Вы когда-нибудь задумывались, из чего сделаны вещи вокруг вас? Скажем, вы смотрите на стол, вы можете назвать стол из дерева. Но даже в этом случае, когда вы посмотрите в зеркало, вы скажете, что оно сделано из стекла. По сути, эти два материала имеют разные характеристики, но знаете ли вы, что они оба состоят из одного вещества? Имя ему атом.
Атомы - это мельчайшие частицы элемента, которые принимают участие в химических реакциях. Из-за их чрезвычайно малого размера их невозможно увидеть даже в самый сильный световой микроскоп. Из них самым маленьким является атом водорода.
Модели атома
Ученые веками изучали эти мельчайшие частицы, но не смогли определить их внешний вид. Только в 1808 году Дальтон опубликовал свою теорию строения атома. С тех пор атомные модели развивались вместе с последними открытиями. На этот раз мы обсудим различные модели атома, предложенные учеными.
Теория Далтона
Джон Далтон - британский химик, физик и метеоролог, который первым опубликовал исследования о существовании атомов. Дальтон объяснил, что материя состоит из неделимых частиц, называемых атомами.
К сожалению, дальнейшие исследования показали, что сам атом делим и состоит из субатомных частиц. Субатомные частицы состоят из электронов, протонов и нейтронов. С тех пор ученые пытались предложить различные модели, учитывая положение этих субатомных частиц, включая Дж. Дж. Томсона и Резерфорда.
Атомная модель показывает атомную структуру и расположение субатомных частиц внутри атома. Открытие протонов и электронов заставило ученых утверждать, что атомы состоят из протонов и электронов, которые уравновешивают свои заряды. Они обнаружили, что протоны находятся внутри атома, а электроны - снаружи и легко отделяются.
Ученые предложили 4 модели атома, а именно модель, предложенную Томсоном, Резерфордом, Бором, и квантово-механическую модель.
Модель атома Томсона
Джозеф Джон Томсон был британским лауреатом Нобелевской премии физиком, который первым предложил модель атома. Фактически, он опубликовал их до открытия протона и атомного ядра. В своей теории Томсон считал атомы похожими на хлеб из изюма или модель сливового пудинга, потому что электроны в сфере положительного заряда выглядели как сушеные фрукты в рождественском пудинге.
(Также прочтите: Знайте слои Земли на основе их слоев и химического состава)
Эта модель предполагает, что атом состоит из положительно заряженного шара со встроенными в него электронами. Атом может иметь нейтральный заряд, потому что у него одинаковые отрицательный и положительный заряды.
Модель ядерного атома Резерфорда
Эрнест Резерфорд - физик и химик из Новой Зеландии, живущий в Англии. Он предложил модель атома после проведения эксперимента, известного как эксперимент по рассеянию Резерфорда. Он и двое его учеников провели эксперименты по рассеянию альфа-лучей на тонкой золотой пластине.
Резерфорд считал, что общий положительный заряд атома сосредоточен в очень маленькой области, известной как ядро. Электроны вращаются вокруг ядра атома с высокой скоростью по круговым траекториям, называемым орбитами. Электростатическое притяжение между ядром и электронами удерживает электроны на их траектории.
Модель Резерфорда также показала, что количество протонов равно количеству электронов и известно как атомный номер. Между тем, если объединить количество протонов и количество нейтронов, значение будет таким же, как атомное массовое число.
К сожалению, модель атома Резерфорда не смогла объяснить стабильность атома. Согласно электромагнитной теории, заряженные частицы теряют энергию при ускорении. Потеря энергии может замедлить скорость электронов, и в конечном итоге электроны будут притягиваться к ядру, а атомы разрушатся. Кроме того, модель атома Резерфорда также ничего не объясняла о распределении электронов и их энергиях. Более того, эта атомная модель также не может объяснить линейчатый спектр, обеспечиваемый каждым элементом.
Модель атома Бора
Чтобы ответить на недостатки атомной модели Резерфорда, особенно в отношении линейчатого спектра и атомной стабильности, Нильс Бор затем опубликовал свою собственную атомную модель. Он сказал, что электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным круговым орбитам, называемым энергетическими оболочками или уровнями энергии. Электроны, вращающиеся в энергетической оболочке, связаны с фиксированным количеством энергии. Эти энергетические оболочки пронумерованы 1, 2, 3 и так далее от атомного ядра или указаны как оболочки k, l, m и так далее.
Расположение электронов в атоме известно как электронная конфигурация. Электронная конфигурация может помочь объяснить, как атомы связаны друг с другом. Заполнение атомных оболочек электронами начинается с заполнения самой внутренней оболочки или оболочки с наименьшей энергией. Максимальное количество электронов, которое может занять оболочку, равно 2n2.
Квантовая механика Атомная теория
К сожалению, модель атома, предложенная Бором, не смогла объяснить спектр атомов водорода ни в магнитном, ни в электрическом полях. На это попытался ответить австрийский физик Эрвин Шредингер. Он разработал атомную теорию, основанную на принципах квантовой механики. Модель, предложенная Шредингером, не сильно отличается от модели Бора в том, что атом имеет положительно заряженное ядро и окружен отрицательно заряженными электронами. Разница заключается в положении электронов, окружающих атомное ядро.
В своей теории Бор утверждал, что электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам на определенном расстоянии от ядра атома, которое называется атомным радиусом. Но в квантовой теории положение электронов, окружающих атомное ядро, не может быть известно с уверенностью, согласно принципу неопределенности Гейзенберга. Следовательно, наибольшая вероятность того, что электрон окажется на этой орбите. То есть можно сказать, что область наибольшей вероятности обнаружения электронов в атомах находится на орбиталях.
Квантовая механическая модель также утверждает, что движение электронов вокруг атомного ядра обладает свойством дуализма, как это было предложено де Бройлем. Поскольку движение электронов вокруг ядра имеет волнообразный характер, уравнение движения электронов вокруг ядра должно быть связано с волновой функцией.
Шредингер дополнил свою теорию уравнением, в котором говорится, что движение электронов вокруг атомного ядра, связанное с дуалистической природой материи, может быть выражено в декартовых координатах. Это уравнение стало известно как уравнение Шредингера.
Из этого уравнения Шредингер произвел три квантовых числа, а именно главный квант (n), азимутальный квант (A) и магнитный квант (m). Эти три квантовых числа представляют собой простые целые числа, указывающие вероятность нахождения электронов вокруг атомного ядра. Решение уравнения Шредингера дает три квантовых числа. Орбиталь выводится из уравнения Шредингера, так что существует связь между орбиталью и всеми тремя числами.
