бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьСтроение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева?

невозможность превращения одних атомов в другие — все это было необходимым

выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась

научная химия.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году

писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но

тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с

помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить

одни атомы в другие.

Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический

факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать

друг в друга.

В 1816 грду неожиданно нашелся один сторонник Бойля, пытавшийся

подтвердить ее фактами. Это был Уильям Праут, который напечатал в журнале

«Философские анналы» статью, где обращал особенное внимание на тот факт,

что все атомные массы, которые определил Дальтон, выражаются целыми

числами. Это — очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы

всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными

«кирпичами мироздания», неразложимыми на частя и нисколько не связанными

друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в

пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода — ровно в

семь раз?

Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять

раз превосходит по массе атом водорода,— это и есть пять атомов водорода,

очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода — это семь атомов

водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути—это 167 тесно

прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на

свете состоит в конечном счете из водорода.

А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается,

например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все

дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать

атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда,

например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать

молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу

воды на атом водорода и атом кислорода, но ни как не удается разложить атом

кислорода на семь атомов водорода.

Статья Праута была очень убедительна,— многие поверили в то, что водород

есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете.

Одна только была беда — те химические анализы, основываясь на которых

Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны. Если провести

анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-

прежнему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс взялся знаменитый

шведский химик Йене Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь

другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. В течение своей

жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических

соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних

результатов не больше чем на 1—2%.

Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы

удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким

образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух

атомов, а из трех — одного кислородного и двух водородных, что молекула

аммиака состоит из четырех атомов — одного азотного и трех водородных, и т.

д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее

подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные

цифры — атомные массы — оказались сплошь неверны.

Таким образом, гипотеза Праута, которая была основана на том, что

атомные массы элементов — точные целые числа в то время не подтвердилась.

