Конспект урока атом сложная частица. Строение атома. Атом – сложная частица. Как же развивалась классическая теория строения атома
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Атом- сложная частица. Урок на базе 11 класса (2 часть)
Цель урока. На основе межпредметных связей с физикой рассмотреть квантовые характеристики электронов на основе четырех квантовых чисел и основные закономерности заполнения электронных атомных орбиталей.
Представления о строении атома. Атом- неделимая частица (2500лет назад древнегреческий филосов Демокрит)
Доказательство сложности строения атома 1891 год- ирландский физик Стони- электроны. Джозеф Томсон и Жан Перрен определи и заряд и скорость электрона 1897 гол- Дж. – катодные лучи.
Доказательство сложности строения атома 1895 год- К. Рентген- рентгеновские лучи. 1896-1903 года- А. Беккерель, супруги М.и П. Кюри- явление радиоактивности.
Эрнест Резерфорд.
Модели строения атомав. 1902-1904 года- Дж. Томсон.- « Пудинг с изюмом»; 1911 год- Э.Резерфорд. – « Планетарная модель атома»; 1912 год- Постулаты Н.Бора; 1932 год- открытие нейтронов.
Нильс Бор
Элементарные частицы. частица обозначение масса заряд протон р 1 +1 нейтрон n 1 0 электрон e 0 -1
Двойственная природа частиц микромира. 1900-1905года- М. Планк и А. Эйнштейн – квант света или фотон. Фотон (частица) взаимодействие с фотопленкой (фотография атома водорода).
1925 год- Луи де Бройль- волновые свойства частиц. Интерференция (наложение). Дифракция (огибание). Вероятность.
Орбиталь. Пространство вокруг ядра атома, в котором наиболее вероятно нахождение электрона. Орбиталь включает 90% электронного облака. Здесь содержится преобладающая часть заряда и массы электрона.
Формы движения электронов. S - облако. движение в виде шара. На орбитале может быть максимально 2 электрона.
Порядок заполнения энергетических подуровней.
Квантовые числа. Главное квантовое число (n)- отражает общий запас энергии электрона, нахождение его на определенном энергетическом уровне. Количество электронных уровней совпадает с главным квантовым числом.
Квантовые числа. орбитальное квантовое число (l)- уточняет энергетическое состояние электрона, определяет форму его электронного облака. Принимает значения: s - 0; p -1; d -2; f -3.
Квантовые числа. магнитное квантовое число (m l)- описывает положение электронного облака в пространстве. Принимает значения: s - 0; p - (- 1; 0; +1) d - (- 2; -1; 0; +1; +2) f - (-3;- 2; -1; 0; +1; +2;+3) .
Квантовые числа. спиновое квантовое число (m s)- описывает вращение электрона вокруг своей оси. Принимает значения: -1\2; +1\2.
Давайте вспомним. Определите число элементарных частиц для элементов с порядковыми номерами: 37, 46, 88. Дайте определение понятиям: «химический элемент» и «изотопы». Определите число элементарных частиц для 29 63 С u , 29 65 С u . Общее число электронов у иона 24 52 С r 3+
Давайте решим. Составьте электронные схемы для элементов с порядковыми номерами 4, 6, 9, 16, 27, 36. Определите квантовые числа для них последних элетронов.
Вывод На основе межпредметных связей с физикой рассмотрели квантовые характеристики электронов на основе четырех квантовых чисел и основные закономерности заполнения электронных атомных орбиталей.
Домашнее задание. п. 1-2 Составьте электронные схемы для элементов с порядковыми номерами 5, 7, 11, 18, 26, 33. Определите квантовые числа для них последних элетронов
Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как
была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов
и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения
электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны
входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален,
следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть,
заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму
отрицательных зарядов электронов.
Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Эрнестом
Резерфордом (1871-1937). Резерфорд предложил следующую схему строения атома.
