Понимание атома, теории, частиц, массы, силы и формы
Понимание атома
Слово «атом» происходит от греческого слова «atomos», что означает «неразрезанный». В соответствии с этим пониманием атомы - это частицы, из которых состоят все очень маленькие по размеру объекты. Внутри атома также есть субатомы, а именно частицы, из которых состоят атомы, которые еще меньше по размеру. Нам трудно представить, насколько малы эти атомы, ведь одна точка в конце этого предложения имеет длину около 20 миллионов атомов. У каждого атома есть ядро, состоящее из протон, нейтроны и электрон
Атом - это основная единица материи, состоящая из ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов с нейтральным зарядом (кроме ядра атома водорода-1, у которого нет нейтронов). Электроны в атоме связаны с ядром атома электромагнитными силами. Такая группа атомов также может связываться друг с другом и образовывать молекулу. Атомы, содержащие одинаковое количество протонов и электронов, нейтральны, а атомы, содержащие разное количество протонов и электронов, являются положительными или отрицательными и называются ионами. Атомы сгруппированы по количеству протонов и нейтронов в атомном ядре. Число протонов в атоме определяет химический элемент атома, а количество нейтронов определяет изотоп этого элемента.
Термин атом происходит от греческого (τομος / átomos, -τεμνω), что означает неделимый или неделимый. Концепция атома как неделимого компонента была впервые предложена индийскими и греческими философами. В XVII и XVIII веках химики заложили основы этой идеи, показав, что определенные вещества не могут быть далее разделены химическими методами. В конце 19 - начале 20 веков физикам удалось открыть структуру и субатомные компоненты внутри атомов, доказав, что «атом» неделим. Принципы квантовой механики, использованные физиками, позже преуспели в моделировании атома. [1]
В повседневных наблюдениях атомы считаются относительно очень маленькими объектами, имеющими пропорционально малую массу. Наблюдать за атомами можно только с помощью специального оборудования, такого как атомно-силовой микроскоп. Более 99,9% массы атома сосредоточено в ядре [примечание 1], при этом протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу. У каждого элемента есть как минимум один изотоп с нестабильным ядром, которое может подвергаться радиоактивному распаду. Это может привести к трансмутации, которая изменяет количество протонов и нейтронов в ядре. [2] Электроны, связанные с атомами, содержат ряд энергетических уровней, или орбитали, которые стабильны и могут переходить между этими уровнями, поглощая или испуская фотоны, соответствующие разности энергий между уровень. Электроны в атоме определяют химические свойства элемента и влияют на магнитные свойства атома.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Различия в элементах, атомах и изотопах и их объяснения
Атомные теории
Атомная теория Джона Далтона
В 1803 году Джон Дальтон высказал свое мнение об атоме. Атомная теория Дальтона основана на двух законах, а именно на законе сохранения массы (закон Лавуазье) и законе фиксированного расположения (закон Пру). Лавозье заявил, что «общая масса веществ до реакции всегда будет равна общей массе продуктов реакции». Между тем, Проутс заявил, что соотношение масс элементов в соединении всегда постоянно. Из этих двух законов Дальтон выдвинул свое мнение об атоме следующим образом:
- Атом - самая маленькая часть материи, которую больше нельзя разделить
- Атом описывается как очень маленький твердый шар, элемент имеет одинаковые и разные атомы для разных элементов, но
- Атомы объединяются, образуя соединения в простых и целочисленных отношениях. Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода.
- Химическая реакция - это разделение, комбинация или перегруппировка атомов, так что атомы не могут быть созданы или разрушены.
Гипотеза Далтона описывается моделью атома как твердый шар, подобный толканию ядра. Как на следующем рисунке: Атомная модель Дальтона. Слабые стороны: теория Дальтона не объясняет взаимосвязь между составными растворами и проводимостью электрического тока.
Атомная теория Дж. Дж. Томсон
Основываясь на изобретении Уильямом Крукерсом усовершенствованной катодной лампы, J.J. Томсон больше исследовал катодные лучи и можно установить, что катодные лучи являются частицами, потому что они могут вращать лопатку, расположенную между катодом и анод. По результатам этого эксперимента Томсон заявил, что катодные лучи - это частицы, составляющие атомы (субатомные частицы), которые имеют отрицательный заряд и в дальнейшем называются электронами.