|Таблица химических элементов, их символов и атомных масс *) |

|№ |Название и символ |Ат. масса|№ |Название и символ |Ат. |

| | | | | |масса |

|1 |Водород Н |1,008 |37 |Рубидий Rb |85,468 |

|2 |Гелий Не |4,003 |38 |Стронций Sr |87,62 |

|3 |Литий Li |6,941 |39 |Иттрий Y |88,906 |

|4 |Бериллий Be |9,012 |40 |Цирконий Zr |91,22 |

|5 |Бор В |10,811 |41 |Ниобий Nb |92,906 |

|6 |Углерод С |12,011 |42 |Молибден Мо |95,94 |

|7 |Дзот N |14,007 |43 |Технеций Те |98,906 |

|8 |Кислород 0 |15,9994 |44 |Рутений Ru |101,07 |

|9 |Фтор F |18,998 |45 |Родий Rh |102,905 |

|10 |Неон Ne |20,179 |46 |Палладий Pd |106,4 |

|11 |Натрий Na |22,990 |47 |Серебро Ag Кадмий Cd|107,868 |

|12 |Магний Mg |24,305 |48 | |112,40 |

|13 |Алюминий AI |26,981 |49 |Индий In |114,82 |

|14 |Кремний Si |28,086 |50 |Олово Sn |118,69 |

|15 |Фосфор Р |30,974 |51 |Сурьма Sb |121,75 |

|16 |Сера S |32,06 |52 |Теллур Те |127,60 |

|17 |Хлор С1 |35,453 |53 |Йод I |126,905 |

|18 |Аргон Аг |39,948 |54 |Ксенон Хе |131,30 |

|19 |Калий К |39,098 |55 |Цезий Cs |132,905 |

|20 |Кальций Са |40,08 |56 |Барий Ва |137,33 |

|21 |Скандий Sc |44,956 |57 |Лантан La |138,906 |

|22 |Титан Ti |47,90 |58 |Церий Се |140,12 |

|23 |Ванадий V |50,941 |59 |Празеодим Рг |140,908 |

|24 |Хром Сг |51,996 |60 |Неодим Nd |144,24 |

|25 |Марганец Мп |54,938 |61 |Прометий Рш |146 |

|26 |Железо Fe |55,847 |62 |Самарий Sm |150,4 |

|27 |Кобальт Со |58,933 |63 |Европий Ей |151,96 |

|28 |Никель^ Ni |58,70 |64 |Гадолиний Gd |157,25 |

|29 |Медь Си |63,546 |65 |Тербий ТЬ |158,925 |

|30 |Цинк Zn |65,38 |66 |Диспрозий Dy |162,50 |

|31 |Галлий Ga |69,72 |67 |Гольмий Но |164,930 |

|32 |Германий Ge |72,59 |68 |Эрбий Ег |167,26 |

|33 |Мышьяк As |74,922 |69 |Туллий Тш |168,934 |

|34 |Солен Se |78,96 |70 |Иттербий Yb |173,04 |

|35 |Бром Вг |79,904 |71 |Лютеций Lu |174,97 |

|36 |Криптон Кг |83,80 |72 |Гафний Hf |178,49 |

Заметим все же, что очень многие атомные массы, особенно в начале

таблицы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны,

например, у фтора и углерода, а иногда отличаются от них меньше чем на

0,01, например, у водорода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное

обстоятельство заставляет как будто отнестись с некоторым вниманием к

гипотезе Праута, так как трудно себе представить, чтобы это могло быть

результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у

магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими

атомными массами, все-таки принуждают отбросить предположение о том, что

все атомы состоят из атомов водорода.

Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось

представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких

десятков сортов атомов которые являются совершенно независимыми друг от

друга основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут

превращаться друг в друга.

И все же, несмотря на все это, среди физиков и химиков продолжало жить

смутное убеждение в том что между атомами различных химических элементов

имеются какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то естественную

систему.

В 1786 году немец Н. Г. Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе

элементов». В этой книге мистической и странной, он выражает свое глубокое

убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего

серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических

элементов тоже являются ступенями этой лестницы.

Эта идея Марне не могла привести ни к каким последствиям, пока химические

элементы не были в достаточной мере выделены и изучены. Но после того, как

Каннипцаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление

к естественной классификации химических элементов должно было принести свои

плоды.

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовавшись атомными массами

Канниццаро, нашел, что если расположить элементы в порядке возрастания их

атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы,

т. е. на строчки по семь элементов в каждой, где каждый элемент обладает

большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и последующей

октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S;

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в

своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными

металлами, образующими соединения по одному и тому же типу, например

дающими соли LiCI, NaCl, KC1; элементы, стоящие на третьем месте в октаве

(бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными

металлами, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа

соединения, например соли BeCl,MgCl, CaCl. Фтор весьма похож по своей

химической природе на стоящий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые

аналогии с фосфором, кислород — с серой и т. д. Заметим, впрочем, что все

получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в

дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для

ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от принятого им плана и

располагать элементы не совсем в порядке возрастания атомной массы.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена

двумя другими учеными, работавшими над вопросом естественной классификации

элементов совершенно независимо друг or друга. Одним из них был Юлиус

Мейер, другим—Дмитрий Иванович Менделеев, профессор университета в Санкт-

Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и

элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует

классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не

открытым элементам.

Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно

узкой и допустили, что строчки (периоды) могут становиться длиннее к концу

таблицы.

Уже в четвертой строке таблицы классификация потребовала оставления

пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не

открытые элементы. Три таких элемента Менделеев заочно точно описал и позже

они были открыты.

Также нет ничего невозможного в существовании в природе элементов с

атомной массой, большей урана. В наши дни такие «трансурановые» элементы

были получены искусственно.

Вполне можно утверждать, что предела таблицы не существует и получение

или нахождение других трансурановых элементов – это дело будущего.

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное

Дальтоном и определившее все дальнейшее развитие химии в XIX столетии.

, с помощью которого в итоге был расшифрован периодический закон.

Испускание а-частицы приводит к смещению радиоэлемента на два места влево в

периодической системе (в направлении уменьшения массы). Но прохождение

радиоактивных рядов через периодическую систему не прямолинейное, а

зигзагообразное, так что превращающийся радиоэлемент часто возвращается

назад—на то же место, которое занимал ранее в периодической системе его

материнский продукт. Когда это происходит, то оказывается, что материнский

радиоэлемент и его последующий продукт распада — изотоп (занимающий то же

с, мое место в периодической системе) имеют одинаковые химические свойства,

несмотря на различие в их атомных массах.

