Пермський державний педагогічний університет
Реферат по темі
Еволюція уявлень про будову атома.
Чи є межа системі елементів Менделєєва?
Виконав студент 141 групи
Попов Ілля
Пермь 2002
ЗМІСТ
Виникнення атомістики 3
Атомістика в послеарістотелевскую епоху 5
Подальший розвиток атомістики (XIX ст.) 5
Періодичний закон. Чи є межа системи елементів Менделєєва? 6
Інтерпретація періодичного закону 9
Aтом Резерфорда-Бора 10
Моделі atоma до бору 10
Відкриття атомного ядра 11
Atom бору 13
Виникнення квантової механіки (1925 - 1930 рр.) 16
Труднощі теорії бору 16
Ідеї де Бройля 18
Відкриття спина 18
Список використаної літератури 19
Виникнення атомістики
Питання про будову навколишнього світу завжди хвилювало людини. Початоксучасній науці про будову речовини було покладено в античному світі,роботами давньогрецьких вчених різних шкіл - іонійської, елеатской,піфагорейської.
Ідея первинної матерії (праматері) іонійців була дуже привабливою інеодноразово в тій чи іншій формі відроджувалася у фізиці.
Допитливі мислення стародавніх греків побудувало концепцію елементів, зяких побудована Всесвіт. Вперше ця концепція була висунута
Емпедокла (близько 490-430 рр.. До н.е.). «Емпедокл,-говорив грецькийфілософ і історик науки Тео-Фраст, - припускає чотири матеріальнихелементу, а саме: вогонь, повітря, воду та землю, ці елементи, будучивічними, змінюються за кількістю та величиною шляхом з'єднання і розділення.
Існують два начала, за допомогою яких елементи приводяться в рух -
Любов і Ворожнеча, бо елементи повинні піддаватися двоякому руху, асаме: то з'єднанню шляхом Любові, то розділення шляхом ворожнечі ».
Таким чином, все розмаїття речей, за Емпедоклу, обумовленопоєднанням чотирьох різних елементів, а причиною зміни в природіє дія привабливих і отталківательних сил, які у
Емпедокла носять назви-Любов і Ворожнеча.
Істотно, що Емпедокл ясно стверджував загальне початок збереження. Йогоелементи вічні й неразрушими. «Ніщо не може відбутися з нічого, і ніякне може те, що є, знищитися ». З цього принципу Емпедокла іпочинається історія законів збереження, які грають таку фундаментальну рольв сучасній фізиці.
З V ст. до н.е. центр грецької науки сконцентрувався в Афінах. Тутз'явилися перші наукові школи. Тут вчив Гіппократ математик, філософ іфізик Анаксагор (близько 500-428 рр.. до н. е..), який створив вчення про «насінні»всіх речей і рушійний початку «НПУ» (дух), які повідомили елементів матеріїобертальний рух, у результаті якого утворилася Земля і всі речі.
Анаксагор був сучасником засновників атомістики Левкіппа і Демокріта
(близько 460-370 рр.. до н.е.).
Демокріт написав безліч творів з різних галузей науки:математики, фізики, філософії та ін Основні положення теорії Демокрітавідтворюються в багатьох сучасних книжках з фізики та філософії майжеодними і тими ж словами:
1. З нічого не відбувається нічого. Ніщо існуюче не може бутизруйновано. Всі зміни відбуваються завдяки поєднанню і розкладаннячастин.
2. Ніщо не відбувається випадково, але все відбувається з якого-небудьоснови і з необхідністю.
3. Не існує нічого, крім атомів і чистого простору, все іншетільки погляд.
4. Атоми нескінченні за кількістю і нескінченно різноманітні за формою. У вічномупадінні через нескінченний простір великі, які падають швидше,вдаряються про менші; що виникають з цього бічні руху і вихори служатьпочатком утворення світу. Незліченні світи утворюються і знову зникаютьодні поряд з іншими і одні після інших.
5. Різниця між речами походить від відмінності їх атомів в числі,величині, формі і порядку; якісного розходження між атомами НЕіснує. В атомі немає ніяких «внутрішніх станів»; вони діють одинна одного лише шляхом тиску і удару.
6. Душа складається з тонких, гладких і круглих атомів, подібних атоміввогню. Ці атоми найбільш рухливі, та утворення їх, що проникають в тіло,виробляють всі життєві явища.
Атомне вчення, пройшовши через століття, витримало запеклу боротьбу зідеалізмом і стало основою всього сучасного природознавства.
У навчанні атомістів відіграє істотну роль принцип збереження, який,як ми бачимо, був уже у іонійців. Новим моментом є допущенняпорожнечі. Ні в іонійців, ні в піфагорійців, ні в елеа-тов порожнечі немає місця.
У системі Демокріта немає місця для якогось «розуму», що виробляєрух частинок, рух атомів вічно і не потребує особливого початку.