Атомы - нейтральные частицы, потому что электроны имеют отрицательный заряд, поэтому должна быть другая частица с положительным зарядом, чтобы нейтрализовать отрицательный заряд электрона. На основе этих открытий Томсон исправил слабые места атомной теории Далтона и выдвинул свою атомную теорию, известную как атомная теория Томсона. В нем говорится, что: «Атомы представляют собой твердые шары, которые имеют положительный заряд, а внутри рассеиваются отрицательные заряды электронов».
Эту атомарную модель можно описать как отслоившуюся гуаву. Семена гуавы описывают электроны, которые равномерно распределены в твердом шаре из плоти гуавы, которая в атомной модели Томсона аналогична твердой положительной сфере. Атомную модель Томсона можно описать следующим образом: атом Томсона
Слабые стороны: слабость атомной модели Томсона в том, что она не может объяснить расположение положительных и отрицательных зарядов в атомной сфере.
Атомная теория Резерфорда
Резерфорд и двое его учеников (Ханс Гейгер и Эрнерс Масреден) провели эксперимент, известный как альфа-рассеяние () на тонкой золотой пластине. Ранее были обнаружены альфа-частицы, которые представляют собой положительно заряженные частицы, которые движутся по прямой линии с большой проникающей способностью, так что они могут проникать сквозь тонкие листы бумаги. Фактически эксперимент был направлен на проверку мнения Томсона, а именно, является ли атом действительно положительный твердый шар, который при ударе альфа-частицы будет отражаться или отклонено.
Из их наблюдений было обнаружено, что когда альфа-частицы стреляют в очень тонкую золотую пластину, большая часть альфа-частиц проходит через нее. (есть угловое отклонение менее 1 °), но из наблюдений Марсдена получил тот факт, что одна из 20000 альфа-частиц будет изгибаться на угол 90 ° даже более. На основании возникающих симптомов делаются следующие выводы:
- Атомы не являются твердыми шарами, потому что почти все альфа-частицы проходят через
- Если рассматривать золотую пластину как слой атомов золота, то в атомах золота есть очень маленькие частицы, которые заряжены положительно.
- Эти частицы являются частицами, составляющими атомное ядро, исходя из того факта, что 1 из 20 000 альфа-частиц будет отклоняться. Если соотношение диаметров 1: 20 000 - это отношение диаметров, то размер атомного ядра примерно на 10 000 меньше, чем размер всего атома.
Основываясь на фактах, полученных в результате этих экспериментов, Резерфорд предложил модель атома, известную как модель атома. Резерфорд, который заявил, что атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, окруженного электронами. отрицательно заряженный. Резерфорд подозревал, что в ядре атома есть нейтральные частицы, которые связывают положительные частицы так, чтобы они не отталкивались друг от друга. Слабые стороны: не могу объяснить, почему электроны не попадают в атомные ядра.
Атомная теория Бора
В 1913 году датский физик Нилс Бор исправил отказ атома Резерфорда с помощью своих экспериментов со спектром атома водорода. В этом эксперименте удалось получить обзор состояния электронов, занимающих область вокруг атомного ядра. Объяснение Бором атома водорода включало комбинацию классической теории Резерфорда и квантовой теории Планка, выраженную четырьмя постулатами, а именно:
- Для одного электрона в атоме водорода разрешен только определенный набор орбит. Эта орбита известна как стационарное состояние движения (установившееся) электрона и представляет собой круговой путь вокруг ядра.
- Пока электрон находится на стационарной орбите, энергия электрона остается постоянной, так что энергия в виде излучения не испускается и не поглощается.
- Электроны могут перемещаться только с одной стационарной орбиты на другую. В этом переходе участвует определенное количество энергии, величина которой соответствует уравнению Планка, ΔE = hv.
- Допустимый стационарный путь имеет величину с определенными свойствами, в частности, свойство, называемое угловым моментом. Величина углового момента кратна h / 2∏ или nh / 2∏, где n - целое число, а h - постоянная Планка.
Согласно модели атома Бора, электроны вращаются вокруг ядра по определенным орбитам, называемым электронными оболочками или уровнями энергии. Самый низкий уровень энергии - это самая внутренняя электронная оболочка, чем больше она выходит, тем больше номер оболочки и выше уровень энергии. Слабые стороны: эта атомная модель не может объяснить цветовой спектр многоэлектронных атомов.
