трусики женские украина

На головну

 Будова атома. Чи є межа таблиці Менделєєва? - Природознавство

Пермський державний педагогічний університет

Реферат по темі

Еволюція уявлень

про будову атома.

Чи є межа

системі елементів Менделєєва?

Виконав студент 141 групи

Попов ІльяПермь 2002

ЗМІСТ

Виникнення атомістики. 3

Атомистика в послеарістотелевскую епоху. 5

Подальший розвиток атомістики (XIX ст.) 5

Періодичний закон. Чи є межа системи елементів Менделєєва ?. 6

Інтерпретація періодичного закону. 9

Aтом Резерфорда-Бора. 10

Моделі atоma до бору. 10

Відкриття атомного ядра. 11

Atom бору. 13

Виникнення квантової механіки (1925- 1930 рр) 16

Труднощі теорії бору. 16

Ідеї ??де Бройля. 18

Відкриття спина. 18

Список використаної літератури .. 19

Виникнення атомістики

Питання про будову навколишнього світу завжди хвилювало людини. Початок сучасній науці про будову речовини було покладено в античному світі, роботами давньогрецьких учених різних шкіл - ионийской, елеатской, піфагорійській.

Ідея первинної матерії (праматері) ионийцев була дуже привабливою і неодноразово в тій чи іншій формі відроджувалася у фізиці.

Допитливе мислення стародавніх греків побудувало концепцію елементів, з яких побудована Всесвіт. Вперше ця концепція була висунута Емпедоклом (близько 490-430 рр. До н.е.). «Емпедокл, -говорив грецький філософ та історик науки Тео-Фраст, - припускає чотири матеріальних елемента, а саме: вогонь, повітря, воду і землю; ці елементи, будучи вічними, змінюються по числу і величиною шляхом з'єднання і розділення. Існують два начала, за допомогою яких елементи приводяться в рух - Любов і Ворожнеча, бо елементи повинні піддаватися двоякому руху, а саме: то з'єднанню шляхом Любові, то поділу шляхом Ворожнечі ».

Таким чином, все розмаїття речей, по Емпедоклу, зумовлена ??поєднанням чотирьох різних елементів, а причиною зміни у природі є дія популярних та отталківательних сил, які у Емпедокла носять назви-Любов і Ворожнеча.

Істотно, що Емпедокл ясно стверджував загальне початок збереження. Його елементи вічні і неразрушими. «Ніщо не може статися з нічого, і ніяк не може те, що є, знищитися». З цього принципу Емпедокла і починається історія законів збереження, що грають таку фундаментальну роль у сучасній фізиці.

З V ст. до н.е. центр грецької науки сконцентрувався в Афінах. Тут з'явилися перші наукові школи. Тут вчив математик Гіппократ, філософ і фізик Анаксагор (близько 500-428 рр. До н. Е.), Який створив вчення про «насінні» всіх речей і рушійному початку «нус» (дух), повідомили елементам матерії обертальний рух, в результаті якого утворилася Земля і всі речі.

Анаксагор був сучасником засновників атомістики Левкіппа і Демокріта (близько 460-370 рр. До н.е.).

Демокріт написав безліч творів з різних галузей науки: математики, фізики, філософії та ін. Основні положення теорії Демокрита відтворюються у багатьох сучасних книгах з фізики та філософії майже одними і тими ж словами:

1. З нічого не відбувається нічого. Ніщо існуюче не може бути зруйноване. Всі зміни відбуваються завдяки з'єднанню і розкладанню частин.

2. Ніщо не відбувається випадково, але все відбувається по якомусь підставі і з необхідністю.

3. Не існує нічого, крім атомів і чистого простору, все інше тільки погляд.

4. Атоми нескінченні за кількістю і нескінченно різноманітні за формою. У вічному падінні через нескінченний простір великі, які падають швидше, вдаряються об менші; виникають з цього бічні руху і вихори служать початком освіти світу. Незліченні світи утворюються і знову зникають одні поруч з іншими і одні після інших.

5. Різниця між речами походить від відмінності їх атомів в числі, величиною, формою і порядку; якісного відмінності між атомами не існує. В атомі немає ніяких «внутрішніх станів»; вони діють один на одного тільки шляхом тиску і удару.

6. Душа складається з тонких, гладких і круглих атомів, подібних атомам вогню. Ці атоми найбільш рухливі, і руху їх, проникаючі в тіло, виробляють все життєві явища.

Атомне вчення, пройшовши через століття, витримало запеклу боротьбу з ідеалізмом і стало основою всього сучасного природознавства.

У вченні атомістів відіграє істотну роль принцип збереження, який, як ми бачимо, був уже біля ионийцев. Новим моментом є припущення порожнечі. Ні в ионийцев, ні в піфагорійців, ні у Елеа-тів порожнечі немає місця.

В системі Демокрита немає місця для якогось «розуму», що виробляє рух частинок, рух атомів вічно і не потребує особливого початку. Рухомі в порожньому нескінченному просторі атоми, стикаючись один з одним, виробляють всі речі і незліченні світи. Порожнє нескінченний простір Демокрита - це абсолютно новий елемент картини світу, і його поява викликана успіхами геометрії.

Сам Демокріт був великим математиком. У математичних доказах Демокрита величезну роль грала атомистика. Атомами лінії були точки, атомами поверхні - лінії, атомами обсягів-тонкі листки.

Успіхи геометрії формували уявлення про порожньому просторі, позбавленому будь-яких чуттєво відчутних властивостей. Лінії, поверхні, геометричні тіла ставали абстрактними образами, чистою формою. Простір, властивості якого надалі описав Евклід, є чистою протяжністю, позбавленої матеріального змісту, і ареною руху атомів, вмістилищем всіх тіл природи. Згідно з ученням атомистов нескінченно порожнього простору і атомів достатньо для опису різноманітних явищ світу, в тому, числі соціальних і психічних. Вчення атомистов-монистическое вчення, за яким матерія і рух-основи буття.

До 431-404 рр. до н.е. настав занепад Афін і афінської демократії. Відбувалися глибокі зміни в ідеології. Матеріалістична система ионийцев і атомистов витіснила ідеалістичної філософією Сократа (469-399 рр. До н.е.) і його учня Платона (427-347 рр. До н.е.). Суспільство відчувало потребу в систематизованому науковому знанні, і на долю учня Платона, знаменитого мислителя давнини Аристотеля випало завдання скласти систематичний звід наукових знань свого часу.

Наукова спадщина Аристотеля величезне. Воно утворює повну енциклопедію наукових знань свого часу. Мабуть, жоден учений не надавав такого тривалого і глибокого впливу на розвиток людської думки, як Арістотель. Його погляди приймалися за істину протягом кількох століть. У середньовічних європейських університетах природознавство містилося за Арістотелем, якого називали предтечею Христа в тлумаченні природи.

Він визнавав об'єктивне існування матеріального світу і його пізнаваність. Але одночасно він вірив в існування богів, протиставляв земний і небесний світи, шукав вищу мету природи і т. П.

Аристотель був хрещеним батьком науки про світ. Назва його книги, присвяченій дослідженню природи («фізика»), стало назвою фізичної науки.

Суттєвим моментом у поданні Аристотеля про матерію є те, що вона сама по собі служить тільки можливістю виникнення реальної речі, деяким пасивним початком природи. Для того щоб річ стала реальністю, вона повинна отримати форму, яка перетворює можливість у дійсність. Будь-яка річ є єдність матерії і форми, в природі відбуваються постійні переходи матерії у форму, форми в матерію. Звідси виникає вчення Аристотеля про чотирьох діючих причинах: 1) матеріальної; 2) формальний; 3) виробляє; 4) кінцевої. Активна виробляє причина є рух, кінцева - мета.

Вчення про чотири причини набуло великого поширення в середні віки, ставши наріжним каменем схоластики.