Що рухаються в порожньому нескінченному просторі атоми, стикаючись один зодним, роблять всі речі і незліченні світи. Пусте нескінченнепростір Демокріта - це абсолютно новий елемент картини світу, і йогопоява викликано успіхами геометрії.
Сам Демокріт був великим математиком. У математичних доказах
Демокріта величезну роль грала Атомістика. Атомами лінії були точки,атомами поверхні - лінії, атомами обсягів-тонкі листки.
Успіхи геометрії формували уявлення про порожньому просторі,позбавлене будь-яких чуттєво відчутних властивостей. Лінії, поверхні,геометричні тіла ставали абстрактними образами, чистою формою.
Простір, властивості якого надалі описав Евклід, є чистоюпротяжністю, позбавленої матеріального утримання, і ареною рухуатомів, вмістилищем усіх тіл природи. Згідно з ученням атомістів нескінченнопорожнього простору і атомів достатньо для опису різноманітних явищсвіту, в тому, числі соціальних і психічних. Вчення атомістів-моністичноївчення, за яким матерія і рух-основи буття.
До 431-404 рр.. до н.е. наступив занепад Афін і афінської демократії.
Відбувалися глибокі зміни в ідеології. Матеріалістична системаіонійців і атомістів витіснила ідеалістичної філософією Сократа
(469-399 рр.. До н.е.) і його учня Платона (427-347 рр.. До н.е.). Суспільствовідчувало потребу в систематизованому науковому знанні, і на долю учня
Платона, знаменитого мислителя давнини Арістотеля випала завдання скластисистематичний звід наукових знань свого часу.
Наукова спадщина Арістотеля величезна. Воно утворює повну енциклопедіюнаукових знань свого часу. Мабуть, жоден вчений не надавав такоготривалого і глибокого впливу на розвиток людської думки, як
Аристотель. Його погляди приймалися за істину протягом кількох століть. Усередньовічних європейських університетах природознавство містилося по
Арістотелем, якого називали предтечею Христа в тлумаченні природи.
Він визнавав об'єктивне існування матеріального світу і йогопізнаванності. Але одночасно він вірив в існування богів,протиставляв земний і небесний світи, шукав вищу мету природи і т. п.
Аристотель був хрещеним батьком науки про світ. Назва його книги,присвяченої дослідженню природи ( "фізика"), стало назвою фізичноїнауки.
Суттєвим моментом у поданні Арістотеля про матерії є те,що вона сама по собі є тільки можливістю виникнення реальноїречі, деяким пасивним початком природи. Для того щоб річ сталареальністю, вона повинна отримати форму, яка перетворює можливість удійсність. Будь-яка річ є єдність матерії і форми, в природівідбуваються постійні переходи матерії до форми, форми в матерію. Звідсивиникає вчення Арістотеля про чотирьох діючих причини: 1)матеріальної; 2) формальний; 3) виробляє; 4) кінцевої. Активнавиробляє причина є рух, кінцева - мета.
Вчення про чотири причини набуло великого поширення в середністоліття, став наріжним каменем схоластики.
У своїй «фізиці» Аристотель докладно розбирає погляди своїхпопередників - іонійців, еліатів, Анаксагора, Левкіппа і Демокріта напершооснови світу. Він критикує погляди атомістів, які визнають порожнечу інезліченну безліч атомів і світів, тому що, на його думку, ця точказору призводить до логічних суперечностей. Нескінченна мислимо тільки вможливості ( «потенційна нескінченність»), реальний світ кінцевий іобмежений і побудований з кінцевого числа елементів.
Поняття порожнечі, за Арістотелем, також веде до суперечностей здійсністю. Правильно підмітив, що середовище чинить опірруху і тим більше, чим вона щільніше, Арістотель приходить до висновку, щонескінченне розріджений порожній простір призводило б до нескінченногоруху. Це, на його думку, неможливо. Під час відсутності опорушвидкість тіла була б нескінченною, що також неможливо. Цікаво, щоіншим аргументом проти порожнечі є цілком правильний висновок
Аристотеля про однакову швидкості падіння всіх тіл в порожнечі, так само як івисновок про нескінченному інерціальній русі. У реальних умовах рухзвичайно і тіла падають з різною швидкістю. Арістотель вважає, що, чимважче тіло, тим швидше воно падає.
Пустота, невагомість, за Арістотелем, неприродні, неможливі.
Аристотелівською фізик-це людина, що живе в повітряному середовищі на нерухомої
Землі, в поле тяжіння цієї Землі і не мислячий світ без цих атрибутів. УВідповідно до повсякденними уявленнями Аристотель приймаєгеоцентричну систему світу і концепцію обмеженою Всесвіту,розшарованої на сфери руху небесних світил.
