – 1,0,+1,+2
	0(ууд)
1 (p)	– 1, 0, +1
2(г)	– 2, – 1, 0, +1, +2
3(f)	– 3, – 2, – 1,0,+1,+2,+3

Атом дахь электронуудын төлөвийг тодорхойлохын тулд дараахь зүйлийг ашигладаг: электрон томъёо, энергийн диаграм, геометрийн загвар.

Цахим томъёоэлектронуудын тархалтыг харуулж байна

эрчим хүчний түвшин ба дэд түвшин. Жишээлбэл:

Атомын дугаар 8-тай хүчилтөрөгч (O) элементийн хувьд - 1s 2 2s 2 2p 4,

Атомын дугаар 24 – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 4 4s 2-ын хувьд электрон алдагдлыг харгалзан үзэхэд электрон томъёо нь 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3s1 байна. . Электрон алдагдлыг хагас буюу бүрэн дүүргэсэн дэд түвшний (p 3, p 6, d 5, d 10, f 7, f 14) тогтвортой байдал нэмэгдсэнээр тодорхойлогддогтой холбон тайлбарладаг.

Эрчим хүчний диаграмэнергийн эсүүд (орбиталууд) дээр электронуудын тархалтыг графикаар харуулав. Сум нь ердийн байдлаар электрон ба түүний эргэлтийг илэрхийлдэг. Зураг 12.2-т хүчилтөрөгчийн атомын энергийн диаграммыг үзүүлэв.

Зураг 12.2 – Хүчилтөрөгчийн атомын энергийн диаграмм

Геометрийн загвартойрог замын хэлбэр, тэдгээрийн орон зай дахь байршлыг харуулдаг. Зураг 12.3-т хүчилтөрөгчийн атомын геометрийн загварыг үзүүлэв.

Зураг 12.3 – Хүчилтөрөгчийн атомын геометрийн загвар

Хүснэгт дэх элементүүдийн шинж чанарын өөрчлөлтийн үе үе нь атомын энергийн түвшин ба дэд түвшинг электроноор дүүргэх үечилсэн байдлын үр дагавар тул элементийн электрон томьёог түүний үелэх систем дэх байрлал дээр үндэслэн бичиж болно.

Үелэх хууль ба үелэх систем D.I. Менделеев

Д.И. Менделеев элементүүдийн атомын массын өөрчлөлт ба тэдгээрийн химийн шинж чанарыг харьцуулж, үечилсэн хуулийг нээсэн:

"Энгийн биетүүдийн шинж чанар, түүнчлэн элементийн нэгдлүүдийн хэлбэр, шинж чанарууд нь элементүүдийн атомын жингийн хэмжээнээс үе үе хамаардаг."

Атомын бүтцийн талаархи орчин үеийн үзэл бодлын дагуу аливаа элементийн гол шинж чанар нь түүний цөмийн цэнэг байдаг тул үечилсэн хуулийн орчин үеийн томъёолол дараах байдалтай байна.

"Элементүүдийн шинж чанар, түүнчлэн тэдгээрийн үүсгэсэн нэгдлүүдийн шинж чанар, хэлбэр нь тэдгээрийн атомын цөмийн цэнэгээс үе үе хамааралтай байдаг."

Үелэх хуулийн тусгал нь Д.И.Менделеев 1869 онд эмхэтгэсэн элементүүдийн үелэх систем бөгөөд үүнд үе ба бүлгүүд багтдаг.

Хугацаа – элементүүдийн хэвтээ эгнээ.Үелэх системд долоон үе байдаг. f элементүүдийг (лантанид ба актинид) хоёр тусдаа эгнээнд жагсаав. Үеийн үед атомын радиус буурдаг.