У своїй «фізиці» Аристотель докладно розбирає погляди своїх попередників - ионийцев, елеатов, Анаксагора, Левкіппа і Демокріта на першоджерела світу. Він критикує погляди атомістів, які визнають порожнечу і незліченна безліч атомів і світів, так як, на його думку, ця точка зору призводить до логічних суперечностей. Нескінченне мислиме лише у можливості («потенційна нескінченність»), реальний світ кінцевий і обмежений і побудований з кінцевого числа елементів.

Поняття порожнечі, за Арістотелем, також веде до суперечностей з дійсністю. Правильно підмітив, що середовище чинить опір руху і тим більшу, ніж вона щільніше, Аристотель приходить до висновку, що нескінченне розріджений порожній простір призводило б до нескінченного руху. Це, на його думку, неможливо. У відсутність опору швидкість тіла була б нескінченною, що також неможливо. Цікаво, що іншим аргументом проти порожнечі є абсолютно правильний висновок Аристотеля про однакову швидкості падіння всіх тіл в порожнечі, так само як і висновок про нескінченному инерциальном русі. У реальних умовах рух звичайно і тіла падають з різною швидкістю. Аристотель вважає, що, чим важче тіло, тим швидше воно падає.

Порожнеча, невагомість, за Арістотелем, неприродні, неможливі. Аристотелевский фізик-це людина, що живе в повітряному середовищі на нерухомій Землі, в полі тяжіння цієї Землі і не мисляча світ без цих атрибутів. Відповідно до повсякденними уявленнями Аристотель приймає геоцентричну систему світу і концепцію обмеженою Всесвіту, розшарованої на сфери руху небесних світил.

Природознавству належало пройти тривалий шлях пошуків і боротьби, щоб дійти іншого світорозуміння.

 Атомистика в послеарістотелевскую епоху

Війни Олександра Македонського змінили обличчя стародавнього світу і привели в зіткнення грецьку і східну цивілізації. З цього контакту виник сплав культури, грає велику роль у світовій історії.

В історії науки і культури стародавнього світу почався новий період, який отримав назву елліністичного, що тривав від освіти елліністичних держав (кінець IV-початок III в. До н.е.).

Останнім блискучий представник афінської науки був Епікур (341-270 рр. До н. Е.), Що розвинув вчення Демокріта про природу.

Вчення Епікура про природу засноване на концепції атомів Демокрита, але кілька відмінному. Значним є розмах атомної теорії. Існуванням атомів Епікур, а за ним і Лукрецій намагаються пояснити все природні, психічні та соціальні явища. Саме уявлення про атомах виводиться з добре відомих фактів. Так, білизна сохне тому, що під дією сонця і вітру від нього відриваються невидимі частки води, рука мідної статуї у міських воріт, до якої торкаються в поцілунку губи входять у місто, помітно тонше в порівнянні з іншою рукою, так як при поцілунку губи забирають частинки міді.

Атоми знаходяться в безладному русі, і Лукреций малює модель руху атомів, уподібнюючи його руху порошин в сонячному промінні, увірвався в темну кімнату. Це перша в історії науки картина молекулярного руху, написана древнім автором. Само хаотичний рух атомів Епікур пояснює інакше, ніж Демокріт. Епікур не визнає відмінності в швидкості падіння малих і великих атомів; в порожньому просторі все частки рухаються з однаковою швидкістю. Але в деякі моменти мимовільно виникають випадкові невеликі відхилення тієї чи іншої частинки від прямолінійного шляху. Ці відхилення Епікур вважав необхідними, щоб пояснити вільну волю людей, так що атоми як би також володіють якоюсь «свободою волі».

Геніальні здогади древніх атомістів визначили майбутній успіх атомної теорії матерії.

Атомистика Епікура - Лукреція продовжувала лінію наукового розвитку доаристотелевской періоду. Але атомистика послеарістотелевской епохи носить й суттєво нові риси: вона більш конкретна, більш «фізична», ніж теорія Аристотеля і атомистика Демокрита. Атоми Демокрита по суті чисто геометричні образи, вони характеризуються лише формою і обсягом. У Епікура і Лукреція атоми мають вагою, щільністю (твердістю) і, нарешті, внутрішньої здатність до мимовільних відхилень від прямолінійного руху.

Природознавство в цю епоху стало переходити зі сфери відстороненого, філософського роздуми про природу в сферу конкретних фактів і явищ.

Евклід (жив у III ст. До н.е.) підсумував і систематизував математичні знання своїх попередників, з яких його вчителем був знаменитий учений Евдокс Книдский. «Начала» Евкліда є виклад тієї геометрії, яка відома і понині під назвою евклідовій геометрії.

Евклидово простір порожній, безмежне, изотропное, що має три виміри. Евклід надав математичну визначеність атомістичної ідеї порожнього простору, в якому рухаються атоми. Найпростішим геометричним об'єктом у Евкліда є точка, яку він визначає як те, що не має частин. Іншими словами, точка- це неподільний атом пространства.Дальнейшее розвиток атомістики (XIX ст.)

Всеосяжність принципів термодинаміки, відкритих і розроблених до цього часу і, зокрема, другого початку, змушувала фізиків-теоретиків шукати причини універсальної мощі термодинаміки.

В результаті в науці виникли два напрямки: феноменологічне і атомистическое. Феноменологическое напрямок не вважало за необхідне шукати глибших причин фізичних процесів, воно обмежувало завдання вивчення природи описом явищ на основі експериментально встановлених принципів. Енергетики Гельм, Оствальд та інші вважали енергію основним поняттям науки, а такі поняття, як «матерія», «сила», похідними і навіть зайвими.

Що стосується подання про атоми і молекулах, то енергетики, а також віденський фізик Ернст Мах, один з видних прихильників феноменологічного напряму, вважали ці уявлення продуктами чистої фантазії, аналогічними поданнями про відьом і привидів.

Однак такі видні представники науки, як Клаузиус, Максвелл, а потім Больцман, з успіхом розробляли молекулярно-кінетичну теорію.

Максвелл, Клаузіус, Больцман, Гіббс, розвиваючи фізичну атомістику, шукали закони, управляючі поведінкою колективу атомів і молекул, роблячи по можливості прості гіпотези про будову самих атомів. У XIX ст. єдиним засобом спостерігати взаємодії атомів і визначати їх індивідуальні особливості були хімічні реакції. Саме в надрах хімічної атомістики народилася перша гіпотеза про будову всіх атомів з атомів водню (Проут, 1815).

У 1859 р було зроблено важливе відкриття в оптиці, фізик Густав Кірхгос (1824-1887) і хімік Роберт Бунзен (1811-1899) відкрили спектральний аналіз, який дав у руки хімікам нове потужний засіб ісследованія.Періодіческій закон. Чи є межа системи елементів Менделєєва?

У 1869 р вже було відомо 63 хімічних елементу. У цьому ж році Д. І. Менделєєв відкрив фундаментальний закон розподілу елементів в систему, яку він назвав періодичної системою хімічних елементів.

До цього протягом більше ста років в науковому світі панувала картина світу, яку цілком висловив 1808 своєю працею «Нова система хімічної філософії» Джон Дальтон.

Вже було відомо, що водень, кисень, сірка та інші речовини - прості тіла складаються з атомів одного сорту, а вода, аміак, вуглекислий газ та ін. - Складні, створені комбінацією атомів різних речовин. Це цілком підтверджувалося дослідами того часу.

Хімічні реакції, за Дальтону, полягають в тому, що атоми вступають один з одним у різні комбінації, створюючи «складні атоми» (молекули), потім ці молекули розпадаються, утворюються нові молекули і т. Д., Подібно до того як танцюристи, переходячи від одного танцю до іншого; утворюють нові комбінації. Але самі атоми при цьому залишаються незмінними і вічними: змінюється тільки їх розподіл.

«Кожна частка води, - говорить Дальтон у своїй" Хімічної філософії ", - в точності схожа на будь-яку іншу частку води; кожна частка водню в точності схожа на будь-яку іншу частку водню і т. Д. Хімічне розкладання і хімічну сполуку означають лише те, що атоми віддаляються один від одного або ж знову зчіплюються разом. Але хімік не здатний знищити матерію або створити її знову. Намагатися створити або знищити хоча б один атом водню так само безнадійно, як намагатися додати ще одну планету до Сонячної системи або знищити яку-небудь з існуючих планет. Все, що ми можемо зробити, - це роз'єднати атоми, що з'єдналися або зчепилися один з одним, або ж з'єднати ті атоми, які зараз знаходяться на великій відстані один від одного ».