Природознавство належало пройти тривалий шлях пошуків і боротьби, щобдійти іншого світорозумінню дається.
Атомістика в послеарістотелевскую епоху
Війни Олександра Македонського змінили обличчя стародавнього світу і привели взіткнення грецьку і східну цивілізації. З цього контакту виниксплав культури, що грає велику роль у світовій історії.
В історії науки і культури стародавнього світу розпочався новий період, який отримавназву елліністичного, який тривав від утворення елліністичнихдержав (кінець IV-початок III ст. до н.е.).
Останнім блискучий представник афінської науки був Епікур (341-270 рр..до н. е..), який розвинув вчення Демокріта про природу.
Вчення Епікура про природу засноване на концепції атомів Демокріта, аледекілька відмінному. Значний розмах атомної теорії. Існування атомів
Епікур, а за ним і Лукрецій намагаються пояснити всі природні,психічні та соціальні явища. Саме уявлення про атомах виводиться здобре відомих фактів. Так, білизна сохне тому, що під дією сонцяі вітру від нього відриваються невидимі частинки води, рука мідної статуї уміських воріт, до якої торкаються в поцілунку губи входять у місто,помітно тонше в порівнянні з іншою рукою, тому що під час поцілунку губи забираютьчастки міді.
Атоми перебувають у хаотичному русі, і Лукрецій малює модельруху атомів, уподібнюючи його руху пилинок в сонячному промені,ввірвалися в темну кімнату. Це перший в історії науки картинамолекулярного руху, написана древнім автором. Саме хаотичнерух атомів Епікур пояснює інакше, ніж Демокрит. Епікур не визнаєвідмінності у швидкості падіння малих і великих атомів; в порожньому просторівсі частинки рухаються з однаковою швидкістю. Але в деякі моментимимовільно виникають випадкові невеликі відхилення тієї чи іншоїчастинки від прямолінійного шляху. Ці відхилення Епікур вважав необхідними,щоб пояснити вільну волю людей, так що атоми як би також володіютьякоюсь «свободою волі».
Геніальні здогади стародавніх атомістів визначили майбутній успіх атомноїтеорії матерії.
Атомістика Епікура - Лукреція продовжувала лінію наукового розвиткудоарістотелевского періоду. Але Атомістика послеарістотелевской епохи носитьі істотно нові риси: вона більш конкретна, більш «фізична», за теорію
Аристотеля і Атомістика Демокріта. Атоми Демокріта по суті чистогеометричні образи, вони характеризуються тільки формою і обсягом. У
Епікура і Лукреція атоми мають вагою, щільністю (твердістю) і,нарешті, внутрішньою здатністю до мимовільних відхилень відпрямолінійного руху.
Природознавство в цю епоху стало переходити зі сфери абстрактного,філософського міркування про природу у сферу конкретних фактів і явищ.
Евклід (жив у III ст. до н.е.) підсумував і систематизував математичнізнання своїх попередників, з яких його вчителем був знаменитий вчений
Евдокс Кнідський. «Начала» Евкліда представляють собою виклад тієїгеометрії, яка відома і понині під назвою евклідової геометрії.
Евклідова простір порожній, безмежне, ізотропне, що має тривимірювання. Евклід надав математичну визначеність атомістичної ідеїпорожнього простору, в якому рухаються атоми. Найпростішим геометричнимоб'єктом у Евкліда є точка, яку він визначає як те, що немає частин. Іншими словами, точка-це неподільний атом простору.
Подальший розвиток атомістики (XIX ст.)
Всеосяжність принципів термодинаміки, відкритих і розроблених до цьогочасу і, зокрема, другий початку, змушувала фізиків-теоретиківшукати причини універсальної мощі термодинаміки.
У результаті в науці виникли два напрями: феноменологічне іатомістичне. Феноменологічного напряму не вважало за необхіднешукати більш глибоких причин фізичних процесів, що воно обмежувало завданнявивчення природи описом явищ на основі експериментально встановленихпринципів. Енергетики Гельм, Оствальд та інші вважали енергію основнимпоняттям науки, а такі поняття, як «матерія», «сила», похідними і навітьзайвими.
Що стосується подання про атомах і молекулах, то енергетики, а такожвіденський фізик Ернст Мах, один з видних прихильників феноменологічногонапрямки, вважали ці уявлення продуктами чистої фантазії,аналогічними уявленнями про відьом і привидів.
Однак такі видатні представники науки, як Клаузіус, Максвелл, а потім
Больцман, з успіхом розробляли молекулярно-кінетичну теорію.
Максвелл, Клаузіус, Больцман, Гіббс, розвиваючи фізичну Атомістика,шукали закони, що керують поведінкою колективу атомів і молекул, роблячи поможливості прості гіпотези про будову самих атомів. У XIX ст. єдинимзасобом спостерігати взаємодії атомів і визначати їх індивідуальніособливості були хімічні реакції. Саме в надрах хімічної атомістикинародилася перша гіпотеза про будову всіх атомів з атомів водню (Проут,
1815).
