"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Модель атома — это научное представление о его строении, которое помогает объяснить результаты экспериментов. Представления об атоме менялись: от равномерно распределённого положительного заряда до ядерной и квантово-механической моделей. Опыт Резерфорда показал существование малого плотного ядра, модель Бора ввела энергетические уровни, а современная физика описывает электрон через вероятность его обнаружения в орбитали, а не через точную траекторию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Модель атома — упрощённое представление о строении атома, которое объясняет известные наблюдения и помогает делать предсказания. Модель не является самим атомом, а выделяет его главные свойства. Она нужна, чтобы связывать результаты опытов с понятной схемой.
Ядерная модель атома утверждает, что почти вся масса атома сосредоточена в малом положительно заряженном ядре, а электроны находятся вокруг него. Между ядром и электронами действуют электрические силы. Эта модель объясняет результаты рассеяния частиц и строение атома как системы с центральным ядром.
Планетарная модель атома представляет движение электронов вокруг ядра по аналогии с движением планет вокруг Солнца. Такая аналогия помогает наглядно представить расположение частиц. Однако она не означает, что электрон действительно движется по обычной круговой линии.
Орбиталь — область пространства около ядра, в которой наиболее вероятно обнаружить электрон. Она описывает распределение вероятности, а не траекторию частицы. Это понятие необходимо для современной квантово-механической модели атома.
Модели атома менялись потому, что новые эксперименты обнаруживали явления, не объяснимые прежними представлениями. Если наблюдения противоречат модели, учёные уточняют её или создают новую. Поэтому развитие моделей — это не простая замена ошибочных схем, а постепенное расширение объяснений.
Опыты по рассеянию альфа-частиц на тонкой фольге дали неожиданный результат. Большинство частиц прошло почти прямо, потому что атом в основном пуст, а ядро занимает очень малый объём. Редкие сильные отклонения возникали при приближении к плотному положительно заряженному ядру, которое отталкивало положительные альфа-частицы.
Ядерная модель Резерфорда не объясняла устойчивость атома. По законам классической физики движущийся по кривой траектории электрон должен излучать энергию, постепенно терять скорость и падать на ядро. Кроме того, эта модель не объясняла линейчатые спектры, в которых атом испускает не непрерывный набор частот, а отдельные линии.
Модель Бора описала атом водорода с помощью разрешённых энергетических уровней. Электрон может находиться только на определённых уровнях и не излучает энергию, пока остаётся на одном из них. При переходе на более высокий уровень атом поглощает квант энергии, а при переходе на более низкий испускает его; энергия фотона равна разности энергий уровней.
Квантово-механическое описание отличается от планетарного отказом от точной траектории электрона. Нельзя одновременно считать полностью определёнными его положение и движение, поэтому используют вероятностное описание. Орбиталь показывает область, где обнаружение электрона наиболее вероятно, а не путь, по которому он движется.
| Модель | Основные положения | Что объясняет | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Модель Томсона | Положительный заряд распределён по всему атому, электроны находятся внутри него. | Представление об электронейтральности атома. | Не объясняет редкое рассеяние альфа-частиц на большие углы и существование ядра. |
| Ядерная модель Резерфорда | В центре находится малое положительно заряженное ядро, электроны расположены вокруг него. | Результаты опыта по рассеянию и сосредоточение массы в ядре. | Не объясняет устойчивость атома и линейчатые спектры. |
| Модель Бора | Электроны находятся на определённых энергетических уровнях и переходят между ними. | Спектр атома водорода и дискретное испускание энергии. | Недостаточна для сложных атомов и не даёт современного вероятностного описания. |
| Квантово-механическая модель | Электрон описывается состоянием и орбиталью, то есть распределением вероятности. | Строение электронных оболочек, спектры и свойства атомов. | Не задаёт точную траекторию электрона и требует более сложного математического аппарата. |
Пользуйтесь таблицей слева направо: сначала определяйте устройство модели, затем её объяснительные возможности. Последний столбец показывает, почему следующая модель оказалась необходимой.
Условие: При бомбардировке тонкой металлической фольги альфа-частицами большинство частиц проходит прямо, но некоторые резко отклоняются. Какой вывод о строении атома следует из наблюдений?
Ответ: атом имеет маленькое плотное положительно заряженное ядро, а большая часть его объёма практически пуста.
Условие: Атом водорода испустил фотон при переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Объясните, почему энергия фотона имеет определённое значение.
Ответ: энергия фотона равна разности энергий двух разрешённых уровней, поэтому фотон имеет определённую энергию и частоту.
Условие: Объясните, почему в современной модели атома нельзя говорить о движении электрона по строго заданной круговой орбите, и укажите, чем такую орбиту заменяет квантово-механическое описание.
Ответ: современная модель заменяет круговую траекторию орбиталью, которая описывает распределение вероятности нахождения электрона.
Атом в основном заполнен веществом. Так считают, потому что на схемах ядро и электроны изображают крупными. Проверьте себя: сравните размеры ядра и атома — в ядерной модели почти весь объём атома свободен.
Модель Бора полностью совпадает с современной. Ошибка возникает из-за сходства изображений электронных оболочек. Проверьте описание: у Бора есть разрешённые орбиты, а в современной модели используют орбитали и вероятности.
Орбиталь — это траектория электрона. Такое смешение появляется из-за похожего звучания слов орбита и орбиталь. Проверьте себя вопросом: показывает ли понятие путь или область вероятного обнаружения? Для орбитали верен второй вариант.
Энергия перехода может быть любой. Так рассуждают, если забывают о дискретных уровнях. Проверьте себя формулой: энергия фотона определяется разностью энергий двух уровней, Eфотона = Eвысшего − Eнизшего.
Для понимания моделей нужны знания о строении атома, зарядах протона и электрона, а также о составе ядра. Эти модели служат основой для изучения электронных конфигураций, периодического закона и химической связи. Квантовые представления помогают объяснять спектры атомов и свойства веществ.
Какой опыт помог обнаружить атомное ядро?
Ядро обнаружили благодаря опыту Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге. Большинство частиц прошло прямо, но небольшая часть резко отклонилась, что указало на существование малого плотного положительно заряженного центра.
Почему большинство альфа-частиц прошло сквозь фольгу?
Размер ядра чрезвычайно мал по сравнению с размером атома, поэтому вероятность прямого столкновения с ним невелика. Кроме того, основная часть объёма атома практически свободна от вещества.
Чем модель Бора отличается от ядерной модели Резерфорда?
Модель Резерфорда описывает атом как ядро и электроны вокруг него, но не объясняет устойчивость атома. Бор предположил, что электрон может находиться только на определённых энергетических уровнях и излучает или поглощает энергию при переходах между ними.
Почему атом испускает свет только определённых частот?
Электрон в атоме может иметь лишь определённые значения энергии. Поэтому при переходе между уровнями испускается фотон с энергией, равной разности энергий этих уровней, а его частота также принимает определённое значение.
Чем орбиталь отличается от орбиты?
Орбита в планетарной модели — заданная траектория движения частицы. Орбиталь — область пространства, где наиболее вероятно обнаружить электрон; она не показывает конкретный путь электрона.
§ 3. Модели строения атома