«Хімічна філософія», викладена в цих рядках Дальтона, справді стала філософією цілого ряду поколінь хіміків і фізиків. Неможливість створення хоча б одного нового атома даного хімічного елемента, неможливість перетворення одних атомів в інші - все це було необхідним висновком із усього величезного досвідченого матеріалу, на якому ґрунтувалася наукова хімія.

У цьому пункті Дальтон не зовсім сходився з Бойл, який в 1661 році писав, що хоча атоми залишаються незмінними при всіх хімічних явищах, але тим не менш коли-небудь буде знайдено якийсь «сильний і тонкий агент», за допомогою якого вдасться розбити атоми на більш дрібні частини і перетворити одні атоми в інші.

Ця думка Бойля здавалася Дальтону чистої фантазією: жоден хімічний факт не вказував на те, що атоми можливо розбивати на частини і перетворювати одне в одного.

У 1816 грду несподівано знайшовся один прихильник Бойля, який намагався підтвердити її фактами. Це був Вільям Праут, який надрукував у журналі «Філософські аннали» статтю, де звертав особливу увагу на той факт, що всі атомні маси, які визначив Дальтон, виражаються цілими числами. Це - дуже чудовий факт, говорив Праут, адже якби атоми всіх хімічних елементів були первинними, основними частинками, справжніми «цеглинами світобудови», нерозкладними на дріботячи і анітрохи не пов'язаними один з одним, то яка могла б бути причина того, що атом азоту рівно в п'ять разів перевершує за масою атом водню, а атом кисню - рівно в сім разів?

Думка Праута ось яке: атом азоту, який, за Дальтону, рівно в п'ять разів перевершує за масою атом водню, - це і є п'ять атомів водню, дуже тісно зчеплених один з одним; атом кисню - це сім атомів водню, тісно зчеплених один з одним; атом ртуті-це 167 тісно притулившись один до одного водневих атомів і т. д. Виходить, що все на світі складається в кінцевому рахунку з водню.

А чим же пояснити, що все-таки в хімічних дослідах ніяк не вдається, наприклад, розкласти кисень на водень? Дуже просто, відповідає Праут, вся справа в тому, що коли сім атомів водню зчіплюються, щоб утворити атом кисню, то вони зчіплюються набагато тісніше, ніж тоді, коли, наприклад, атом водню і атом кисню зчіплюються, щоб утворити молекулу води. Тому-то в хімічних дослідах і вдається розкласти молекулу води на атом водню і атом кисню, але ні як не вдається розкласти атом кисню на сім атомів водню.

Стаття Праута була дуже переконлива, - багато хто повірив в те, що водень є справді «первинне речовина», з якого складається все на світі. Одна тільки була біда - ті хімічні аналізи, грунтуючись на яких Дальтон обчислив свої атомні маси, були дуже вже неточні. Якщо провести аналізи ретельніше і обчислити атомні маси точніше, то опиняться вони як і раніше цілими числами?

За грандіозну роботу точного визначення атомних мас взявся знаменитий шведський хімік Єні Якоб Берцеліус. Берцелиусу, більше ніж кому-небудь іншому, хімія зобов'язана тим, що вона стала точною наукою. Протягом свого життя Берцеліус проаналізував більше двох тисяч різних хімічних сполук, і результати його аналізів відрізняються від найточніших теперішніх результатів не більше ніж на 1-2%.

Берцеліус прагнув визначити склад молекули так, щоб задовільно пояснити можливо більше число хімічних фактів. Таким чином Берцеліус виявив, наприклад, що молекула води складається не з двох атомів, а з трьох - одного кисневого і двох водневих, що молекула аміаку складається з чотирьох атомів - одного азотного й трьох водневих, і т. Д. Все це призвело до того , що хоча роботи Берцелиуса і дали блискуче підтвердження основних ідей Дальтона, але отримані Дальтоном конкретні цифри - атомні маси - виявилися суцільно невірні.

Таким чином, гіпотеза Праута, яка була заснована на тому, що атомні маси елементів - точні цілі числа в той час не підтвердилася.

 Таблиця хімічних елементів, їх символів і атомних мас *)

 № Назва та символ Ат. маса № Назва та символ Ат. маса

 1 Водень Н 1,008 37 Рубідій Rb 85,468

 2 Гелій Чи не 4,003 38 Стронцій Sr 87,62

 3 Літій Li 6,941 39 Ітрій Y 88,906

 4 Берилій Be 9,012 40 Цирконій Zr 91,22

 5 Бор В 10,811 41 Ниобий Nb 92,906

 6 Вуглець З 12,011 42 Молібден Мо 95,94

 7 Дзот N 14,007 43 Технецій Ті 98,906

 8 Кисень 0 15,9994 44 Рутеній Ru 101,07

 9 Фтор F 18,998 45 Родий Rh 102,905

 10 Неон Ne 20,179 46 Паладій Pd 106,4

 11

 12

 Натрій Na

 Магній Mg 22,990 24,305 47 48 Срібло Ag Кадмій Cd 107,868 112,40

 13 Алюміній AI 26,981 49 Індій In 114,82

 14 Кремній Si 28,086 50 Олово Sn 118,69

 15 Фосфор Р 30,974 51 Сурма Sb 121,75

 16 Сірка S 32,06 52 Теллур Ті 127,60

 17 Хлор С1 35,453 53 Йод I 126,905

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

 19 Калій До 39,098 55 Цезій Cs 132,905

 20 Кальцій Са 40,08 56 Барій Ва 137,33

 21 Скандій Sc 44,956 57 Лантан La 138,906

 22 Титан Ti 47,90 58 Церий Се 140,12

 23 Ванадій V 50,941 59 Празеодим Рг 140,908

 24 Хром Сг 51,996 60 Неодім Nd 144,24

 25 Марганець Мп 54,938 61 Прометій Рш 146

 26 Залізо Fe 55,847 62 Самарій Sm 150,4

 27 Кобальт Со 58,933 63 Європій Їй 151,96

 28 Нікель ^ Ni 58,70 64 Гадолиний Gd 157,25

 29 Мідь Сі 63,546 65 Тербий ТЬ 158,925

 30 Цинк Zn 65,38 66 Діспрозій Dy 162,50

 31 Галій Ga 69,72 67 Гольмій Але 164,930

 32 Німеччин Ge 72,59 68 Ербій Ег 167,26

 33 Миш'як As 74,922 69 Туллій Тих 168,934

 34 Солен Se 78,96 70 Ітербій Yb 173,04

 35 Бром Вг 79,904 71 Лютецій Lu 174,97

 36 Криптон Кг 83,80 72 Гафній Hf 178,49

Зауважимо все ж, що дуже багато атомні маси, особливо на початку таблиці, вельми близькі до цілих числах, іноді в точності їм рівні, наприклад, у фтору і вуглецю, а іноді відрізняються від них менше ніж на 0,01, наприклад, у водню , гелію, азоту, натрію і т. д. Це дивна обставина змушує начебто поставитися з деяким увагою до гіпотезі Праута, так як важко собі уявити, щоб це могло бути результатом чистого випадку, але тим не менш такі атомні маси, як у магнію або хлору, не кажучи вже про численні елементах з великими атомними масами, все-таки примушують відкинути припущення про те, що всі атоми складаються з атомів водню.

Тому в XIX столітті абсолютно зміцнилося і поширилося уявлення про те, що всі тіла в світі складаються з цих кількох десятків сортів атомів які є абсолютно незалежними один від одного основними елементами всесвіту. Атоми вічні і неразрушими і не можуть перетворюватися один в одного.

І все ж, незважаючи на все це, серед фізиків і хіміків продовжувало жити туманне переконання в тому що між атомами різних хімічних елементів є якісь зв'язки, що ці атоми утворюють якусь природну систему.