У 1859 р. було зроблено важливе відкриття в оптиці, фізик Густав Кірхгос
(1824-1887) і хімік Роберт Бунзен (1811-1899) відкрили спектральний аналіз,дав у руки хімікам новий могутній засіб дослідження.
Періодичний закон. Чи є межа системи елементів Менделєєва?
У 1869 р. вже було відомо 63 хімічних елементи. У цьому ж році
Д. І. Менделєєв відкрив фундаментальний закон розподілу елементів усистему, яку він назвав періодичною системою хімічних елементів.
До цього протягом більше ста років у науковому світі панувалакартина світу, яку цілком висловив 1808 своєю працею «Нова системахімічної філософії »Джон Дальтон.
Вже було відомо, що водень, кисень, сірка та інші речовини --прості тіла складаються з атомів одного сорту, а вода, аміак, вуглекислий газтощо - складні, створені комбінацією атомів різних речовин. Це цілкомпідтверджувалося дослідами того часу.
Хімічні реакції, за Дальтон, полягають у тому, що атоми вступаютьодин з одним у різні комбінації, утворюючи «складні атоми» (молекули),потім ці молекули розпадаються, утворюються нові молекули і т. д., подібнодо того як танцюристи, переходячи від одного танцю до одного, утворюють новікомбінації. Але самі атоми при цьому залишаються незмінними і вічними: міняєтьсятільки їх розподіл.
«Кожна частка води, - говорить Дальтон у своїй" Хімічної філософії ", - вточності схожа на будь-яку іншу частку води; кожна частка водню вточності схожа на будь-яку іншу частку водню і т. д. Хімічнерозкладання і хімічна сполука означають лише те, що атоми віддаляютьсяодин від одного або ж знову зчіплюються разом. Але хімік не здатнийзнищити матерію або створити її знову. Намагатися створити або знищитихоча б один атом водню так само безнадійно, як намагатися додати щеодну планету до Сонячній системі або знищити яку-небудь зіснуючих планет. Все, що ми можемо зробити, - це роз'єднати атоми,що з'єдналися або зчепилися один з одним, або ж поєднати ті атоми,довіді зараз знаходяться на великій відстані один від одного ».
« Хімічна філософія », викладена в цих рядках Дальтона, дійсностала філософією цілого ряду поколінь хіміків і фізиків. Неможливістьстворення хоча б одного нового атома даного хімічного елемента,неможливість перетворення одних атомів в інші - все це було необхіднимвисновком з усього величезного досвідченого матеріалу, на якому грунтуваласянаукова хімія.
У цьому пункті Дальтон не зовсім сходився з Бойл, який в 1661 роціписав, що хоча атоми залишаються незмінними при всіх хімічних явищах, алепроте колись буде знайдений якийсь «сильний і тонкий агент», здопомогою якого вдасться розбити атоми на більш дрібні частини і перетворитиодні атоми в інші.
Ця думка Бойля здавалася Дальтон чистою фантазією: жоден хімічнийфакт не вказував на те, що атоми можливо розбивати на частини і перетворюватиодна в одну.
У 1816 грду несподівано знайшовся один прихильник Бойля, який намагавсяпідтвердити її фактами. Це був Вільям Праут, який надрукував у журналі
«Філософські аннали» статтю, де звертав особливу увагу на той факт,що всі атомні маси, які визначив Дальтон, виражаються цілимичислами. Це - дуже чудовий факт, говорив Праут, адже якби атомивсіх хімічних елементів були первинними, основними частками, справжніми
«Цеглою світобудови», нерозкладними на частини і анітрохи не пов'язанимиодин з одним, то яка могла б бути причина того, що атом азоту рівно вп'ять разів перевершує за масою атом водню, а атом кисню - рівно осім разів?
Думка Праута ось яке: атом азоту, який, за Дальтон, рівно о п'ятійразів перевершує за масою атом водню, - це і є п'ять атомів водню,дуже тісно зчеплених один з одним; атом кисню - це сім атомівводню, тісно зчеплених один з одним; атом ртуті-це 167 тіснопритиснуті один до одного водневих атомів і т. д. Виходить, що все насвітлі полягає в кінцевому рахунку з водню.
А чим же пояснити, що все-таки в хімічних дослідах ніяк не вдається,наприклад, розкласти кисень на водень? Дуже просто, відповідає Праут, всесправа в тому, що коли сім атомів водню зчіплюються, щоб утворитиатом кисню, то вони зчіплюються набагато тісніше, ніж тоді, коли,наприклад, атом водню і атом кисню зчіплюються, щоб утворитимолекулу води. Тому-то в хімічних дослідах і вдається розкласти молекулуводи на атом водню і атом кисню, але ні як не вдається розкласти атомкисню на сім атомів водню.