Современная атомная теория
Квантово-механическая модель атома была разработана Эрвином Шредингером (1926). До Эрвина Шредингера эксперт из Германии Вернер Гейзенберг разработал теорию квантовой механики, известную как принцип неопределенности, а именно: «Невозможно определить положение и импульс». объект внимательно в то же время, что может быть определено, так это вероятность найти электрон на определенном расстоянии от ядра атом".
Область пространства вокруг ядра с вероятностью получения электронов называется орбиталью. Форма и энергетический уровень орбиталей были сформулированы Эрвином Шредингером. Эрвин Шредингер решил уравнение, чтобы получить волновую функцию, описывающую пределы возможности обнаружения электронов в трех измерениях.
Эта модель атома с электронными орбитальными орбиталями называется современной атомной моделью или квантово-механической моделью атома, которая применима в настоящее время, как показано на следующем рисунке.
Электронное облако вокруг ядра показывает, где, скорее всего, находятся электроны. Орбиты описывают уровень энергии электронов. Орбитали с одинаковым или почти одинаковым уровнем энергии образуют подоболочку. Несколько субскинов объединяются, чтобы сформировать скин. Таким образом, оболочка состоит из нескольких подоболочек, а подоболочка состоит из нескольких орбиталей. Хотя положение кожи такое же, положение глазницы не обязательно такое же.
Характеристики модели атома волновой механики
- Движение электрона имеет волновую природу, поэтому его траектория (орбита) не является стационарной, как модель Бора, а следует квадратичному решению. волновые функции, называемые орбиталями (трехмерные формы с наибольшей вероятностью нахождения электронов с определенными состояниями в a) атом)
- Форма и размер орбиталей зависят от значений трех квантовых чисел. (Электроны, занимающие орбитали, выражаются этими квантовыми числами)
- Положение электрона на расстоянии 0,529 Армстронга от ядра H согласно Бору не является чем-то определенным, но это может быть величайший шанс найти электрон.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Атомные частицы - понимание, история, электроны, протоны, нейтроны, атомные ядра, эксперты
Атомные элементарные частицы
Электрон
Атомная теория Дальтона утверждает, что атомы - это мельчайшие частицы материи. Фактически, атомы можно разделить на составляющие их частицы, а именно на электроны, нейтроны и протоны. Об этом свидетельствуют исследования электрического тока в газе низкого давления. Исследования начались в 1855 году Генрихом Гейслером, которому удалось сконструировать стеклянную трубку низкого давления, названную трубкой Гейслера. В 1859 году Юлиус Плюккер использовал трубку Гейслера в электролизе газовых экспериментов, внутри трубки он установите 2 электродные пластины, электрод на положительном полюсе называется анодом, а электрод на положительном полюсе называется катод. После того, как ему подали высокое напряжение, он увидел луч света, испускаемый катодом. Но Плюккер считает луч обычным электрическим светом.
В 1876 году Юджин Гольдштейн использовал ту же технику, что и Плюккер, но назвал лучи, испускаемые катодом, катодными лучами. Возникает вопрос, являются ли катодные лучи электромагнитными волнами или частицами?
Уильям Крукс в 1880 году модифицировал трубку Гейслера, чтобы создать лучший вакуум, эту трубку назвали трубкой Крукса. Наблюдения Крукса за характеристиками катодных лучей можно сделать следующим образом:
- Катодные лучи движутся по прямой линии.
- Катодные лучи несут заряд, потому что они отклоняются в магнитном поле.
- Катодные лучи имеют массу, потому что они могут вращать маленькую вертушку в трубке.
- Катодные лучи заставляют светиться такие вещества, как газы и другие вещества.
- В конце концов Крукс пришел к выводу, что катодные лучи - это заряженные частицы.
В 1891 году Джордж Джонстон Стони утверждал, что катодные лучи - это частицы, которые он назвал электронами. В 1897 г. Томсон с помощью специальной электронно-лучевой трубки доказал, что катодные лучи представляют собой пучки частиц.
Электроны - это субатомные частицы, которые имеют отрицательный заряд и обычно обозначаются буквой e-. Электрон не имеет известных основных компонентов или субструктуры, поэтому считается, что это элементарная частица. Электрон имеет массу примерно 1/1836 массы протона.
Протон
Протон - это субатомная частица с положительным зарядом 1,6 x 10-19 кулонов и массой 938 МэВ (1,6726231 x 10-27 кг, или примерно в 1836 раз больше массы электрона).