У 1786 році німець Н. Г. Марні надрукував книгу, має назву «Про число елементів». У цій книзі містичної і дивною, він висловлює своє глибоке переконання в тому, що «від найменшої пилинки сонячного променя до святійшого серафима можна спорудити цілу сходи творінь» і що атоми хімічних елементів теж є ступенями цих сходів.

Ця ідея Марні не могла привести ні до яких наслідків, поки хімічні елементи не були в достатній мірі виділені і вивчені. Але після того, як Канніпцаро опублікував (в 1858 році) свою таблицю атомних мас, прагнення до природної класифікації хімічних елементів мало принести свої плоди.

У 1863 році англієць Дж. А. Ньюлендс, скориставшись атомними масами Канниццаро, знайшов, що якщо розташувати елементи в порядку зростання їх атомних мас, то такий список елементів природно розкладається на октави, т. Е. На рядки по сім елементів у кожній, де кожен елемент володіє великою схожістю з однаковим за номером елементом попередньої і наступної октав. Наведемо перші три октави Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

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

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогія проявляється в тому, що всі елементи, які стоять на другому місці в своїй октаві (літій, натрій, калій), є так званими лужними металами, що утворюють з'єднання з одного й того ж типу, наприклад дають солі LiCI, NaCl, KC1; елементи, які стоять на третьому місці в октаві (берилій, магній, кальцій), є так званими лужноземельними металами, що дають теж схожі один на одного, але вже іншого типу сполуки, наприклад солі BeCl, MgCl, CaCl. Фтор вельми схожий по своїй хімічній природі на стоїть під ним хлор, азот виявляє деякі аналогії з фосфором, кисень - з сіркою і т. Д. Зауважимо, втім, що все виходить так гарно і переконливо лише в перших октавах Ньюлендса: в подальших октавах було набагато більше плутанини, і в деяких випадках для її усунення Ньюлендс дозволив собі відступити від прийнятого ним плану і розташовувати елементи не зовсім в порядку зростання атомної маси.

Через кілька років після цієї спроби Ньюлендса вона була повторена двома іншими вченими, які працювали над питанням природної класифікації елементів абсолютно незалежно один or одного. Одним з них був Юліус Мейєр, другим-Дмитро Іванович Менделєєв, професор університету в Санкт-Петербурзі. І Мейер, і Менделєєв зметикували, що можуть існувати й елементи, ще не відкриті хіміками, а тому, якщо цього вимагає класифікація, можна залишати в таблиці пропуски, відповідні ще не відкритим елементам.

Крім того, вони визнали схему Ньюлендса з її однаковими рядками надмірно вузької і допустили, що рядки (періоди) можуть ставати довшим до кінця таблиці.

Вже в четвертому рядку таблиці класифікація зажадала залишення порожніх місць. На цих порожніх місцях повинні знаходитися якісь ще не відкриті елементи. Три таких елемента Менделєєв заочно точно описав і пізніше вони були відкриті.

Також немає нічого неможливого в існуванні у природі елементів з атомної масою, більшої урану. У наші дні такі «трансуранові» елементи були отримані штучно.

Цілком можна стверджувати, що межі таблиці не існує і отримання або знаходження інших трансуранових елементів - це справа майбутнього.

Таке, в загальних рисах, вчення про атоми хімічних елементів, створене Дальтоном і визначило весь подальший розвиток хімії в XIX столітті.

, За допомогою якого в підсумку був розшифрований періодичний закон. Випускання а-частинки призводить до зміщення радіоелементу на два місця вліво в періодичній системі (в напрямку зменшення маси). Але проходження радіоактивних рядів через періодичну систему НЕ прямолінійне, а зигзагообразное, так що перетворюється радіоелемент часто повертається назад-на те ж місце, яке займав раніше в періодичній системі його материнський продукт. Коли це відбувається, то виявляється, що материнський радіоелемент і його наступний продукт розпаду - ізотоп (що займає той же с, моє місце в періодичній системі) мають однакові хімічні властивості, незважаючи на відмінність в їх атомних массах.Інтерпретація періодичного закону

У 1911 р був сформульований закон радіоактивних зсувів (періодичний закон), який в його закінченою формулюванні виявився надзвичайно простим і не допускає ніяких винятків. Він став справжнім фундаментом. Згідно з цим законом, випущення b-частинки веде до зміщення радіоелементу на одне місце вправо в періодичній системі, а випускання а-частинки - до зміщення радіоелементу на два місця в зворотному напрямку. Оскільки багато а-розпади супроводжуються двома наступними (b-розпадами, то в таких випадках третій продукт розпаду завжди повертається - на тлі періодичної системи - на місце вихідного а-випромінювача, будучи хімічно тотожним з ним, незважаючи на різницю в чотири одиниці в їхніх атомних масах. У 1913 р вони були названі ізотопами або ізотопними елементами; цей термін означає, що вони займають одне і те ж місце в періодичній системі. Ізотопи двох різних елементів можуть мати однакову атомну масу, і тоді їх називають ізобарами. Рідше ізотопи одного і того ж елемента можуть мати однакову атомну масу, але різну стабільність, т. е. один з них радіоактивний, а інший- немає.

Оскільки а-частинка володіє зарядом у дві позитивні одиниці, а заряд b-частинки дорівнює одиниці зі знаком мінус, то відразу стало очевидним, що періодичний закон відбиває зв'язок між хімічними властивостями н внутрішньоатомних зарядом, але не масою. В даний час періодичний закон є in cxtcnto (всюди) вираженням, по-перше, атомної (дискретної) природи електрики і, по-друге, нового виду атомістікі.Aтом Резерфорда-Бора

 Моделі atоma до бору

Але повернемося до послідовного викладу розвитку уявлень про будову атома.

Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, і квантової теорії - з іншого, привели до створення квантової моделі атома Резерфорда - Бора. Але створенню цієї моделі передували спроби побудувати модель атома на основі уявлень класичної електродинаміки і механіки. У 1904 р з'явилися публікації про будову атома, що належать одна японському фізику Хантаро Нагаока, інша-англійському фізику Д. Томсону.

Нагаока виходив з досліджень Максвелла про стійкість кілець Сатурна і представив будову атома аналогічну будові сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якого по встановлених кільцеподібних орбітах рухаються "планети" -Електронна. При незначних зсувах електрони збуджують електромагнітні хвилі, періоди яких, за розрахунками Нагаока, того ж порядку, що і частоти спектральних ліній деяких елементів.

В атомі Томсона позитивну електрику «розмазано» по сфері, в яку вкраплені, як родзинки в пудинг, електрони. У найпростішому атомі водню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. При зміщенні з центру на електрон діє квазіупругая сила електростатичного притягання, під дією якої електрон робить коливання. Частота цих коливань визначається радіусом сфери, зарядом і масою електрона, і якщо радіус сфери має порядок радіуса атома, частота цих коливань збігається з частотою коливання спектральної лінії атома. У багатоелектронних атомах електрони розташовуються по стійких конфігураціях, розрахованих Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною хімічні властивості атомів. Він зробив тортури теоретично пояснити періодичну систему елементів Д. І. Менделєєва. Цю спробу Бор пізніше назвав «знаменитої» і вказав, що з часу цієї спроби «ідея про поділ електронів в атомі на групи зробилася вихідним пунктом і більше нових поглядів». Відзначивши, що теорія Томсона виявилася несумісною з досвідченими фактами, Бор проте вважав, що ця теорія «містить багато оригінальних думок і зробила великий вплив на розвиток атомної теорії».

У 1905 р В. Вин виступав з доповіддю про електронах на з'їзді німецьких природознавців і лікарів у Мюнхені. Тут він, зокрема, вказував на труднощі пояснення лінійчатих спектрів атомів з погляду електронної теорії. Він говорив: «Найпростіше було б розуміти кожен атом як планетну систему, яка складається з позитивно зарядженого центру, навколо якого звертаються електрони як планети. Але така система не може бути стійкою внаслідок випромінюваної електронами енергії. Тому ми змушені звернутися до системи, в якій електрони перебувають у відносному спокої або володіють нікчемними швидкостями, хоча таке подання містить багато сумнівного ».