Стаття Праута була дуже переконлива, - багато хто повірив в те, що воденьє дійсно «первинне речовина», з якої складається все на світі.
Одна тільки була біда - ті хімічні аналізи, грунтуючись на яких
Дальтон вирахував свої атомні маси, були дуже вже неточні. Якщо провестианалізи ретельніше і обчислити атомні маси точніше, то виявляться вони по -як і раніше, цілими числами?
За грандіозну роботу точного визначення атомних мас взявся знаменитийшведський хімік Йені Якоб Берцеліус. Берцеліус, більше ніж будь-кому-небудьіншому, хімія зобов'язана тим, що вона стала точною наукою. Протягом своєїжиття Берцеліус проаналізував більше двох тисяч різних хімічнихз'єднань, і результати його аналізів відрізняються від самих точних теперішніхрезультатів не більше ніж на 1-2%.
Берцеліус прагнув визначити склад молекули так, щобзадовільно пояснити якомога більшу кількість хімічних фактів. Такимчином Берцеліус виявив, наприклад, що молекула води складається не з двохатомів, а з трьох - одного кисневого та двох водневих, що молекулааміаку складається з чотирьох атомів - одного азотного і трьох водневих, і т.д. Все це призвело до того, що хоча роботи Берцеліуса і дали блискучепідтвердження основних ідей Дальтона, але отримані Дальтон конкретніцифри - атомні маси - суцільно виявилися невірними.
Таким чином, гіпотеза Праута, яка була заснована на тому, що атомні маси елементів - точні цілі числа в той час не підтвердилася.
< br>| Таблиця хімічних елементів, їх символів і атомних мас *) |
| № | Назва і символ | Ат. маса | № | Назва і символ | Ат. |
| | | | | | Маса |
| 1 | Водень Н | 1,008 | 37 | Рубідій Rb | 85,468 |
| 2 | Гелій Чи не | 4,003 | 38 | Стронцій Sr | 87,62 |
| 3 | Літій Li | 6,941 | 39 | Іттрій Y | 88,906 |
| 4 | Берилій Be | 9,012 | 40 | Цирконій Zr | 91,22 |
| 5 | Бор В | 10,811 | 41 | Ніобій Nb | 92,906 |
| 6 | Вуглець С | 12,011 | 42 | Молібден Мо | 95,94 |
| 7 | дзот N | 14,007 | 43 | Технецій Ті | 98,906 |
| 8 | Кисень 0 | 15,9994 | 44 | Рутеній Ru | 101,07 |
| 9 | Фтор F | 18,998 | 45 | Родій Rh | 102,905 |
| 10 | Неон Ne | 20,179 | 46 | Паладій Pd | 106,4 |
| 11 | Натрій Na | 22,990 | 47 | Срібло Ag Кадмій Cd | 107,868 |
| 12 | Магній Mg | 24,305 | 48 | | 112,40 |
| 13 | Алюміній AI | 26,981 | 49 | Індій In | 114,82 |
| 14 | Кремній Si | 28,086 | 50 | Олово Sn | 118,69 |
| 15 | Фосфор Р | 30,974 | 51 | Сурма Sb | 121,75 |
| 16 | Сірка S | 32,06 | 52 | Телур Ті | 127,60 |
| 17 | Хлор С1 | 35,453 | 53 | Йод I | 126,905 |
| 18 | Аргон Аг | 39,948 | 54 | Ксенон Хе | 131,30 |
| 19 | Калій К | 39,098 | 55 | Цезій Cs | 132,905 |
| 20 | Кальцій Са | 40,08 | 56 | Барій Ва | 137,33 |
| 21 | Скандій Sc | 44,956 | 57 | Лантан La | 138,906 |
| 22 | Титан Ti | 47,90 | 58 | Церій Се | 140,12 |
| 23 | Ванадій V | 50,941 | 59 | Празеодім Рг | 140,908 |
| 24 | Хром Сг | 51,996 | 60 | Неодим Nd | 144,24 |
| 25 | Марганець Мп | 54,938 | 61 | Прометій РШ | 146 |
| 26 | Залізо Fe | 55,847 | 62 | Самарій Sm | 150,4 |
| 27 | Кобальт Со | 58,933 | 63 | Європій Їй | 151,96 |
| 28 | Нікель ^ Ni | 58,70 | 64 | Гадоліній Gd | 157,25 |
| 29 | Мідь Сі | 63,546 | 65 | Тербій ТЬ | 158,925 |
| 30 | Цинк Zn | 65,38 | 66 | Диспрозій Dy | 162,50 |
| 31 | Галій Ga | 69,72 | 67 | Гольмій Але | 164,930 |
| 32 | Германій Ge | 72,59 | 68 | Ербій Ег | 167,26 |
| 33 | Миш'як As | 74,922 | 69 | Туллій Тих | 168,934 |
| 34 | Солоне Se | 78,96 | 70 | Ітербій Yb | 173,04 |
| 35 | Бром ВГ | 79,904 | 71 | Лютецій Lu | 174,97 |
| 36 | Криптон Кг | 83,80 | 72 | Гафній Hf | 178,49 |
Зауважимо все ж, що дуже багато атомні маси, особливо на початкутаблиці, дуже близькі до цілих числах, іноді в точності їм рівні,наприклад, у фтору і вуглецю, а інколи відрізняються від них менше ніж на
0,01, наприклад, у водню, гелію, азоту, натрію і т. д. Це дивнеобставина змушує як ніби поставитися з деяким увагою догіпотезі Праута, тому що важко собі уявити, щоб це могло бутирезультатом чистого випадку, але тим не менш такі атомні маси, як умагнію або хлору, не кажучи вже про численні елементах з великимиатомними масами, все-таки примушують відкинути припущення про те, щовсі атоми складаються з атомів водню.