В 1886 году Юджин Гольдштейн доказал существование положительного заряда. Доказательство проводится с помощью электронно-лучевой трубки, в катодной пластине которой сделано отверстие. Он наблюдал путь катодного луча, который распространялся к аноду, на самом деле был другой луч, который двигался в противоположном направлении через отверстие в катодной пластине. Поскольку направления противоположны, лучи должны состоять из положительных зарядов.
Нейтронов
Нейтроны или нейтроны - это субатомные частицы, которые не имеют заряда (нейтральны) и имеют массу 940 МэВ / c.2 (1,6749 х 10-27 кг, немного тяжелее протона.
Открытие нейтронной частицы было инициировано исследованиями Резерфорда, в своих экспериментах он пытался вычислить количество положительный заряд в атомном ядре и масса атомного ядра, и он обнаружил, что масса атомного ядра составляет только половину массы атом. В 1920 году Уильям Дрейпер Харкинс предположил, что в атомном ядре есть и другие частицы, помимо протон, частица имеет почти такую же массу, что и протон, и не имеет заряда, он назвал это нейтроны. До 1932 года Джеймс Чедвик доказывал существование нейтронных частиц.
Открытие этого нейтрона сделало структуру атома более ясной, поскольку атом состоит из атомного ядра с электронами, вращающимися по орбите его оболочки. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Пока электроны заряжены отрицательно.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: 323 Определение энергии по мнению экспертов и типы форм энергии
Спектр атома водорода (модель атома Бора)
Ключом к успеху атомной модели Бора было объяснение формулы Ридберга для спектральных эмиссионных линий атома водорода; Хотя формула Ридберга была известна экспериментально, она так и не получила теоретического обоснования до того, как была введена модель Бора. Не только потому, что модель Бора объясняет причины структуры формулы. Ридберга, он также оправдывает свои эмпирические результаты в терминах фундаментальных физических констант.
Модель Бора - это примитивная модель атома водорода. Теоретически модель Бора можно рассматривать как приближение первого порядка атома водорода. использует более общую и точную квантовую механику и, таким образом, может рассматриваться как модель, которая устарело. Однако из-за своей простоты и точных результатов для данной системы модель Бора по-прежнему преподается как введение в квантовую механику.
На основе анализа атомного спектра Нильс Бор предложил следующую атомную модель:
- В электронах есть определенные пути, по которым электроны могут вращаться вокруг ядра, не испуская и не поглощая энергии. орбита, которую также называют атомной оболочкой, представляет собой круговую орбиту определенного радиуса. каждый путь обозначается целым числом, называемым главным квантовым числом (n), начиная с 1, 2, 3, 4 и так далее, представленными символами K, L, M, N и так далее. Первый путь с n = 1 называется оболочкой K и так далее. чем больше значение n (чем дальше от ядра), тем больше энергия электронов, вращающихся вокруг оболочки.
-
Электроны должны находиться только на разрешенных путях (существующих путях) и не должны находиться между двумя путями. Путь, который пройдет электрон, зависит от его энергии. В нормальных условиях (без внешних воздействий) электроны занимают самый низкий энергетический уровень. Такое состояние называется основным состоянием.
-
электроны могут переходить от одной оболочки к другой с испусканием или поглощением определенного количества энергии. перенос электрона в более глубокую оболочку будет сопровождаться поглощением энергии. И наоборот, перенос электронов на более глубокую оболочку будет сопровождаться выделением энергии.
Если газ помещен в трубку и в трубку протекает электрический ток, газ будет излучать свет. Свет, излучаемый каждым газом, различен и является характеристикой этого газа. Свет излучается в форме линейчатого спектра, а не непрерывного спектра. Считается, что тот факт, что газы излучают свет в виде линейчатого спектра, тесно связан со структурой атома. Таким образом, спектры атомных линий можно использовать для проверки правильности атомной модели.
Линейчатый спектр образует серию светлых цветов с разными длинами волн. Для газообразного водорода, который представляет собой простейший атом, эта серия длин волн имеет определенную закономерность, которую можно выразить в форме математического уравнения. Несколько других позже открыли ряды, отличные от серии Бальмера, так что они были известны как серия Лаймана, серия Пашена, Брекет и Пфунд. Структура этих рядов оказывается похожей и может быть сведена в одно уравнение. Это уравнение называется серией спектра водорода.