В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по
разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная
сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего
они остаются на определенных расстояниях от ядра. Суммарный отрицательный
заряд электронов численно равен положительному заряду ядра, так что атом в
целом электронейтрален. Так как масса электронов ничтожно мала, то почти вся
масса атома сосредоточена в его ядре. Наоборот, размер ядер чрезвычайно мал
даже по сравнению с размером самих атомов: диаметр атома - величина порядка
10 см, а диаметр ядра - порядка 10 - 10 см. Отсюда ясно, что на долю
ядра и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико,
приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной
системой.
Состав атомных ядер
Таким образом, открытия Резерфорда положили начало ядерной теории атома. Со
времен Резерфорда физики узнали еще очень многие подробности о строении
атомного ядра.
Самым легким атомом является атом водорода (Н). Поскольку почти вся масса атома
сосредоточена в ядре, естественно было бы предположить, что ядро атома водорода
представляет собой элементарную частицу положительного электричества, которая
была названа протоном от греческого слова “протос”, что означает
“первый”. Таким образом, протон обладает массой, практически равной массе атома
водорода (точно 1,00728 углеродных единиц) и электрическим зарядом, равным +1
(если за единицу отрицательного электричества принять заряд электрона, равный
1,602*10 Кл). Атомы других, более тяжелых элементов содержат ядра,
обладающие большим зарядом и, очевидно, большей массой.
Измерения заряда ядер атомов показали, что заряд ядра атома в указанных
условных единицах численно равен атомному, или порядковому, номеру элемента.
Однако невозможно было допустить, так как последние, будучи одноименно
заряженными, неизбежно отталкивались бы друг от друга и, следовательно, такие
ядра оказались бы неустойчивыми. К тому же масса атомных ядер оказалась
больше суммарной массы протонов, обуславливающих заряд ядер атомов
соответствующих элементов, в два раза и более.
Тогда было сделано предположение, что ядра атомов содержат протоны в числе,
превышающем атомный номер элемента, а создающийся таким образом избыточный
положительный заряд ядра компенсируется входящими в состав ядра электронами.
Эти электроны, очевидно, должны удерживать в ядре взаимно отталкивающиеся
протоны. Однако это предположение пришлось отвергнуть, так как невозможно
было допустить совместное существование в компактном ядре тяжелых (протонов)
и легких (электронов) частиц.
В 1932 г. Дж. Чедвик открыл элементарную частицу, не обладающую электрическим
зарядом, в связи с чем она была названа нейтроном (от латинского
слова neuter, что означает “ни тот, ни другой”). Нейтрон обладает массой,
немного превышающей массу протона (точно 1,008665 углеродных единиц). Вслед за
этим открытием Д. Д. Иваненко, Е. Н. Гапон и В. Гейзенберг, независимо друг от
друга, предложили теорию состава атомных ядер, ставшую общепринятой.
Согласно этой теории, ядра атомов всех элементов (за исключением водорода)
состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре определяет значение его
положительного заряда, а суммарное число протонов и нейтронов - значение его
массы. Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием
нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Таким
образом, число протонов в ядре соответствует атомному номеру элемента, а общее
число нуклонов, поскольку масса атома в основном сосредоточена в ядре, - его
массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А. Тогда
число нейтронов а ядре N может быть найдено по разности между массовым числом и
атомным номером:
N = A - Z
Таким образом, протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее
противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с
порядковым номером и атомной массой.
Атом –
сложная частица
«Всё окружающее
нас состоит из
неделимых частиц
или атомов»
Демокрит
(около 460 до н. э. -
около 360 до н. э.)
Рентгеновские лучи
Кристалл
Дифракционная
картинка
Вильгельм Конрад Рентген
В 1895 году
Вюрцбургский университет
Электроны
В 1897 году
Джон Томсон
английский физик
Кембриджский университет
Антуан Анри Беккерель
французский физик
1896 год
Явление радиоактивности
Почернение
Проявленная
фотопластина
Соли урана
Мария Склодовская-Кюри
Пьер Кюри
польская физик-химик
французский физик-химик
В 1903 году
Открытие радия
Открытие
полония
«Пудинговая модель»
Джон Томсон
английский физик
В 1904 году
Электроны совершают колебательные движения, благодаря которым атом испускает электромагнитную энергию, а сам атом – электронейтрален.
