Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 6 из 68)
Сумма масс протонов и нейтронов составляет массовое число, или атомную массу А элемента. Ядра, имеющие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами. Химические свойства изотопов одинаковы: это один и тот же химический элемент. Любой элемент состоит из совокупности изотопов: например, водород – это смесь изотопов с массовыми числами 1 (протий), 2 (дейтерий) и 3 (тритий), поэтому приведенная в системе Менделеева атомная масса элемента представляет собой не целое, а дробное число (для водорода – 1,008). Многие изотопы неустойчивы и распадаются с выделением излучения или частиц с высокой энергией; это явление называется естественной радиоактивностью.
Встречаются также ядра, массовые числа которых одинаковы, но число протонов в ядре разное. Такие ядра называются изобарами; изобары обладают различными химическими свойствами, следовательно, являются различными элементами.
В химических превращениях ядро, спрятанное в глубинах атома, непосредственного участия не принимает. Поэтому химику важнее всего знать, как располагаются электроны в том или ином атоме, так как именно они обуславливают химические превращения элементов. Количество электронов на атомных орбитах равно количеству протонов в ядре, или заряду ядра, так как протон заряжен положительно (его заряд принимается равным +1), электрон – отрицательно (-1), а атом в целом электронейтрален. Так, у атома №5 вокруг ядра вращаются пять электронов.
1.4. Квантовый уровень
Планетарная модель атома противоречит законам классической электродинамики, то есть теории движения заряженных тел. В соответствии с этими законами, движущийся по орбите электрон очень скоро (через 10-8 сек) должен упасть на ядро (см. Рис. 1.3).
Рис. 1. 3. Вращаясь по замкнутой орбите, электрон должен постоянно излучать энергию
Однако на самом деле атомы очень стабильны. Датский физик Нильс Бор (1885-1962) разрешил это противоречие, предложив свою модель атома, основанную на двух постулатах, которые называют постулатами Бора:
атом имеет прерывистую последовательность стационарных состояний, находясь на которых электрон не испускает и поглощает энергию; при переходах от состояния к состоянию электрон излучает квант электромагнитной энергии. На основании своей модели атома водорода Бор сумел объяснить линейчатые спектры атомов. Если атомы какого-либо элемента, например, водорода, возбудить (сильно нагреть), то они начинают испускать свет. Этот свет можно разложить в спектр (при помощи стеклянной призмы или дифракционной решетки) и получить ряд линий (цветных, если они расположены в видимой области спектра) – «визитную карточку» атома (см. Рис. 1.4). Каждый элемент имеет уникальный спектр, что широко используется для определения элементного состава различных образцов, а сыграло огромную роль в открытии новых элементов. Так, например, при анализе спектра Солнца был открыт гелий. Такой метод исследования элементов и их соединений называется спектральным анализом. Твердые тела и жидкости, где атомы тесно сближены друг с другом, дают сплошной спектр, а газы и пары, где атомы удалены друг от друга, - линейчатый, содержащий только определенные длины волн. Спектры и спектральный анализ были открыты ещѐ в XVIII веке и широко применялись в научных исследованиях, однако только Бору удалось объяснить происхождение и уникальность линейчатых спектров атомов.
Рис 1.4. Спектр водорода в видимой области
Наиболее простой спектр имеет атом водорода, поэтому он очень хорошо изучен. В видимой области спектра имеются всего четыре линии, - красная, зеленая, синяя и фиолетовая (Рис.1.4).
Бор предположил, что каждая спектральная линия появляется в результате перехода электрона в атоме водорода с более удалѐнной орбиты на орбиту, более близкую к ядру. При этом испускается порция энергии, равная разности энергий электрона на более удалѐнной и менее удалѐнной орбитах (Рис. 1.5).
Рис 1.5. Модель Бора, объясняющая появление в спектре водорода строго определенных линий
Теоретические расчѐты частот спектральных линий водорода, сделанные Бором, точно совпали с экспериментально полученными значениями. Это значит, что модель Бора отражает реальность. Энергия каждого перехода рассчитывается по формуле Планка-Эйнштейна:E
(1.2)Где Е – энергия, v – частота спектральной линии, а h (постоянная Планка), или квант действия.