Тому в XIX столітті абсолютно зміцнилося і поширилосяуявлення про те, що всі тіла у світі складаються з цих кількохдесятків сортів атомів які є абсолютно незалежними один відодного основними елементами світобудови. Атоми вічні й неразрушими і не можутьперетворюватися одна в одну.
І все ж, незважаючи на все це, серед фізиків і хіміків продовжувало житинеясне переконання в тому що між атомами різних хімічних елементівє якісь зв'язки, що ці атоми утворюють якусь природнусистему.
У 1786 році німець Н. Г. Марні надрукував книгу, має назву «Про числіелементів ». У цій книзі містичної і дивною, він висловлює своє глибокепереконання в тому, що «від найменшої порошинки сонячного проміння до найсвятішогосерафима можна спорудити цілу сходи творінь »і що атоми хімічнихелементів теж є ступенями цих сходів.
Ця ідея Марні не могла призвести до жодних наслідків, поки хімічніелементи не були в достатній мірі виділені і вивчені. Але після того, як
Канніпцаро опублікував (у 1858 році) свою таблицю атомних мас, прагненнядо природної класифікації хімічних елементів мало принести своїплоди.
У 1863 році англієць Дж. А. Ньюлендса, скориставшись атомними масами
Канніццаро, знайшов, що якщо розташувати елементи в порядку зростання їхатомних мас, то такий список елементів природно розкладається на октави,тобто на рядки по сім елементів у кожній, де кожен елемент маєвеликою схожістю з однаковим за номером елементом попередньої і наступноїоктав. Наведемо перші три октави Ньюлендса:
Н, Li, Be, В, С, N, О;
F, Na, Mg, Al, Si, P, S;
С1, К, Са, Сг , Ti, Mn, Fe.
Аналогія виявляється в тому, що всі елементи, що стоять на другому місці всвоєї октаві (літій, натрій, калій), є так званими лужнимиметалами, які утворюють з'єднання з одного і того ж типу, наприкладщо дають солі LiCI, NaCl, KC1; елементи, що стоять на третьому місці в октаві
(берилій, магній, кальцій), є так званими лужноземельнимиметалами, що дають теж схожі один на одного, але вже іншого типуз'єднання, наприклад солі BeCl, MgCl, CaCl. Фтор дуже схожий за своєюхімічною природою на що стоїть під ним хлор, азот виявляє деякіаналогією з фосфором, кисень - із сіркою і т. д. Зауважимо, втім, що всевиходить так гарно і переконливо лише в першому октавах Ньюлендса: уподальших октавах було набагато більше плутанини, і в деяких випадках дляїї усунення Ньюлендса дозволив собі відступити від прийнятого ним плану ірозташовувати елементи не зовсім в порядку зростання атомної маси.
Через кілька років після цієї спроби Ньюлендса вона була повторенадвома іншими вченими, які працювали над питанням природної класифікаціїелементів абсолютно незалежно один or одного. Одним з них був Юліус
Мейер, іншим-Дмитро Іванович Менделєєв, професор університету в Санкт-
Петербурзі. І Мейер, і Менделєєв зрозуміли, що можуть існувати іелементи, ще не відкриті хіміками, а тому, якщо цього вимагаєкласифікація, можна залишати в таблиці пропуски, що відповідають ще невідкритим елементів.
Крім того, вони визнали схему Ньюлендса з її однаковими рядками надмірновузькою і припустили, що рядки (періоди) можуть ставати довшим до кінцятаблиці.
Вже в четвертому рядку таблиці класифікація зажадала залишенняпорожніх місць. На цих порожніх місцях повинні знаходитися якісь ще невідкриті елементи. Три такі елементи Менделєєв заочно точно описав і пізнішевони були відкриті.