Такий статичної моделлю був атом Кельвіна - Томсона. І ця модель була загальноприйнятою з причин, вказаних Вином.

Зрештою виявилося, що нові досліди спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі, факти ці були відкриті Резерфордом.

24 травня 1907 в Манчестері Резерфорд розгорнув величезну, залучаючи молодих вчених з різних країн світу. Одним з його діяльних співробітників був німецький фізик Ганс Гейгер, творець першого лічильника елементарних частинок - лічильника Гейгера. У Манчестері з Резерфордом працювали Е. Марсден, К. Фаянс, Г. Мозлі, Г. Хевеши та інші фізики та хіміки.

У Манчестер в 1912 р приїхав Нільс Бор.

У цій атмосфері колективного наукового творчості народилися великі наукові досягнення Резерфорда, з яких у першу чергу слід відзначити розгадку природи а-частинок і відкриття ядерного будова атома.

Сюди ж слід приєднати знамениті статті Бора з квантової теорії планетарного атома. У Манчестері було покладено початок квантової та ядерної фізіке.Откритіе атомного ядра

Уподібнення атома планетної системі робилося ще на самому початку XX в. Але цю модель було важко поєднати з законами електродинаміки, і вона була залишена, поступившись місцем моделі Томсона. Однак в 1904 почалися дослідження, що призвели до утвердження планетарної моделі.

Одна з тем, висунута Резерфордом в Манчестері, -рассеяніе а-частинок. Вона була доручена Гейгера і Марсдену.

Метод, що застосовувався для дослідження, полягав у наступному: а-частинки, що випускаються джерелом, диафрагмированного щілиною потрапляли на екран із сірчистого цинку. на якому виходило зображення щілини у вигляді вузької смужки. Потім між щілиною і екраном поміщали тонку металеву пластинку, зображення щілини розмивалося, що вказувало на розсіювання а-частинок речовиною платівки. Досліджуючи кут розсіювання, Гейгер встановив, що найбільш вірогідний кут розсіювання пропорційний атомній вазі і обернено пропорційний кубу швидкості частинки.

Але найбільш вражаючим виявився факт, відкритий Гейгером і Марсденом в 1909 р, - існування великих кутів розсіювання. Деяка, дуже невелика частина а-частинок (приблизно 1/8000) розсіюється на кут, більший прямого, відкидаючи, таким чином назад до джерела. Тонка пластині відкидала частки, що летять з великою швидкістю. Як раз в тому ж, 1909 Резерфорд і Ройдс неспростовно довели, що а-частинки є двічі іонізованими атомами гелію. Для таких важких швидко рухомих частинок розсіювання на кути великі прямого, здавалося вельми неймовірним. Резерфорд говорив, що це так само неймовірно, як якщо б куля відскакувала від аркуша цигаркового паперу.

Одне з можливих пояснень аномального розсіювання полягала в тому що воно складається з багатьох невеликих кутів відхилень, викликані атомами рассеивающего речовини.

Виходячи з моделі Томсона, Резерфорд підрахував, що це не може давати великих відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.

Коли а-частинка проходить повз зарядженого ядра, то під впливом кулоновской сили, пропорційної заряду ядра і заряду а-частинки і обернено пропорційною квадрату відстані між ними, вона рухається по гіперболі, віддаляючись по її гілки після проходження повз ядра. Її прямолінійний шлях, таким чином, викривляється, і вона відхиляється на кут розсіювання ф.

1 березня 1911 Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь «Розсіювання а- і b-променів і будова атома». У доповіді він говорив: «Розсіювання заряджених частинок може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому влаштуванні атома а- і b-частинки, коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала ».

Резерфорд розрахував ймовірність такого відхилення і показав, що вона пропорційна числу атомів п в одиниці рассеивающего матеріалу, товщині рассеивающей пластинки і величиною b2, яка виражається наступною формулою:

де Ne- заряд в центрі атома, Е-заряд відхиляється частинки, т-її маса, і-її швидкість. Крім того, ця ймовірність залежить від кута розсіяння ф, так що число розсіяних частинок на одиницю площі пропорційно cosec4 (Ф / 2).

Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка ??на заряд атомного центра, що Резерфорд поклав рівним ± Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі.

У 1913 р Гейгер і Марсден зробили нову експериментальну перевірку формули Резерфорда, підраховуючи розсіювання частинок по виробленим ними сцинтиляційним спалахів. З цих досліджень і виникло уявлення про ядро ??як стійкої частини атома, що несе в собі майже всю масу атома і володіє позитивним зарядом. При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.

У 1913 р Ван ден Брук показав, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. У тому же1913 р Ф. Содді і К. Фаянс прийшли закону зміщення Содді-Фаянсу, її гласно якому при а-розпаді радіоактивний продукт зміщується в менделєєвської таблиці на два номери вище а при b-розпаді-на номер нижче. До цього ж часу Содди прийшов поданням про ізотопи як різновидах одного і того ж елемент ядра атомів яких мають однаковий заряд, але різні маси.

У багатому подіям 1913 були опубліковані три знамениті статті Бора «Про будову атомів і молекул», що відкрили шлях до атомної квантової механіки.

Томас Рис Вільсон (1869-1959) винайшов чудовий прилад, відомий нині під назвою «камера Вільсона». Цей прилад дозволяє бачити заряджену частку по оставляемому нею туманному сліду.

Пізніше учень і співробітник Резерфорда Блеккет (1897-1974) отримав Вільсоновском фотографію розщеплення ядра азоту а-частинкою, перший ядерної реакції, відкритої Резерфордом.

У цьому ж році Бор, який мав можливість попрацювати з автором першої моделі атома, а потім з автором планетарної моделі, на основі останньої створює свою теорію атома Резерфорда-Бора.

Знаменита стаття Бора, в якій були укладені основи цієї теорії, починалася з вказівки на моделі Резерфорда і Томсона та обговорення їх особливостей і відмінностей.

Резерфорд відразу зрозумів революційний характер ідей Бора і висловив критичні зауваження з самим фундаментальним пунктам теорії Бора. Після тривалих дискусій стаття Бора і дві його наступні статті були опубліковані. Однак остаточну відповідь на заперечення Резерфорда був даний тільки створенням квантової механіки.

У 1915 р Бор опублікував роботи «Про серіальному спектрі водню і будову атома» і «Спектр водню і гелію», «Про квантової теорії випромінювання в структурі атома». Він розвинув дослідження, виконані ним в Манчестері в серпні 1912, і опублікував їх під назвою «Теорія гальмування заряджених частинок при їх проходженні через речовину».

У грудні 1915 і січні 1916 Арнольд Зоммерфельд (1868-1951) розвинув теорію Бора, розглянувши рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнивши правила квантування Бора. Зоммерфельд дав також теорію тонкої структури спектральних ліній, запровадивши релятивістське зміна маси зі швидкістю. У його розрахунки ввійшла безрозмірна універсальна стала тонкої структури:

Теорія атома після відкриття Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.

Продовжуючи розвивати свої ідеї, Бор сформулював принцип відповідності (1918), який означав крок вперед у відповіді на питання, поставлені Резерфордом.

У 1922 р Бор отримав Нобелівську премію з фізики. У нобелівському доповіді він розгорнув картину з стояння атомної теорії до цього часу. Одним з найбільш істотних успіхів теорії було знаходження. ключа до періодичної системи елементів, яка пояснювалася наявність електронних оболонок, що оточують ядра атомів.

У 1925 р роботою Гейзенберга почалося створення квантової механіки. У тому ж році Уленбек і Гаудсмит, що працювали у еренфеста, відкрили спін електрона, а Паулі відкрив принцип, що носить нині його ім'я. Після відкриття Гейзенбергом в 1927 р принципу невизначеності Бор висунув як основний теоретичної ідеї квантової теорії принцип додатковості.

У 1936 р Бор виступив зі статтею «Захоплення нейтрона і будова ядра", в якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Ядерної фізики була присвячена також робота 1937 «Про перетворення атомних ядер, викликаних зіткненням з матеріальними частками».