Интерпретация периодического закона

В 1911 г. был сформулирован закон радиоактивных смещений (периодический

закон), который в его законченной формулировке оказался чрезвычайно простым

и не допускающим никаких исключений. Он стал подлинным фундаментом.

Согласно этому закону, испускание (-частицы ведет к смещению радиоэлемента

на одно место вправо в периодической системе, а испускание а-частицы — к

смещению радиоэлемента на два места в обратном направлении. Поскольку

многие а-распады сопровождаются двумя последующими ((-распадами, то в таких

случаях третий продукт распада всегда возвращается — на фоне периодической

системы — на место исходного а-излучателя, являясь химически тождественным

с ним, несмотря на разницу в четыре единицы в их атомных массах. В 1913 г.

они были названы изотопами или изотопными элементами; этот термин означает,

что они занимают одно и то же место в периодической системе. Изотопы двух

разных элементов могут иметь одинаковую атомную массу, и тогда их называют

изобарами. Реже изотопы одного и того же элемента могут иметь одинаковую

атомную массу, но разную стабильность, т. е. один из них радиоактивен, а

другой— нет.

Поскольку а-частица обладает зарядом в две положительные единицы, а заряд

(-частицы равен единице со знаком минус, то сразу стало очевидным, что

периодический закон отражает связь между химическими свойствами н

внутриатомным зарядом, но не массой. В настоящее время периодический закон

является in cxtcnto (повсюду) выражением, во-первых, атомной (дискретной)

природы электричества и, во-вторых, нового вида атомистики.

Aтом Резерфорда-Бора

Модели atоma до бора

Но вернемся к последовательному изложению развития представлений о

строении атома.

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и

квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома

Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить

модель атома на основе представлений классической электродинамики и

механики. В 1904 г. появились публикации о строении атома, принадлежащие

одна японскому физику Хантаро Нагаока, другая— английскому физику Д.

Томсону.

Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Сатурна и

представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль

Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг

которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся

«планеты»—электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают

электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, того же

порядка, что и частоты спектральных линий некоторых элементов.

В атоме Томсона положительное электричество «размазано» по сфере, в

которую вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. В простейшем атоме

водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. При

смещении из центра на электрон действует квазиупругая сила

электростатического притяжения, под действием которой электрон совершает

колебания. Частота этих колебаний определяется радиусом сферы, зарядом и

массой электрона, и если радиус сферы имеет порядок радиуса атома, частота

этих колебаний совпадает с частотой колебания спектральной линии атома. В

многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым

конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую

конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял пытку

теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.

Эту попытку Бор позднее назвал «знаменитой» и указал, что со времени этой

попытки «идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным

пунктом и более новых воззрений». Отметив, что теория Томсона оказалась

несовместимой с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что эта теория

«содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие

атомной теории».

В 1905 г. В. Вин выступал с докладом об электронах на съезде немецких

естествоиспытателей и врачей в Мюнхене. Здесь он, в частности, указывал на

трудность объяснения линейчатых спектров атомов с точки зрения электронной

теории. Он говорил: «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную

систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг

которого обращаются электроны как планеты. Но такая система не может быть

устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены

обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое

или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много

сомнительного».

Такой статической моделью был атом Кельвина — Томсона. И эта модель была

общепринятой по причинам, указанным Вином.

В конце концов оказалось, что новые опытные факты опровергают модель

Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели, факты эти

были открыты Резерфордом.

24 мая 1907 г. в Манчестере Резерфорд развернул огромную, привлекая

молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников

был немецкий физик Ганс Гейгер, создатель первого счетчика элементарных

частиц — счетчика Гейгера. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден,

К. Фаянс, Г. Мозли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В Манчестер в 1912 г. приехал Нильс Бор.

В этой атмосфере коллективного научного творчества родились крупные

Страницы: 1, 2, 3


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.