Також немає нічого неможливого в існуванні у природі елементів затомною масою, більшою урану. В наші дні такі «трансуранові» елементибули отримані штучно.
Цілком можна стверджувати, що межі таблиці не існує і отриманняабо знаходження інших трансуранових елементів - це справа майбутнього.
Така, в загальних рисах, вчення про атомах хімічних елементів, створене
Дальтон і визначила весь подальший розвиток хімії в XIX столітті.
, за допомогою якого в підсумку був розшифрований періодичний закон.
Випускання а-частинки призводить до зміщення радіоелементів на два місця ліворуч вперіодичній системі (у напрямку зменшення маси). Але проходженнярадіоактивних рядів через періодичну систему не прямолінійний, азигзагоподібну, так що перетворюється радіоелементів часто повертаєтьсятому-на те ж місце, яке займав раніше в періодичній системі йогоматеринський продукт. Коли це відбувається, то виявляється, що материнськийрадіоелементів і його наступний продукт розпаду - ізотоп (що займає той жес, моє місце в періодичній системі) мають однакові хімічні властивості,незважаючи на розходження в їхніх атомних масах.
Інтерпретація періодичного закону
У 1911 р. був сформульований закон радіоактивних зсувів (періодичнийзакон), який в його закінченої формулюванні виявився надзвичайно простимі не допускає ніяких винятків. Він став справжнім фундаментом.
Згідно з цим законом, випускання (-частки веде до зміщення радіоелементівна одне місце праворуч в періодичній системі, а випускання а-частинки - дозсуву радіоелементів на два місця в зворотному напрямку. Оскількибагато а-розпади супроводжуються двома наступними ((-розпаду, то в такихвипадках третій продукт розпаду завжди повертається - на тлі періодичноїсистеми - на місце вихідного а-випромінювача, будучи хімічно тотожнимз ним, не дивлячись на різницю в чотири одиниці в їхніх атомних масах. У 1913 р.вони були названі ізотопами або ізотопними елементами; цей термін означає,що вони займають одне й те саме місце в періодичній системі. Ізотопи двохрізних елементів можуть мати однакову атомну масу, і тоді їх називаютьізобарами. Рідше ізотопи одного і того ж елемента можуть мати однаковуатомну масу, але різну стабільність, тобто одна з них радіоактивний, адругий-ні.
Оскільки а-частинки має зарядом в два позитивні одиниці, а заряд
(-частинки дорівнює одиниці зі знаком мінус, то відразу стало очевидним, щоперіодичний закон відображає зв'язок між хімічними властивостями нвнутріатомної зарядом, але не масою. В даний час періодичний законє in cxtcnto (всюди) виразом, по-перше, атомної (дискретної)природи електрики і, по-друге, нового виду атомістики.
Aтом Резерфорда-Бора
Моделі atоma до бору
Але повернемося до послідовного викладу розвитку уявлень пробудову атома.
Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, іквантової теорії - з іншого, привели до створення квантової моделі атома
Резерфорда - Бора. Але створенню цієї моделі передували спроби побудуватимодель атома на основі уявлень класичної електродинаміки імеханіки. У 1904 р. з'явилися публікації про будову атома, що належатьодин японському фізику Хантаро Нагаока, інша-англійському фізику Д.
Томсону.
Нагаока виходив з досліджень Максвелла про стійкість кілець Сатурна іпредставив будову атома аналогічну будові сонячної системи: роль
Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколоякого по встановлених кільцеподібних орбітах рухаються
«Планети»-електрони. При незначних зсувах електрони збуджуютьелектромагнітні хвилі, періоди яких, за розрахунками Нагаока, того жпорядку, що й частоти спектральних ліній деяких елементів.
В атомі Томсона позитивну електрику «розмазані» по сфері, уяку вкраплені, як родзинки в пудинг, електрони. У найпростішому атоміводню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. Приусунення з центру на електрон діє квазіупругая силаелектростатичного тяжіння, під дією якої електрон здійснюєколивання. Частота цих коливань визначається радіусом сфери, зарядом імасою електрона, і якщо радіус сфери має порядок радіусу атома, частотацих коливань збігається з частотою коливання спектральної лінії атома. Убагатоелектронних атомах електрони розташовуються по стійкихконфігураціях, розрахованих Томсоном. Томсон вважав кожну такуконфігурацію визначальною для хімічної властивості атомів. Він зробив тортуритеоретично пояснити періодичну систему елементів Д. І. Менделєєва.
Цю спробу Бор пізніше назвав «знаменитої» і зазначив, що з часу цієїспроби «ідея про поділ електронів в атомі на групи зробилася вихіднимпунктом і більше нових поглядів ». Відзначивши, що теорія Томсона виявиласянесумісною з досвідченими фактами, Бор проте вважав, що ця теорія
«Містить багато оригінальних думок і зробила великий вплив на розвитокатомної теорії ».