Эрнест Резерфорд
английский физик
Рассеяние α-частицы
В 1907 году
«Планетарная модель»
Квантовая теория
Нильс Бор
датский физик
Электроны передвигаются по замкнутым орбитам в соответствии значения своей энергии, которая не выделяется и не поглощается при этом.
В 1913 году
Электрон может переходить из одного в другое разрешённое энергетическое состояние, испуская или поглощая при этом энергию.
Дмитрий Дмитриевич
Вернер Карл
Иваненко
Гейзенберг
русский физик
немецкий физик-теоретик
В 1932 году
Нуклоны = Протоны (Z) + Нейтроны (N)
Протонно - нейтронная
теория
А – массовое число атома
– это разновидности атомов химических
Изотопы
элементов, которые имели одинаковый
атомный номер, но разные массовые числа.
Число электронов
Заряд ядра
Число протонов (Z)
Порядковый номер
Электрон
Массовое
Протонов
Электронов
Изменение числа протонов в атоме приводит к образованию нового химического элемента, потому что изменяется заряд ядра атома.
1 протон (Z)
1 протон (Z)
Изменение числа нейтронов в атоме приводит к изменению атомной массы элемента.
Изотопы водорода отличаются по своим свойствам.
Дейтерий
Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Кислород
Свободные атомы
Простые вещества
кислород
озон
Сложные вещества
СН₃ - О - СН₃
С₂Н ₅ - ОН
Этанол
Диметиловый эфир
Узнали о вкладе ученых всего мира в развитие теории строения атома;
Объяснили существование изотопов на примере водорода;
Рассмотрели элементарный состав атома на примере фосфора.
Понятие «атом» пришло к нам из далекой античности, но совершенно изменило тот первоначальный смысл, который вкладывали в него древние греки (в переводе с греческого «атом» означает «неделимый»). Этимология названия «неделимый» отражает сущность атома с точностью до наоборот. Атом делим и состоит из элементарных частиц.
Сложность строения атома доказана фундаментальными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX в. в результате изучения природы катодных лучей (Дж. Томсон, 1897 г.), открытия явления фотоэффекта (А. Г. Столетов, 1889 г.), открытия радиоактивности химических элементов (А. Беккерель, М. Склодовская-Кюри, 1896-1899 гг.), определения природы α-частиц (эксперименты Э. Резерфорда, 1889-1900 гг.). Ученые пришли к заключению о том, что атомы обладают собственной структурой, имеют сложное строение.
Как же развивалась классическая теория строения атома?
В 1904 г. в работе «О структуре атома» Дж. Томсон дал описание своей модели, получившей образное название «сливового пудинга».
В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома.
В 1913 г. Н. Бор внес в планетарную модель атома Э. Резерфорда квантовые представления.
В 1932 г. была разработана протонно-нейтронная теория ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.
Электроны, протоны и нейтроны называют элементарными частицами.
Каковы же свойства этих частиц?
Корпускулярно-волновые свойства микромира . Элементарные частицы, а также построенные из них атомные ядра, атомы и молекулы имеют ничтожно малые массы и размеры и поэтому обладают своими особыми свойствами, непохожими на те, которые имеют объекты окружающего нас макромира. Они образуют свой, специфический мир - микромир, описываемый законами квантовой механики, которые в значительной степени применимы для частиц с очень маленькими массами и очень большими скоростями.
Квантовая механика характеризует частицы микромира как объекты с двойственной природой - корпускулярно-волновым дуализмом: они являются одновременно и частицами (корпускулами), и волнами.
Корпускулярно-волновой дуализм объектов микромира подтвержден и экспериментально знакомыми вам из курса физики интерференцией и дифракцией электронов, протонов, нейтронов, атомов и т. д.
Электрон - частица, определяющая наиболее характерные химические свойства атомов и молекул. Двойственная природа электрона может быть подтверждена на опыте. Если электроны, испускаемые источником - катодом - пропускать через маленькие отверстия в пластинке, поставленной на их пути, то они, попадая на фотопластинку, вызывают ее почернение. После проявления фотопластинки на ней можно увидеть совокупность чередующихся светлых и темных колец, т. е. дифракционную картину (рис. 1).
