Общая химия/История атомной структуры

Числа, используемые для описания атомов

История атомной структуры

Субатомные частицы

---

Почему история атома так важна?

Для понимания науки принципиально важно, чтобы наука понималась как процесс проб и улучшений, и представляла собой лучшее, что было известно в то время, а не как безошибочный оракул истины. Развитие идеи и её уточнение посредством тестирования больше проявляются в понимании атомной структуры.

Греческие теоретики

Бюст Демокрита (или Демокрита), который выдвинул идею неделимых атомов.

Самым ранним известным сторонником чего-либо, напоминающего современную атомную теорию, был древнегреческий мыслитель Демокрит. Он предложил существование неделимых атомов в ответ на аргументы Парменида и парадоксы Зенона.

Парменид выступал против возможности движения, изменения и множественности, исходя из предпосылки, что что-то не может возникнуть из ничего. Зенон попытался доказать точку зрения Парменида серией парадоксов, основанных на трудностях с бесконечной делимостью.

В ответ на эти идеи Демокрит постулировал существование неразрушимых атомов, которые существуют в пустоте. Их неразрушимость дала Зенону ответ, а пустота позволила ему объяснить множественность, изменение и движение. Ему оставалось объяснить свойства атомов и то, как они связаны с нашим опытом объектов в мире.

Демокрит предположил, что атомы обладают немногими фактическими свойствами, причем размер, форма и масса являются наиболее важными. Все остальные свойства, утверждал он, можно объяснить с помощью трех основных свойств. Например, гладкое вещество может состоять в основном из гладких атомов, в то время как шероховатое вещество состоит из острых. Твердые вещества могут состоять из атомов с многочисленными крючками, с помощью которых они соединяются друг с другом, в то время как атомы жидких веществ обладают гораздо меньшим количеством точек соединения.

Демокрит предложил 5 пунктов для своей теории атомов. Вот они:

1. Вся материя состоит из атомов, которые являются частицами материи, слишком маленькими, чтобы их можно было увидеть. Эти атомы НЕ МОГУТ быть разделены на более мелкие части.
2. Между атомами есть пустота, то есть пустое пространство.
3. Атомы полностью твердые.
4. Атомы однородны, без внутренней структуры.
5. Атомы различаются по размеру, форме и весу.

Алхимия

Хотя алхимия была бесполезной, алхимики придумали несколько полезных методов, включая дистилляцию (показано здесь).

Огонь, который Лавуазье показал как химическую реакцию, а не элемент.

Эмпедокл предположил, что существует четыре элемента: воздух, земля, вода и огонь, и что все остальное является их смесью. Это убеждение было очень популярно в средние века и положило начало науке алхимии. Алхимия основывалась на вере в то, что поскольку все состоит только из четырех элементов, вы можете преобразовать смесь в другую смесь того же типа. Например, считалось, что свинец можно превратить в золото.

Проблема алхимии была выявлена ​​Антуаном Лавуазье, когда он нагрел металлическое олово в запечатанной колбе. На поверхности плавящегося олова появился сероватый пепел, который Лавуазье нагревал до тех пор, пока не перестал образовываться пепел. После того, как колба остыла, он перевернул ее и открыл под водой. Он обнаружил, что вода поднялась на одну пятую часть в стакан, что привело Лавуазье к выводу, что сам воздух является смесью, причем одна пятая часть соединилась с оловом, а остальные четыре пятых — нет, что показывает, что воздух не является элементом.

Лавуазье повторил эксперимент снова, заменив олово ртутью, и обнаружил, что произошло то же самое. Однако после медленного нагрева он обнаружил, что пепел выделяет воздух, что показывает, что эксперимент можно провести в обратном порядке. Он пришел к выводу, что пепел представляет собой соединение металла и кислорода, что он доказал, взвесив металл и пепел и показав, что их общий вес больше, чем у исходного металла.

Затем Лавуазье заявил, что горение не является элементом, а представляет собой химическую реакцию топлива и кислорода.