У 1905 р. В. Він виступав з доповіддю про електронах на з'їзді німецькихприродознавців і лікарів у Мюнхені. Тут він, зокрема, вказував натрудність пояснення лінійчатих спектрів атомів з точки зору електронноїтеорії. Він говорив: «Простіше за все було б розуміти кожен атом як планетнусистему, яка складається з позитивно зарядженого центру, навколоякого звертаються електрони як планети. Але така система не може бутистійкою внаслідок випромінюваної електронами енергії. Тому ми змушенізвернутися до системи, в якій електрони перебувають у відносному спокоїабо володіють незначними швидкостями, хоча таке подання містить багатосумнівного ».
Такий статичною моделлю був атом Кельвіна - Томсона. І ця модель булазагальноприйнятою з причин, зазначених Вином.
Зрештою виявилося, що нові досліди спростовують модель
Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі, факти цібули відкриті Резерфордом.
24 травня 1907 в Манчестері Резерфорд розгорнув величезну, залучаючимолодих вчених з різних країн світу. Одним з його діяльних співробітниківбув німецький фізик Ганс Гейгер, творець першого лічильника елементарнихчасток - лічильника Гейгера. У Манчестері з Резерфордом працювали Е. Марсден,
К. Фаянс, Г. Мозлі, Г. Хевеши та інші фізики і хіміки.
У Манчестер в 1912 р. приїхав Нільс Бор.
У цій атмосфері колективного наукової творчості народилися великінаукові досягнення Резерфорда, з яких у першу чергу слід зазначитирозгадку природи а-частинок і відкриття ядерної будову атома.
Сюди ж слід приєднати знамениті статті Бора з квантової теоріїпланетарного атома. У Манчестері було покладено початок квантової таядерноїфізики.
Відкриття атомного ядра
Уподібнення атома планетарна робилося ще на самому початку XX в. Алецю модель було важко поєднати з законами електродинаміки, і вона булазалишена, поступившись місцем моделі Томсона. Однак в 1904 р. почалисядослідження, що призвели до утвердження планетарної моделі.
Одна з тем, висунута Резерфордом в Манчестері,-розсіяння а-частинок. Вонабула доручена Гейгером і Марсденом.
Метод, що застосовувався для дослідження, полягав у наступному: а-частинки,випускаються джерелом, діафрагміровалісь щілиною потрапляли на екран зсірчистого цинку. на якому виходило зображення щілини у вигляді вузькоїсмужки. Потім між щілиною і екраном поміщали тонку металевуплатівку, зображення щілини розмивалося, що вказувало на розсіяння а -частинок речовиною платівки. Досліджуючи кут розсіювання, Гейгер встановив, щонайбільш ймовірний кут розсіювання пропорційний атомній вазі і назадпропорційний кубу швидкості частинки.
Але найбільш вражаючим виявився факт, відкритий Гейгером і Марсденом у
1909 р., - існування великих кутів розсіювання. Певна, дуженевелика частина а-частинок (приблизно 1/8000) розсіюється на кут, більшийпрямого, відкидаючи, таким чином назад до джерела. Тонка пластинівідкидала частки, що летять з великою швидкістю. Як раз в тому ж, 1909році Резерфорд і Ройдс незаперечно довели, що а-частинки єдвічі іонізованими атомами гелію. Для таких важких швидко рухаютьсячастинок розсіювання на великі кути прямого, здавалося вельми неймовірним.
Резерфорд говорив, що це так само неймовірно, як якби куля відскакуваливід листа цигаркового паперу.
Одне з можливих пояснень аномального розсіювання полягало в тому що воноскладається з багатьох невеликих кутів відхилень, викликані атомамирозсіює речовини.
Виходячи з моделі Томсона, Резерфорд підрахував, що це не може давативеликих відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут
Резерфорд звернувся до планетарної моделі.
Коли а-частинка проходить повз зарядженого ядра, то під впливомкулонівському сили, пропорційної заряду ядра і заряду а-частинки і назадпропорційною квадрату відстані між ними, вона рухається по гіперболи,віддаляючись за її гілки після проходження повз ядра. Її прямолінійний шлях,таким чином, викривляється, і вона відхиляється на кут розсіювання ф.
1 березня 1911 Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестерідоповідь «Розсіювання а-і (-променів і будова атома». У доповіді він говорив:
«Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такийатом, який складається з центрального електричного заряду,зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичнимрозподілом протилежної електрики рівної величини. При такомупристрої атома а-і (-частки, коли вони проходять на близькій відстанівід центра атома, зазнають великі відхилення, хоча імовірність такоговідхилення мала ".
Резерфорд розрахував ймовірність такого відхилення і показав, чт