В кінці 1938-початку 1939 р було відкрито розподіл урана.Atom бору

Бор, як і Томсон до нього, шукав таке розташування електронів в атомі, яке пояснило б його фізичні і хімічні властивості. Бор вже знає про модель Резерфорда і бере її за основу. Йому відомо також, що заряд ядра і число електронів у ньому, дорівнює числу одиниць заряду, визначається місцем елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. Таким чином, це важливий крок у розумінні фізико-хімічних властивостей елемента. Але залишаються незрозумілими дві речі: надзвичайна стійкість атомів, несумісна з уявленнями про рух електронів по замкнутих орбітах, і походження їхніх спектрів, що складаються з цілком визначених ліній. Така визначеність спектра, його яскраво виражена хімічна індивідуальність, очевидно, якось пов'язана зі структурою атома.

Стійкість атома в цілому суперечить законам електродинаміки, згідно яким електрони, роблячи періодичні рухи, повинні безупинно випромінювати енергію і, втрачаючи її, "падати" на ядро. До того ж і характер руху електрона, що пояснюється законами електродинаміки, не може приводити до таких характерних лінійчатих спектрів, що спостерігаються насправді.

Лінії спектра групуються в серії, вони згущуються в короткохвильовому «хвості» серії, частоти ліній відповідних серій підпорядковані дивним арифметичним законам.

Так, Йоганн Бальмер в 1885 р знайшов, що чотири лінії водню На, Нb, Нg, Hs мають довжини хвиль, які можуть бути виведені з однієї формули:

Пізніше було знайдено ще два десятки ліній в ультрафіолетової частини, і їх довжини хвиль також вкладалися у формулу Бальмера.

Йоганн Ридберг в 1889-1900 рр. знайшов, що і лінії спектрів лужних металів можуть бути розподілені по серіях. Частоти ліній кожної серії можуть бути представлені у вигляді різниці двох членів-термів. Так, для головної серії

де R - деяке постійне число, що отримало назву постійної Рідберга, s і р - дробові поправки, мінливі від серії до серії.

«Основним результатом ретельного аналізу видимої серії лінійчатих спектрів і їхніх взаємин, - писав Бор, -було встановлення того факту, що частота v кожної лінії спектра даного елемента може бути представлена ??з незвичайною точністю формулою v = T'-T", де T 'і T "- якісь два члена з безлічі спектральних термів T, що характеризують елемент».

Бору вдалося знайти пояснення цього основного закону спектроскопії і обчислити постійну Рідберга з таких фундаментальних величин, як заряд і маса електрона, швидкість світла і постійна Планка. Але для цього йому довелося ввести в фізику атома уявлення про стаціонарні стани атомів, перебуваючи в яких електрон не випромінює, хоча і здійснює періодичне рух по круговій орбіті.

Для таких станів момент імпульсу дорівнює кратному від h / 2p. При переході з однієї орбіти на іншу електрон випромінює і поглинає енергію, рівну кванту. У заключних зауваженнях до трьом своїм статтям «Про будову атомів і молекул» Бор формулює свої основні гіпотези наступним чином:

«I. Випускання (або поглинання) енергії відбувається не безперервно, як це приймається у звичайній електродинаміки, а тільки при переході системи з одного «стаціонарного» стану в інший.

2. Динамічна рівновага системи в стаціонарних станах визначається звичайними законами механіки, тоді як для переходу системи між різними стаціонарними станами ці закони не дійсні.

3. випускаються при переході системи з одного стаціонарного стану в інший випромінювання монохроматично, і співвідношення між його частотою v і загальною кількістю випромінювань енергії Е дається рівністю E = hv, де h - постійна Планка.

4. Різні стаціонарні стану простий системи, що складається з обертового навколо позитивного ядра електрона, визначаються з умови, що відношення між загальною енергією, випущеної при утворенні даній конфігурації, і числом оборотів електрона є цілим кратним h / 2p. Припущення про те, що орбіта електрона кругова, рівнозначно вимозі, що момент їм пульсу обертового навколо ядра електрона був би цілим кратним h / 2p.

5. «Основне» стан будь атомної системи, т. Е. Стан, при якому излученная енергія максимальна, визначається з умови, щоб момент імпульсу кожного електрона щодо центру його орбіти дорівнював h / 2p ».

Далі Бор пише: «Було показано, що при цих припущеннях з допомогою моделі атома Резерфорда можна пояснити закони Бальмера і Ридберга, що зв'язують частоти різних ліній в лінійчатому спектрі».

Саме Бор отримав для спектра водню формулу:

де t - цілі числа.

«Ми бачимо, -пише Бор, -що це співвідношення пояснює закономірність, що зв'язує лінії спектра водню. Якщо взяти t2 = 2 і варіювати t1, то отримаємо звичайну серію Бальмера. Якщо взяти t2 = 3, отримаємо в інфрачервоній області серію, яку спостерігав Ріллей і ще раніше передбачив Рітц. При t2 = 1і t2 = 4,5, ... одержимо у крайній ультрафіолетової і відповідної крайньої інфрачервоної областях серії, які ще не спостерігалися, але існування яких можна припустити ».

Дійсно, серія в ультрафіолетової області, відповідна t2 = 1, була знайдена Лайманом в 1916 р, серія в інфрачервоної області, відповідна t2 = 4 була знайдена брекетах в 1922 р, і серія t2 = 5 була знайдена Пфундом в 1924 р

Використовуючи відомі на той час значення е, т, h, Бор обчислив значення постійної в спектральної 'формулою:

тоді як експериментальне значення дорівнює 3,290 * 1015. «Відповідність між теоретичним і піднаглядним значеннями лежить в межах помилок вимірів постійних, що входять у теоретичну формулу», - писав Бор.

Після опублікування статей Бора Фаулер виявив нові лінії при розряді в трубці, заповненій воднем і гелієм, які, на його думку, не вкладаються в серію Бора. Бор уточнив теорію, ввівши рух ядра і електрона близько загального центру маси. Тоді:

в точній відповідності з експериментом.

У наступних роботах Бор безупинно уточнював основи своєї теорії. Вона була доповнена принципом відповідності (1918), що дозволяє робити певні висновки про інтенсивність і поляризації спектральних ліній.

Сам Бор неодноразово займався питанням про вплив магнітних і електричних полів на спектри атомів. Він же вперше включив у квантову теорію атома і розгляд рентгенівських спектрів, вважаючи, що «характеристичне рентгенівське випромінювання випускається при поверненні системи в нормальний стан, якщо яким-небудь впливом, наприклад катодними променями, були попередньо видалені електрони внутрішніх кілець» (1913).

Генрі Мозлі в 1913-1914 рр. відкрив закон зміщення довжин хвиль характеристичних променів, що належать до однієї і тієї ж серії, при переході від елемента до елементу. Частота рентгенівських променів, визначальна їх «жорсткість», зростає зі зростанням порядкового номера елемента.

Перше теоретичне тлумачення рентгенівських спектрів на основі ідей Бора полягає в тому, що вони зобов'язані переходам електронів на вакантні місця у внутрішніх оболонках. Воно було дано Зоммерфельдом в його фундаментальній праці 1916 У тому ж 1916 П. Дебай і П. Шеррер розробили нову методику рентгенівського аналізу кристалів в порошку, що одержала широке поширення в рентгеноструктурному аналізі.

Ідеї ??Бора отримали експериментальне підтвердження в дослідах Джеймса Франка (1882-1964) і Густава Герца, які починаючи з 1913 р вивчали зіткнення електронів з атомами парів і газів. Виявилося, що електрон може стикатися з атомами газів пружно і непружно. При пружному ударі електрон відскакує від важкого атома (наприклад, ртуті), не втрачаючи енергії, при непружного ударі його енергія втрачається і передається атому, який при цьому або збуджується, або іонізується. Порції енергії, що витрачаються на збудження атома, цілком певні: так, електрон при зіткненні з атомами ртуті втрачає енергію 4,9 еВ, що відповідає енергії кванта ультрафіолетового світла довжиною хвилі 2537 А.