Джон Дальтон

Современная атомная теория родилась вместе с Дальтоном, когда он опубликовал свои теории в 1803 году. Его теория состоит из пяти важных пунктов, которые сегодня считаются в основном верными: (из Википедии)

• Элементы состоят из мельчайших частиц, называемых атомами.
• Все атомы данного элемента идентичны.
• Атомы данного элемента отличаются от атомов любого другого элемента; атомы разных элементов можно отличить друг от друга по их относительному весу.
• Атомы одного элемента могут объединяться с атомами других элементов, образуя химические соединения; данное соединение всегда имеет одинаковое относительное количество типов атомов.
• Атомы не могут быть созданы, разделены на более мелкие частицы или разрушены в химическом процессе; химическая реакция упрощённо изменяет способ группировки атомов.

Теперь мы знаем, что элементы имеют разные изотопы, которые имеют немного разный вес. Кроме того, ядерные реакции могут делить атомы на более мелкие части (но ядерные реакции на самом деле не считаются «химическими» реакциями). В остальном его теория актуальна и сегодня.

Дмитрий Менделеев

В конце 1800-х годов русскому ученому Дмитрию Менделееву приписывают создание одной из первых организованных периодических таблиц. Организовав каждый элемент по атомному весу, он каталогизировал каждый из 56 элементов, открытых в то время. Помимо атомного веса, он также организовал свою таблицу, сгруппировав элементы в соответствии с известными свойствами.

Во время написания серии учебников Менделеев понял, что у него заканчивается место для рассмотрения каждого элемента по отдельности. Он начал регулярно «переносить» элементы на следующую строку и создал то, что сейчас называется периодической таблицей элементов. Используя свою таблицу, он предсказал существование позднее открытых элементов, таких как «экалюминий» и «экакремний» (галлий и германий) в соответствии с закономерностями, найденными ранее. Его предсказания были успешными, доказав, что его таблица была исключительно точной. Более поздние теории, теории электронов вокруг атома, объясняют, почему элементы в одном периоде или группе имеют схожие химические свойства. Позже химики организовали каждый элемент по атомному номеру, а не по атомному весу, что дало начало современной Периодической таблице элементов.

Дж. Дж. Томсон

Открытие электрона

Катодные лучи на самом деле состоят из электронов.

В 1889 году британский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон. Томсон провел ряд экспериментов с использованием «электронно-лучевой трубки». Катодные лучи создаются путем герметизации двух электродов в стеклянной трубке, подключенной к источнику напряжения, и вакуумного насоса, удаляющего из нее воздух. Когда электроды подключены к высокому напряжению около 15000 В и низкому давлению, пучок излучения испускается из отрицательного электрода (катода), движущегося к положительному электроду (аноду). Эти лучи называются зелеными лучами, называемыми катодными лучами. (1) Говорят, что луч направляется к трубке Фарадея (золотой электроскоп) и заряжается индукцией и отклоняет положительно заряженный золотой электроскоп (2) На пути лучей было помещено свободно вращающееся лопастное колесо, и оно могло его перемещать, предполагая, что у него есть импульс (3) Луч был помещен в магнитное и электрическое поле, движущееся к северному и положительному полюсу соответственно

Томсон обнаружил, что катодные лучи движутся по прямым линиям, за исключением случаев, когда они изгибаются электрическими или магнитными полями. Катодные лучи отклонились от отрицательно заряженной пластины, Томсон пришел к выводу, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц; сегодня мы называем их электронами. Томсон обнаружил, что он может производить катодные лучи, используя электроды из различных материалов. Затем он пришел к выводу, что электроны были обнаружены во всех атомах и они более чем в тысячу раз меньше протонов. Томпсон использовал аппарат для определения отношения заряда к массе (e/m) после появления луча он поместил магнитное поле известного магнитного влияния, и лучи отклонились к северу в определенное положение, затем он добавил электрическое поле, чтобы вернуть луч в исходное положение, и записал заряды, используемые электрическим полем, поэтому он разделил их, чтобы получить отношение около -1,7*10^8 кг

Атомная модель «Пуддинг с изюмом»

Вскоре после открытия электрона Томсон начал размышлять о природе атома. Он предложил модель «Пуддинг с изюмом». В этой модели кусочки «сливы» были электронами, которые плавали в «пудинге» с положительным зарядом, чтобы соответствовать заряду электронов и образовывать электрически нейтральный атом. Современной иллюстрацией этой идеи было бы шоколадное печенье с чипсами, представляющими отрицательно заряженные электроны, а тесто — положительный заряд.