В атомной модели Резерфорда электроны вращаются вокруг атомного ядра по орбитам или орбитам. Электроны, которые вращаются по траектории, кажется, движутся по кругу, так что они испытывают ускорение в своем движении. Согласно электромагнитной теории, электроны, испытывающие ускорение, будут непрерывно излучать электромагнитные волны. Это означает, что со временем у электронов закончится энергия и они попадут в зону притяжения атомного ядра. Это означает, что электроны нестабильны. С другой стороны, электроны непрерывно излучают энергию в непрерывном спектре. Это противоречит тому факту, что атомы излучают спектр линий.
Электронная нестабильность и непрерывный спектр как следствие модели атома Резерфорда не соответствуют тому факту, что атомы должны быть стабильными и излучать линейчатый спектр. Требуется другое объяснение, которое может объяснить стабильность атома и линейчатый спектр атома водорода.
Модель атома Бора была предложена Нильсом Бором, который попытался объяснить стабильность атома и линейчатый спектр атома водорода, которые не могли быть объяснены атомной моделью Резерфорда. Атомная модель Бора содержит следующие три постулата.
- в атоме водорода электроны могут двигаться только по определенным разрешенным путям без высвобождения (высвобождения) энергии. Этот путь называется стационарным и имеет определенную соответствующую энергию.
- электроны могут переходить с одного пути на другой. Энергия в виде фотонов света будет высвобождена, если электрон переместится на более глубокий путь, в то время как энергия в виде фотонов света будет поглощаться, так что электроны перемещаются по более траектории за пределами.
- Стационарные пути, которым разрешено занимать электроны, имеют угловой момент, кратный атомному значению.
Атомная модель Бора преуспела в объяснении стабильности электронов путем включения концепции стационарных орбит или путей, по которым электроны могут находиться на своих орбитах, не выделяя энергии. Атомный линейчатый спектр - это еще один эффект модели атома Бора. Линейчатый спектр - это результат действия механизма электронов в атомах, которые могут менять свой путь, поглощая или высвобождая энергию в виде фотонов света.
Таким образом, атомная структура, основанная на атомной модели Бора, заключается в том, что электроны могут находиться на стационарных орбитах с определенными энергиями. Путь электрона можно также рассматривать как уровень энергии электрона. Говорят, что электрон, который находится на определенном стационарном пути с определенным радиусом, имеет определенную энергию. Электроны на n-й орбите имеют следующие радиусы и энергии пути.
Хотя атомная модель Бора может объяснить стабильность атома и линейчатый спектр атома водорода, атомная модель Бора не может использоваться для определения спектра многоэлектронного атома. Кроме того, существуют загадочные спектральные линии из-за эффекта Зеемана, которые все еще нуждаются в дополнительном объяснении. Это слабость атомной модели Бора, которая все еще неполна, хотя и более продвинута, чем атомная модель Резерфорда.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Понимание температуры и измерительных приборов
Атомная масса и сила
Атомный век
Атомы в разных элементах имеют разную массу. Масса зависит от количества протонов и нейтронов в ядре. Атом водорода имеет один протон и не имеет нейтронов, поэтому его атомная масса равна одному. Чем больше атомная масса, тем меньше будет атом.
Атомный номер
Эти атомы разных веществ имеют в своих ядрах неодинаковое количество протонов. Число протонов в ядре называется атомным номером. Если количество протонов в атомном ядре изменится, то атом превратится в атом с другими свойствами, чем раньше.
Атомный стиль
Отрицательно заряженные электроны будут удерживаться на орбите вокруг положительно заряженного ядра за счет электромагнитной силы. Ядерное притяжение, удерживающее в ядре атома как протон, так и нейтрон, является самой мощной силой во Вселенной. Сила в 100 (сто) раз сильнее электромагнитной силы.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Понимание химии - история, отрасли, концепции, промышленность, преимущества
Электрический заряд
Большинство присутствующих атомов имеют нейтральный электрический заряд, что означает количество на положительно заряженных протонах, а также количество отрицательно заряженных электронов такое же Много. Заряды, обладающие этой силой притяжения, нейтрализуют друг друга.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Потенциальная энергия - определение, типы, гравитация, электричество, магнитная, упругая, примеры задач
Атомная форма
Эти атомы имеют различную форму, которые называются изотопами. Каждая из этих форм имеет одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Итак, все изотопы атома имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.
Эти изотопы имеют одинаковые физические свойства, но разные химические свойства. Большинство атомов в элементе относятся к одному типу элементов.