Квантовий характер поглинання енергії атомом було продемонстровано в дослідах Франка, Герца та інших фізиків з разючою наочністю. За ці дослідження, які тривали кілька років, в 1925 р Франк і Герц були удостоєні Нобелівської премії.

Квантовий характер випромінювання і поглинання енергії атомом ліг в основу теоретичного дослідження про світлові кванти, виконаного Ейнштейном в 1916-1917 рр. У цьому дослідженні Ейнштейн вивів формулу Планка, виходячи з уявлення про направленому випромінюванні. Атом випромінює і поглинає енергію квантами. Вистрілюючи квант в певному напрямку, атом повідомляє йому не тільки енергію hv, а й імпульс.

При випромінюванні молекула газу переходить з енергетичного стану Zmc енергією emв стан Znс енергією enізлучая енергію em- en. Поглинаючи таку ж енергію, молекула переходить зі стану Znв стан Zm. Молекула може перейти зі стану Zmв стан Znсамопроізвольно, спонтанно. Імовірність такого переходу за час dt пропорційна цьому проміжку часу dt:

Але, крім цього спонтанного переходу, вперше введеного Бором при поясненні спектрів, по Ейнштейну, для молекул і атомів, що у світловому полі, можливі індуковані переходи під дією світлового випромінювання. Імовірність такого «індукованого випромінювання»:

де p -об'ємна щільність світлової енергії. Точно так само ймовірність поглинання енергії молекулою, що знаходиться в стані Znі переходу її на вищий енергетичний рівень Zmбудет:

У рівноважному стані атом в середньому стільки ж поглинає енергії, скільки і випромінює. Тому:

де за законом статистики Больцмана число молекул, що знаходяться в стані Zn, пропорційно:

З попереднього рівності виходить:

Покладемо ет - en = hv, для високих частот, застосовуючи закон Вина, отримаємо формулу Планка:

Ідея Ейнштейна про індукований випромінюванні знайшла в сучасній фізиці і техніці важливе застосування в лазерах.

Як було вже сказано, в 1916 р Зоммерфельд узагальнив теорію Бора, ввівши правила квантування для систем з декількома ступенями свободи у вигляді.

Він розглянув рух по еліпсу, запровадивши азимутальні і радіальні квантові числа. Ввівши далі просторове квантування й третє квантове число, він дав теорію нормального ефекту Зеемана. Нарешті, він дав теорію тонкої структури спектральних ліній і пояснення рентгенівських спектрів. Всі ці результати були докладно розроблені їм у класичній монографії «Будова атомів і спектри», перше видання якої вийшло в 1917 р До 1924 року включно ця книга витримала чотири видання. Останнє видання її вже у двох томах вийшло в 1951 р і російський переклад- в 1956 р

Таким чином, на 1917 р ідеї Бора отримали всебічний розвиток як в роботах самого Бору, так і інших авторів. Вони були експериментально підтверджені, і теорія Бора отримала загальне визнання. Але ті важкі питання, які були поставлені Резерфордом, ще не були зняті, а багато труднощів, з якими стикалася теорія в спробах розглянути Багатоелектронні атоми, аномальний ефект Зеемана і багато іншого, показали, що в теорії Бора при всіх її успіхи є серйозні недоліки принципового характеру. Труднощі і протиріччя накопичилися, і треба було шукати вихід.

 Виникнення квантової механіки (1925- 1930 рр)

 Труднощі теорії бору

Теорія Бора з самого початку викликала багато питань, що залишалися без відповіді. Ці питання були поставлені Резерфордом ще при обговоренні рукописи його першої статті. Як розуміти поєднання ідей Бора і класичної механіки, в якій немає місця для квантових стрибків, і звідки електрон знає, на яку орбіту йому слід перескакувати?

У 1896 р голландський фізик Пітер Земан (1865-1943) справив досвід, який намагався здійснити ще Фарадей. Полум'я натрієвої пальника він поміщав між полюсами електромагніту і спостерігав в спектроскоп її спектр. По осі електромагніту був просвердлений канал, так що явище можна було спостерігати не тільки перпендикулярно силовим лініям поля (поперечний ефект), але і вздовж поля (подовжній ефект). При спостереженні впоперек поля, крім лінії з частотою коливань vo, рівної частоті коливань за відсутності поля, спостерігалися дві лінії з частотами v1 = v0-Dv і v2 = v0-Dv. Всі три лінії лінійно поляризовані. Несмещенная лінія відповідає коливанням уздовж силових ліній, зміщені - коливанням, перпендикулярним силовим лініям. При спостереженні вздовж поля несмещенная компонента відсутня, зміщені лінії поляризовані по колу в протилежних напрямках.

Лоренц в 1897 р дав просту теорію ефекту, виходячи з уявлень, що в атомах електрони роблять кругові рухи з циклічною частотою w0. У магнітному полі на них діє сила Лоренца і частота звернення змінюється на величину Dw, рівну наближено:

Ларморовскіе (1857-1942) в 1899 р інтерпретував дію магнітного поля як дію поля тяжкості на дзига. Волчок прецессирует навколо напрямку сили тяжіння з кутовою частотою Dw. Точно так само обертаються електрони в атомі прецессируют навколо силових ліній магнітного поля з круговою частотою.

Зоммерфельд, розвиваючи теорію Бора, ввів ідею просторового квантування. Рух електрона по орбіті визначається радіальним і азимутним квантовими числами або головним квантовим числом п, визначальним енергію електрона, і побічним квантовим числом k, визначальним форму орбіти. Положення орбіти в просторі визначається третім магнітним квантовим числом т. Запровадження цього числа і квантування напрямів осі стосовно магнітному полю дозволяє дати пояснення ефекту Зеемана. Однак це пояснення у відомому сенсі було гірше пояснення, даного Лоренцем. Воно нічого не говорило про поляризації ліній. Взагалі теорія спектрів, по Бору і Зоммерфельду, говорила лише про частотах ліній і не могла пояснити їх інтенсивність і поляризацію. Щоб теорія могла щось сказати про це, Бор ввів принцип відповідності.

Згідно з цим принципом «існує далеко, що йде відповідність» між квантовим і класичним описом випромінювання. У квантовому описі лінії спектра випромінювання обумовлені переходами з одного стану в інший, в класичному ці лінії визначаються розкладанням руху електрона в ряд Фур'є. При цьому, як вказує Н. Бор, «частота випромінювання, що випускається при переході між стаціонарними станами, що характеризуються числами п 'і п", великим у порівнянні з їх різницею, збігається з частотою однієї з компонент випромінювання, яку можна очікувати при обраному русі електрона в стаціонарному стані на підставі звичайних уявлень. Далі Бор пише: «Переймаючись питанням про більш глибокому значенні знайденого відповідності, ми вправі, природно, чекати, що відповідність не обмежується збігом частот спектральних ліній, обчислених тим і іншим методом, але простирається і на їх інтенсивності . Таке очікування рівносильне тому, що ймовірність певного переходу між двома стаціонарними станами пов'язана відомим чином з амплітудою, відповідної гармонійної компоненті ».

Застосування принципу відповідності дозволило визначити і поляризацію в нормальному ефекті Зеемана. Квантовий перехід, відповідний зміни магнітного квантового числа на ± 1, дає кругову поляризацію в площині, перпендикулярній до силових ліній. Квантовий перехід Am = 0 відповідає лінійної поляризації, паралельної силовим лініям.

Але нормальний ефект Зеемана представляє швидше виняток, ніж норму. На досвіді зустрічається складніший ефект: розчленовування на кілька компонентів (мультиплетов). Мультіплети виявляються і лінії спектрів елементів. Аномальний ефект і мультіплетності структура спектрів не вкладалися в рамки звичайної теорії Бора.

З питанням про складну структуру ліній був тісно пов'язаний питання про магнітні властивості атома. Ще Д. С. Рождественський у своїй доповіді 15 грудня 1919 припускав, що дублети п триплети спектральних ліній обумовлені дією магнітних сил, ви званних рухом електронів. «Магнітна завдання має лежати в основі завдання про атомах», - говорив Різдвяний.