Понятие «действие» является одним из главнейших понятий механики. На современном языке оно звучит так: ничто на свете не происходит без затрат энергии и времени, но особенно важно их произведение. Оно показывает, что малая энергия за долгое время производит то же действие, что большая энергия за короткий срок.
Произведение энергии и времени есть действие. В восемнадцатом веке Пьер-Луи де Мопертюи сформулировал классический принцип наименьшего действия «Если в природе происходит само по себе какое-либо изменение, то необходимое для этого количество действия есть наименьшее возможное», который спустя столетие стал руководящим в классической механике; из него выводились все уравнения движения. Мерой движения тел является энергия. Энергия существует в разных формах, например, в виде тепла и света. О природе света спорили еще Ньютон и его современник Гюйгенс. Ньютон считал свет состоящим из материальных частиц, как все остальные материальные тела. Гюйгенс же рассматривал свет как волновой процесс. В XIX было доказано, что свет - это электромагнитные волны с определенной длиной волны λ и частотой ν. Ниже в Таблице 1.1 приведен весь диапазон электромагнитных волн. По мере продвижения к рентгеновским лучам дина волны уменьшается, а частота растѐт. Область видимого света по сравнению со всем диапазоном электромагнитных волн очень мала.
Таблица 1.1. Диапазон электромагнитных волн
| Вид излучения | Длина волны | Частота |
| Постоянный ток | 3х106 м | 102 гц |
| Переменный ток | 3х104 м | 104 гц |
| Радиоволны | 3х102 - 3 м | 106 -108 |
| Инфракрасное излучение | 3х10-4 | 1012 |
| Видимый свет: Красный Синий | 3х10-6 3х10-8 | 1014 1016 |
| Ультрафиолетовое излучение | 3х10-9 | 1017 |
| Рентгеновское излучение | 3х10-10 | 1018 |
| Гамма-излучение | 3х10-12 | 1020 |
В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858 - 1947) высказал предположение, что вся энергия, в том числе и тепловая, и световая, излучается и поглощается в виде порций, или квантов (в основе этого термина лежит латинское слово «quantum», что значит «сколько»). Наименьшую порцию энергии, равную 6,6262∙10-34 Дж∙сек, называют квантом действия, или постоянной Планка. В 1905 году Альберт Эйнштейн (1879 - 1955) пришѐл к выводу, что свет существует в виде потока квантов, или фотонов, каждый из которых является одновременно волной и частицей, то есть обладает корпускулярноволновым дуализмом (двойственностью).
Только с помощью такого допущения он смог объяснить механизм фотоэффекта: облученные светом определенной частоты, некоторые вещества начинали испускать электроны, то есть проводить электрический ток, потому, что только кванты света, обладающие достаточной энергией, способны «выбить» из вещества электроны.
Энергию фотона можно вычислить по формуле Планка-Эйнштейна (1.2). Отсюда можно вывести физический смысл мировой квантовой константы h. Чем выше частота излучения, тем большей энергией обладает квант. У каждого кванта частота колебаний своя, но основа дробности и малости у всех квантов общая. Ею служит величина наименьшего физического действия в природе. Для обозначения этого наименьшего действия Планк и ввел свою константу h. Наука о движении в микромире получила название квантовой механики, потому что постоянная Планка входит во все еѐ основные принципы и уравнения.
Оказалось, что электрон, как элемент микромира, не подчиняется законам классической механики. Он не излучает, находясь на стационарной боровской орбите, а между боровскими орбитами находятся запрещѐнные области пространства, в которых электрон существовать не может. Неклассическая теория движения, квантовая механика, составной частью которой является неклассическая теория строения вещества, квантовая химия, объясняет это невероятными для классической физики свойствами электрона: он является одновременно и частицей, и волной, то есть микрочастицам так же, как и фотонам света, присущ корпускулярно-волновой дуализм. Электрон может находиться только в тех областях пространства, которые вмещают целое число электронов-волн. Длину волны электрона можно рассчитать по уравнению, предложенному французским физиком Луи де Бройлем (1892 - 1986):