Резерфорд

Файл:Результаты эксперимента Резерфорда с золотой фольгой.svg

Результаты эксперимента с золотой фольгой опровергли модель «пудинга со сливой»: альфа-частицы должны были пройти насквозь (вверху), но некоторые из них отклонились под большими углами (внизу).

Эрнест Резерфорд известен своим знаменитым экспериментом с золотой фольгой в 1911 году. Альфа-частицы, которые являются тяжелыми и положительно заряженными (на самом деле, ядра гелия, но это не относится к делу), были выстрелены в очень тонкий слой золота. Большинство альфа-частиц прошли насквозь, как и ожидалось. Согласно модели сливового пудинга, «все» частицы должны были замедлиться, проходя через «пудинг», но ни одна не должна была быть отклонена. Удивительно, но несколько альфа-частиц были отклонены обратно туда, откуда они пришли. Он заявил, что это было «как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся и ударил вас».

Результат эксперимента позволил Резерфорду сделать вывод, что модель сливового пудинга неверна.

• У атомов есть ядро, очень маленькое и плотное, содержащее положительный заряд и большую часть массы атома.
• Атом в основном состоит из пустого пространства.
• Электроны притягиваются к ядру, но остаются далеко за его пределами.

Нильс Бор

Модель атома Бора имеет оболочки с пронумерованными сферическими уровнями энергии — чем больше число, тем больше сфера и более высокие уровни энергии. Волна, выходящая из рисунка слева, возникла из-за прыжка электрона, в результате чего образовался фотон. (Размеры уровней не в масштабе.)

Бор создал свою собственную модель атома, улучшив модель Резерфорда. Бор использовал уравнение, разработанное Ридбергом, которое обеспечивало математическую связь между видимыми спектральными линиями атома водорода. Уравнение требует, чтобы длины волн, испускаемых атомом водорода, были связаны с разностью двух целых чисел. Бор предположил, что эти целые числа представляют собой «оболочки» или «орбиты», по которым электроны движутся вокруг ядра, каждая из которых имеет определенный уровень энергии. Энергия орбиты пропорциональна ее расстоянию от ядра. Атом поглощает и испускает фотоны с определенным количеством энергии. Энергия является результатом перехода электрона на другую оболочку. Начиная с уравнения Ридберга, а также с работ Планка и Эйнштейна о связи между светом и энергией, Бор смог вывести уравнение для расчета энергии каждой орбиты в атоме водорода. Модель Бора изображает атом как ядро ​​с электронами, вращающимися вокруг него на определенных расстояниях. Эту модель также называют планетарной моделью.

Роберт Милликен

Роберту Милликену приписывают «Эксперимент с каплей масла», в котором была определена величина заряда электрона. Он создал механизм, с помощью которого он мог распылять капли масла, которые попадали в пучок рентгеновских лучей. Пучок рентгеновских лучей заставлял капли масла заряжаться электронами. Капли масла находились между положительно заряженной пластиной и отрицательно заряженной пластиной, которые при приложении соответствующего электрического напряжения заставляли каплю масла оставаться неподвижной. Роберт Милликен измерил диаметр каждой отдельной капли масла с помощью микроскопа.

Милликен смог вычислить массу каждой капли масла, поскольку знал плотность масла (Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle объем * плотность = масса} ). Используя массу каждой капли масла и уравнение для силы гравитационного притяжения (которое он переформулировал из Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle Сила = mG} в $m_{droplet}G=Ee$, где $m_{droplet}$ — масса каждой отдельной капли масла, $G$ — ускорение под действием силы тяжести, а $Ee$ — электрическая сила, которая равна силе в первом уравнении), Милликен смог найти значение заряда электрона, $e$.

Однако рентгеновские лучи не всегда создавали каплю масла только с одним отрицательным зарядом. Таким образом, полученные Милликаном значения могли выглядеть следующим образом:

• $-8.0*10^{-19}$ кулонов
• $-6.4*10^{-19}$ кулонов
• $-4.8*10^{-19}$ кулонов
• $-3.2*10^{-19}$ кулонов

Милликен обнаружил, что все эти значения имеют общий делитель: $-1.6*10^{-19}$ кулонов. Он пришел к выводу, что разные значения возникали из-за того, что капли приобретали заряды -5, -4, -3 и -2, как в этом примере. Таким образом, он заявил, что общий делитель, $-1.6*10^{-19}$ кулонов, был зарядом электрона.