Бүлэг – элементүүдийн босоо эгнээ. Бүлгүүдийг үндсэн болон хоёрдогч дэд бүлэгт хуваана. Үндсэн дэд бүлгүүдийн элементүүдийн хувьд гаднах энергийн түвшинг, хоёрдогч дэд бүлгүүдийн хувьд гадаад энергийн өмнөх түвшинг дүүргэдэг. Үндсэн дэд бүлгүүд нь металл ба металл бус, хоёрдогч дэд бүлгүүдэд зөвхөн металлууд байдаг. Хоёрдогч дэд бүлгүүдийг бөглөх нь дөрөвдүгээр үеэс эхэлдэг. Үндсэн дэд бүлгүүдэд атомын радиус нэмэгддэг. Хажуугийн дэд бүлгүүдэд d- ба f-дэд түвшнийг дүүргэхийн дагуу цөмд электронуудын электростатик таталцал нэмэгдэж, үүний үр дүнд атомын радиус бүр буурч болно. Энэ үзэгдлийг d- ба f (лантанидын) шахалт гэж нэрлэдэг. Энэ нь үйл ажиллагааг багасгах, бодисын нягтрал нэмэгдэхэд хүргэдэг. Жишээлбэл, зэсийн дэд бүлгийн (Cu, Ag, Au) хувьд эдгээр металлын нягт нь харгалзах утгатай байна: 8.96, 10.50 ба 19.3 г∕см3.

Нэг дэд бүлэгт байрлах элементүүд нь ижил төстэй химийн шинж чанартай байдаг бөгөөд тэдгээрийг аналог элементүүд гэж нэрлэдэг. Жишээлбэл:

O, S, Se, Te, Po - VI үндсэн дэд бүлэгт байрладаг бөгөөд үүний дагуу аналог элементүүд юм;

Cr, Mo, W нь VI хажуугийн дэд бүлэгт байрлах ба мөн адил төстэй элементүүд юм.

Атомын химийн шинж чанарыг тодорхойлохын тулд иончлолын энерги, электрон ойрын энерги, цахилгаан сөрөг чанар зэрэг хэмжигдэхүүнүүдийг ашигладаг.

Ионжуулалтын энерги– нь өдөөгдөөгүй атом эсвэл ионоос электроныг зайлуулахад шаардагдах энергийн хэмжээ юм.Хоёр дахь болон дараагийн иончлолын энерги нь эерэг цэнэгтэй ионуудаас электроныг зайлуулах явдал юм. Иончлолын энерги нь элементүүдийн багасгах шинж чанарыг тодорхойлдог.

Электрон ойрын энерги – нь төвийг сахисан атомд электрон нэмэхэд ялгарах буюу шингээх энергийн хэмжээ юм.Атомын электрон ойрын энерги өндөр байх тусам тухайн элементийн исэлдүүлэгч бодис илүү хүчтэй байдаг. Металлуудад электрон хамаарал байдаггүй.

Цахилгаан сөрөг чанар (EO) -энэ нь анхааралдаа авсан үнэ цэнэ юм

атомуудын электроныг татах, алдах чадвар.Уламжлал ёсоор литийн харьцангуй цахилгаан сөрөг чанарыг нэгдмэл байдалтай тэнцүү гэж үздэг байсан бөгөөд үлдсэн элементүүдийн электрон сөрөг чанарыг үүнтэй харьцуулсан. Хамгийн бага электрон сөрөг элемент - Fr-ээс хамгийн их электрон сөрөг элемент - F руу шилжих үед цахилгаан сөрөг чанар нэмэгдэж, үүний дагуу металлын шинж чанар суларч, металл бус шинж чанар нэмэгддэг. 22 элемент нь металл бус, үлдсэн нь металл гэж үздэг.

Үелэх систем, үе ба бүлгүүдэд элементүүдийн шинж чанар нь байгалийн жамаар өөрчлөгддөг тул аливаа элементийн шинж чанар нь шинжилж буй элементийн хооронд байрлах элементүүдийн шинж чанарын арифметик дундаж утгатай ойролцоо байна.