Рис. 1.
Электронограммы газов (слева) и кристаллов (справа). Центральное пятно обусловлено нерассеянным пучком электронов, а кольца - электронами, рассеянными под разными углами
Дифракционная картина включает в себя как дифракцию - огибание волной препятствия, так и интерференцию, т. е. наложение волн друг на друга. Эти явления доказывают наличие у электрона волновых свойств, так как только волны способны огибать препятствия и налагаться друг на друга в местах их встречи. Однако, попадая на фотослой, электрон дает почернение лишь в одном месте, что свидетельствует о наличии у него корпускулярных свойств. Будь он только волной, он более или менее равномерно засвечивал бы всю пластинку.
Вследствие дифракции электрон, пройдя отверстие, может в принципе попасть в любую точку фотопластинки, но с разной вероятностью, т. е. можно говорить о вероятности обнаружения электрона в той или иной области фотослоя, а в общем случае - в той или иной области пространства. Поэтому движение электрона и в атоме нельзя рассматривать как движение точечного заряда по строго определенной замкнутой траектории.
Вопросы и задания к § 1
- Назовите те явления, которые прямо или косвенно доказывают, что атом - сложная частица.
- Как развивалась классическая теория строения атома? Какие модели атомов вам известны? В чем их суть? В чем - недостатки?
- Приведите примеры явлений, доказывающих двойственную (дуалистическую) природу частиц микромира.
- В чем отличие объектов микро- и макромира?
- Под элементарными (наименьшими) частицами понимают неделимые частицы. Как такое допущение соответствует утверждению физиков о том, что элементарная атомная частица - электрон - делима? Кстати, именно открытие делимости электрона было удостоено Нобелевской премии в 1998 г.
Понятие «атом» было известно ещё в древности и использовалось для описания представлений об устройстве окружающего мира древнегреческими философами, так Левкипп (500-200 гг. до н.э.) утверждал, что мир состоит из мельчайших частиц и пустоты, а Демокрит назвал эти частицы атомами и считал, что они существуют вечно и способны двигаться. По представлениям древних философов атомы были настолько малы, что не могли быть измерены, а форма и внешнее различие придают свойства определенным телам. Например, атомы железа должны обладать «зубцами», чтобы зацепляться друг за друга и образовывать твердое тело, атомы же воды, напротив, должны быть гладкими и перекатываться, чтобы обеспечивать воде текучесть. Первое предположение о способности атомов самостоятельно взаимодействовать друг с другом было сделано Эпикуром.
Создателем атомно-молекулярного учения считают М.В. Ломоносова, он различал в строении вещества две ступени: элементы (атомы, в нашем понимании) и корпускулы (молекулы). Ломоносов утверждал, что простые вещества состоят из атомов одного вида, а сложные – из различных атомов.
Всемирное признание атомно-молекулярная теория получила благодаря Дж. Дальтону, который, в отличии от древнегреческих философов при формулировании своих утверждений опирался только на экспериментальные данные. Дж. Дальтон ввел одну из важнейших характеристик атома – атомную массу, относительные значения которой были установлены для ряда элементов. Но, несмотря сделанные им открытия атом считали неделимым.
После получения экспериментальных доказательств (конец XIX начало XX века) сложности строения атома: открытие фотоэффекта (испускание носителей электрического заряда с поверхности металлов при их освещении), катодных (поток отрицательно заряженных частиц – электронов, в трубке, в которой имеется катод и анод) и рентгеновских лучей (испускание веществами сильного электромагнитного излучения, подобного видимому свету, но более высокочастотного, при действии на эти вещества катодных лучей), радиоактивности (самопроизвольное превращение одного элемента в другой, при котором происходит испускание электронов, положительно заряженных и других частиц, а также рентгеновского излучения) было установлено, что атом состоит из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой. Эти открытия дали толчок к созданию первых моделей строения атома.
Одна из первых моделей атома была разработана У. Томсоном (1902) По мнению У. Томсона атом – сгусток положительно заряженной материи, внутри – равномерно распределены электроны, а атом водорода представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого электрон (рис. 1а). Эту модель была доработана Дж. Томсоном (1904) (рис.1б). В том же году японский физик Х. Нагаока предложил «сатурнианскую модель» строения атома, предполагая, что атом подобен планете Сатурну – в центре ядро, окруженное кольцами, по которым движутся электроны (рис.1в).
Ещё одну модель предложил немецкий физик Филипп фон Ленард, согласно которой атом состоит из нейтральных частиц крайне малых размеров (вследствие чего, большая часть атома – пустота), каждая из которых – электрический дуплет (рис. 1г).
Рис. 1. Модели строения атома: а – У. Томсона; б – Дж.Томсона; в – Х. Нагаока; г – Ф.Ленарда
После опытов с -частицами, в 1911г. Резерфорд предложил так называемую планетарную модель строения атома, похожую на строение солнечной системы (маленькое положительно заряженное ядро в центре атома, в котором заключена почти вся масса атома, вокруг которого по орбитам движутся электроны). Планетарная модель подверглась дальнейшему развитию в работах Н. Бора, А. Зоммерфельда и др.
Современная модель строения атома основана на знаниях квантовой механики, главный тезис которой – микрочастицы имеют волновую природу, а волны — свойства частиц. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона вокруг ядра. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.
Изотопы
Изотопы – атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разной массой. Такие атомы обладают практически одинаковым строением электронной оболочки и принадлежат одному элементу. Исследование природных соединений разных элементов показывает существование устойчивых изотопов у большинства элементов периодической системы. Для всех элементов периодической системы число изотопов, встречающихся в природе, достигает 280.
Самым ярким примером изотопии можно назвать изотопы водорода –водород, дейтерий и тритий. В природе встречаются водород и дейтерий. Тритий получается искусственно.
Неустойчивые изотопы, т.е., обладающие способностью самопроизвольно распадаться называют радиоактивными изотопами. Они также могут встречаться в природных соединениях некоторых элементов.
Состав ядра атома. Ядерные реакции
В ядре атома содержится множество элементарных частиц, самые важные из которых – протон (p) и нейтрон (n). Масса протона 1,0073 а.е.м., заряд +1, в то время как нейтрон электронейтрален (заряд 0) и обладает массой 1,0087 а.е.м.
Согласно протонно-нейтронной теории строения ядра (Д.Д. Иваненко, Е.Н. Гапон, 1932) ядра всех атомов, исключая водород, состоят из Z протонов и (А-Z) нейтронов (Z – порядковый номер элемента, А – массовое число). Число электронов равно числу протонов.
где N – число нейтронов.
Свойства ядра определяются его составом (чиcлом p и n). Так, например, в атоме кислорода 16 8 О 8 протонов и 16-8=8 нейтронов, что кратко записывается 8p, 8n.
Внутри ядер p и n могут превращаться (при определенных условиях) друг в друга:
где e + — позитрон (элементарная частица с массой, равной массе электрона т зарядом +1), а и — нейтрино и антинейтрино, элементарные частицы с массой и зарядом равными нулю, отличающимися только спином.
Ядерные реакции – превращения атомных ядер, в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом. При написании уравнений ядерных реакций необходимо учитывать законы сохранения массы и заряда. Например: 27 13 Al + 4 2 He = 30 14 Si + 1 1 H.
Особенность ядерных реакций – выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или излучения.
Задания:
1. Определите число протонов, нейтронов и электронов в атомах S, Se, Al, Ru.
2. Закончите ядерные реакции: 14 7 N + 4 2 He = ; 12 6 C + 1 0 n =.
Ответы:
1. S: Z= 16, А = 32, следовательно 16p, 16e, 32-16=16n
Se: Z= 34, А = 79, следовательно 34p, 34e, 79-34=45n
Al: Z= 13, А = 27, следовательно 13p, 13e, 27-13=14n
Ru: Z= 44, А = 101, следовательно 44p, 44e, 101-44=57n
2. 14 7 N + 4 2 He = 17 8 О + 1 1 Н
12 6 C + 1 0 n = 9 4 Be + 4 2 He