О.Штерн (1888-1969) і В. Герлах (нар. В 1889 р) в 1921 р пропустили молекулярний пучок через неоднорідне магнітне поле і незаперечно довели наявність у атомів магнітного моменту. Але деталі досвіду (розщеплення пучка на два) знову не вкладалися в теорію Бора - Зоммерфельда.

У тому ж, 1921 А.Ланде (1888-1975) дав формальну схему опису мультиплетов за допомогою векторної моделі і ввів пов'язаний з квантовими числами k і s множник Ланде. Він також отримав «подвійний магнетизм»: ставлення між магнітним і обертальним моментом атомного остова (тобто ядра і всіх електронів, крім оптичного) виявилося вдвічі більше того, який випливає з теорії Бора - Зоммерфельда. Суперечності з теорією Бора в її первісному варіанті накопичувалися на кожному кроці, і квантове опис спектроскопічних фактів все більш і більш ускладнювалося.

Особливо тяжке становище склалося в теорії світла. Ейнштейн у своїй класичній праці 1917 про світлові кванти зробив подальший крок у бік нової теорії світла. Він припустив, що атом випромінює, «вистрілюючи» квант світла в тому чи іншому напрямку (голчасті випромінювання). При цьому квант світла має всі властивості матеріальної частки: енергією Е = hv, масою m.

Ця ідея знайшла блискуче підтвердження у відкритті, зробленому американським фізиком Артуром Комптоном. У 1922 р Комптон, вивчаючи розсіювання рентгенівських променів речовиною, що містить слабо пов'язані електрони (графітом), встановив, що частота (довжина хвилі) розсіяних рентгенівських променів змінюється залежно від кута розсіяння. Зі збільшенням кута розсіювання вона зменшується (довжина хвилі збільшується), випромінювання стає більш «м'яким».

У 1923 р А. Комптон і незалежно від нього П.Дебай дали теорію «ефекту Комптона». Теорія була заснована на ідеї Ейнштейна: квант світла стикається з електроном за законом пружного удару. Застосовуючи закони збереження енергії і імпульсу, Комптон і Дебай отримали формулу для зміни довжини хвилі розсіяного випромінювання:

Дебай написав цю формулу в дещо зміненому вигляді. Це просте і наочне пояснення ефекту в сильному ступені сприяло зміцненню уявлення про квант світла як частинці, для якої Комптоном був запропонований термін «фотон», що став загальновживаним.

До 1924 в науці про світло склалося тяжке становище, яке дуже наочно охарактеризував О. Д. Хвольсон. Розділивши крейдою дошку на дві частини Л і В, він вписав на одній стороні факти, що пояснюється хвильової теорії світла, на іншій-факти, що пояснюється квантової теорією. «Ні хвильова, ні квантова теорії, -говорил у зв'язку з цим брав участь у з'їзді Еренфест, -не в змозі охопити всі області світлових явищ». Всеосяжної теорії світла, як це констатував Хвольсон, не було.

У пошуках виходу з тяжкого становища автори запропонували навіть відмовитися від вимоги застосування закону збереження енергії до окремих актів випромінювання і поглинання світла атомом. Однак гіпотеза Бора, Крамерса і Слетера була спростована експериментами, в яких доводилося, що кожен акт взаємодії світла з речовиною підпорядковується закону збереження енергіі.Ідеі де Бройля

У 1923 р в доповідях Паризької Академії наук були опубліковані три статті французького фізика Луї де Бройля: «Хвилі і кванти», «Кванти світла, дифракція і інтерференція». «Кванти, кінетична теорія газів і принцип ферма», в яких висувалася абсолютно нова ідея, що переносить дуалізм в теорії світла на самі частинки матерії.

Де Бройль розглядає певний хвильової процес, пов'язаний з тілом. рухаються зі швидкістю v = bс. Ця хвиля володіє частотою, обумовленою співвідношенням E = hv = mc2, і рухається в напрямку руху тіла зі швидкістю u = cb.

«Ми будемо розглядати її лише як фіктивну хвилю, пов'язану з переміщенням рухомого тіла». Де Бройль показує далі, що для електрона, що рухається по замкнутій траєкторії з постійною швидкістю, меншою швидкості світла, траєкторія буде стійка, якщо на ній укладається ціле число таких хвиль. Умова це збігається з квантовим умовою Бора. Швидкість частинки v = ре є швидкістю групи хвиль, що володіють частотами, мало відрізняються один від одного і відповідними частоті - Ця хвиля, яку де Бройль називав «хвилею фази», пілотує рух частки, що несе енергію ТЕ2, сама ж фазова хвиля енергії не несе. Гіпотеза де Бройля дозволяє «здійснити синтез хвильового руху і квантів». Де Бройль стверджує наявність у природі хвильових явищ і для частинок речовини. Він пише: «Дифракційні явища виявляються в потоці електронів, що проходять крізь досить малі отвори. Бути може, експериментальне підтвердження наших ідей слід шукати в цьому напрямку ».

Де Бройль вказує, що його нова механіка відноситься до колишньої механіці, класичної та релятивістської, «так само як хвильова оптика відноситься до геометричної». Він пише, що запропонований ним синтез «представляється логічним вінцем спільного розвитку динаміки і оптики з часу XVII ст.». Відкриття спина

У 1925 р в фізику було введено нове фундаментальне поняття спина. Це поняття було введено Уленбеком і Гаудсмітом, що працювали влітку 1925 у еренфеста в Лейдені. До цього часу В. Паулі опублікував свою роботу, яка містить формулювання принципу заборони, що носить його ім'я. Паулі показав, що квантовий стан електрона характеризується чотирма (а не трьома) квантовими числами і що в цьому стані може бути тільки один електрон. Стаття Паулі, що містить формулювання його принципу, була опублікована навесні 1925 Ще раніше Паулі вказав, що для характеристики стану електрона необхідно чотири квантових числа: головне кван товое число п, азимутальное квантове число I і два магнітних числа т, і nif. Гаудсмит розповів Уленбек про цю роботу Паулі. Дізнавшись це, Уленбек висловив таку думку, що електрон володіє ще одним ступенем свободи, яка відповідає обертанню електрона (спину).

«Після його зауваження про спині, - писав Гаудсмит, -ми відразу побачили, що повністю з'ясовується, чому т, завжди одно +1/2 або -1/2. Далі ми побачили, що всі випадки розщеплення Зеемана можуть бути пояснені, якщо приписати електрону магнітний момент, рівний одному цілому магнетону Бора. Крім того, стало ясно, що спін знаходиться в повній відповідності з нашим новим тлумаченням спектра водню ».

Еренфест негайно відправив статтю Уленбека і Гаудсмітом в «Die Naturwissenschaften». Вона з'явилася в 13-му номері журналу за 1925 Уленбек після консультації з Лоренцем з'ясував, що швидкість обертання електрона на екваторі для необхідного гіпотезою моменту повинно перевищувати швидкості світла, і зажадав повернення статті, але було вже пізно.

Паулі дуже несхвально зустрів статтю Уленбека і Гаудсмітом. Ще раніше він поставився негативно до аналогічної ідеї, висловленої Кроніга.

Бор і Гейзенберг, навпаки, проявили великий інтерес до нової гіпотези, а після того як Томас обчислив на основі гіпотези спина значення дублетного розщеплення, Паулі зняв свої заперечення.

Таким чином, 1925 р виявився роком народження квантової механіки Гейзенберга і Дірака, роком народження нової квантової статистики Бозе- Ейнштейна, роком народження принципу Паулі і гіпотези спіна.Спісок використаної літератури

1. П.С. Кудрявцев. «Курс історії фізики» М.1982.

2. М.П. Бронштейн. «Атоми і електрони» М. 1980.

3. Г. Ліпсон. «Великі експерименти у фізиці». М. 1972.

4. Ф. Содді. «Історія атомної енергетики». М. 1979.

5. К. Маколей. «Біографія атома». М.1984.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка