Строение атома. Чи є межа таблиці Менделеева?

Пермський державний педагогічний университет.

Реферат по теме.

Еволюція поглядів на будову атома.

Чи є межа системі елементів Менделеева?

Виконав студент 141 группы.

Попов Илья.

Перм 2002.

Виникнення атомістики 3.

Атомистика в послеаристотелевскую епоху 5.

Подальший розвиток атомістики (ХІХ ст.) 5.

Періодичний закон. Чи є кордон 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 атомистики.

Питання будову навколишнього світу завжди хвилював людини. Початок сучасної науці про будову речовини було покладено в античному світі, роботами давньогрецьких учених різних шкіл — ионийской, элеатской, пифагорейской. Ідея первинної матерії (праматерії) ионийцев була привабливою й в тій чи іншій формі відроджувалася у фізиці. Допитливе мислення античних греків побудувало концепцію елементів, з яких побудована Всесвіт. Вперше цю концепцію було висунуто Эмпедоклом (близько 490—430 рр. е.). «Эмпедокл,—говорил грецький філософ і історик Тео-Фраст, — передбачає чотири матеріальних елемента, саме: вогонь, повітря, води і землю; ці елементи, будучи вічними, змінюються за кількістю і величиною шляхом з'єднання заліза і поділу. Існують двоє начал, з яких елементи наводяться в рух — Любов і Ворожнеча, бо елементи мають піддаватися двоякому руху, а саме: то з'єднанню шляхом Любові, то поділу шляхом Ворожнечі». Отже, й усе розмаїття речей, по Эмпедоклу, зумовлено поєднанням чотирьох різних елементів, а причиною зміни у природі є дію популярних та отталкивательных сил, які в Эмпедокла носять названия—Любовь і Ворожнеча. Істотно, що Эмпедокл ясно стверджував загальне початок збереження. Його елементи вічні і неразрушимы. «Ніщо неспроможна статися з нічого, і неспроможна те, знищитися». З цієї принципу Эмпедокла і починається історія законів збереження, граючих таку фундаментальну роль у сучасній фізиці. З V в. 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 зв. е.), який створив учення про «насінні» всіх речей і рушійному початку «нус» (дух), сообщившем елементам матерії обертальне рух, у результаті якого утворилася Земля і всі речі. Анаксагор був сучасником засновників атомістики Левкиппа і Демокрита (близько 460−370 рр. е.). Демокріт написав безліч творів із різних галузей науки: математиці, фізиці, філософії та інших. Основні становища теорії Демокрита відтворюються у багатьох сучасних книжках з фізики й філософії майже одними й тими самими словами: 1. З щось відбувається нічого. Ніщо існуюче може бути зруйновано. Усі зміни завдяки з'єднанню і розкладанню частин. 2. Ніщо не відбувається випадково, але не всі відбувається по якомусь підставі і із необхідністю. 3. Немає нічого, крім атомів і чистого простору, решта лише погляд. 4. Атоми нескінченні за кількістю і різноманітні формою. У вічному падінні через нескінченне простір великі, яке падає скоріш, вдаряються про менші; що виникають із 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 розрізнення їх атомів серед, величині, форми і порядку; якісного різницю між атомами не існує. У атомі немає жодних «внутрішніх станів»; діють друг на друга лише шляхом тиску і удару. 6. Душа складається з тонких, гладких і круглих атомів, подібних атомам вогню. Ці атоми найбільш рухливі, і рух їх, проникаючі в тіло, виробляють все життєві явища. Атомне вчення, пройшовши крізь століття, витримало жорстоку боротьбу з ідеалізмом і став основою всього сучасного природознавства. У вченні атомистов грає істотну роль принцип збереження, який, як бачимо, був у ионийцев. Новим моментом є припущення порожнечі. Ні в ионийцев, ні в піфагорійців, ні в элеа-тов порожнечі немає места.

У системі Демокрита немає для якогось «розуму», що виробляє рух частинок, рух атомів вічно і потребує особливому початку. Рухомі в порожньому нескінченному просторі атоми, зіштовхуючись друг з іншому, виробляють все речі й незліченні світи. Байдуже нескінченне простір Демокрита — це зовсім новий елемент картини світу, та її поява викликано успіхами геометрії. Сам Демокріт була великим математиком. У математичних доказах Демокрита величезну роль грала атомистика. Атомами лінії були точки, атомами поверхні — лінії, атомами объемов—тонкие аркуші. Успіхи геометрії формували уявлення про порожньому просторі, позбавленому будь-яких почуттєво відчутних властивостей. Лінії, поверхні, геометричні тіла ставали абстрактними образами, чистої формою. Простір, властивості що його подальшому описав Евклид, є чистої протяжністю, позбавленої матеріального змісту, і ареною руху атомів, вмістилищем всіх тіл природи. Відповідно до вченню атомистов нескінченно порожнього простору й атомів достатньо описи різноманітних явищ світу, у цьому, числі соціальних і психічних. Вчення атомистов—монистическое вчення, яким матерія і движение—основы бытия.

До 431—404 рр. е. настав занепад Афін і афінської демократії. Відбувалися глибокі зміни у ідеології. Матеріалістична система ионийцев і атомистов вытеснилась ідеалістичної філософією Сократа (469—399 рр. е.) та її учня Платона (427—347 рр. е.). Суспільство відчувало потреба у систематизованому науковому знанні, і частку учня Платона, знаменитого мислителя давнини Аристотеля стояло завдання скласти систематичний звід наукових знань свого часу. Наукова спадщина Аристотеля величезна. Воно утворює повну енциклопедію наукових знань свого часу. Мабуть, жоден учений не надавав такого тривалої й глибокого впливу розвиток людській думці, як Аристотель. Його погляди приймалися за істину протягом кількох століть. У середньовічних європейських університетах природознавство містилося по Арістотелеві, якого називали предтечею Христа в тлумаченні природи. Він визнавав об'єктивне існування матеріального світу та її познаваемость. Але водночас він вірив у існування богів, протиставляв земної і небесний світи, шукав вищу мету природи й т. п. Аристотель був хресним батьком науки про мир. Назва книжки, присвяченої дослідженню природи («фізика»), стало назвою фізичної науки. Істотним моментом у виставі Аристотеля про матерії і те, що саму себе собою використовують тільки можливістю виникнення реальної речі, деяким пасивним початком природи. Щоб річ стала реальністю, вона повинна переважно отримати форму, що перетворює можливість у дійсність. Будь-яка річ є єдність матерію та форми, у природі відбуваються постійні переходи матерії до форми, форми в матерію. Звідси виникає вчення Аристотеля про чотирьох діючих причинах: 1) матеріальної; 2) формальної; 3) виробляючої; 4) кінцевої. Активна яка виробляє причина є рух, кінцева — мета. Вчення про чотирьох причинах одержало велике поширення середні століття, ставши наріжним каменем схоластики. У своїй «фізиці» Аристотель докладно розбирає погляди своїх попередників — ионийцев, элеатов, Анаксагора, Левкиппа і Демокрита на першоджерела світу. Він критикує погляди атомистов, визнають порожнечу і незліченну кількість атомів і світів, оскільки, на його думку, цю крапку зору призводить до логічним протиріччям. Нескінченне мислиме лише у можливості («потенційна нескінченність»), реальний світ конечен і обмежений і із кінцевого числа елементів. Поняття порожнечі, за Аристотелем, також веде до протиріччям з дійсністю. Правильно зазначивши, що навколишнє середовище чинить опір руху і тим більшу, що вона щільніше, Аристотель дійшов висновку, що нескінченне розріджений порожній простір призводило б до нескінченному руху. Це з її думки, неможливо. За відсутності опору швидкість тіла було б безкінечною, що також неможливо. Цікаво, що іншим аргументом проти порожнечі є абсолютно правильний висновок Аристотеля про однаковою швидкості падіння всіх тіл без неї, як і висновок про нескінченному инерциальном русі. У реальних умов рух звісно, і тіла падає з різну швидкість. Аристотель вважає, що, ніж важче тіло, то швидше воно падає. Порожнеча, невагомість, за Аристотелем, неприродні, неможливі. Аристотелевский физик—это людина, яка у повітряної середовищі на нерухомій Землі, на полі тяжіння цієї Землі та не мислячий світ без цих атрибутів. У відповідність до повсякденними уявленнями Аристотель приймає геоцентричну систему світу і концепцію обмеженою Всесвіту, расслоенной на сфери руху небесних світил. Природознавства потрібно було пройти тривалий шлях пошуків і, щоб дійти іншому миропониманию.

Атомистика в послеаристотелевскую эпоху.

Війни Олександра Македонського змінили обличчя древнього світу й виробництвом призвели в зіткнення грецьку і східну цивілізації. На цьому контакту виник сплав культури, грає великій ролі у світовій історії. У історії науку й культури древнього світу почалося нове період, який одержав назва елліністичного, що тривав в освіті елліністичних держав (кінець IV—начало III в. е.). Останнім блискучий представник афінської науки був Епікур (341—270 рр. до зв. е.), развивший вчення Демокрита про природу. Вчення Эпикура про природу грунтується на концепції атомів Демокрита, але кілька відмінному. Значним є розмах атомної теорії. Існуванням атомів Епікур, а й за них і Лукреций намагаються пояснити все природні, психічні і соціальні явища. Саме уявлення про атомах виводиться з добре відомих фактів. Так, білизну сохне оскільки під впливом сонця і вітру від цього відриваються невидимі частки води, рука мідної статуї у міських воріт, до котрої я доторкаються в поцілунку губи які входять у місто, помітно тонше проти інший рукою, бо за поцілунку губи несуть частки міді. Атоми перебувають у безладному русі, і Лукреций малює модель руху атомів, уподібнюючи його руху порошин в сонячному промінні, ворвавшемся в темну кімнату. Це перше історія науки картина молекулярного руху, написана древнім автором. Саме хаотичне рух атомів Епікур пояснює інакше, ніж Демокріт. Епікур не визнає розбіжності у швидкості падіння малих великих атомів; в порожньому просторі все частки рухаються з однаковим швидкістю. Однак у деякі моменти спонтанно виникають випадкові невеликі відхилення тій чи іншій частки від прямолінійного шляху. Ці відхилення Епікур вважав необхідними, щоб пояснити вільну волю людей, отже атоми хіба що також мають певної «свободою воли».

Геніальні здогади древніх атомистов визначили майбутній успіх атомної теорії матерії. Атомистика Эпикура — Лукреція продовжувала лінію наукового розвитку доаристотелевского періоду. Але атомистика послеаристотелевской епохи носить й суттєво нових рис: більше конкретна, більш «фізична», ніж теорія Аристотеля і атомистика Демокрита. Атоми Демокрита сутнісно суто геометричні образи, вони характеризуються лише формою і обсягом. У Эпикура і Лукреція атоми мають вагою, щільністю (твердістю) і, нарешті, внутрішньої здатність до мимовільним отклонениям від прямолінійного руху. Природознавство у цю епоху стало переходити зі сфери відстороненого, філософського міркування природою сферу конкретних фактів і явищ. Евклид (жив у III в. е.) підсумував і систематизував математичні знання своїх попередників, з яких його учителем був знаменитий учений Евдокс Книдский. «Почала» Евкліда є виклад тієї геометрії, відому і нині під назвою евклідовій геометрії. Евклидово простір порожній, безмежну, изотропное, має три виміру. Евклид додав математичну визначеність атомістичної ідеї порожнього простору, у якому рухаються атоми. Найпростішим геометричних об'єктом у Евкліда є точка, що він визначає а саме, що ні має частин. Інакше кажучи, точка— це неподільний атом пространства.

Подальший розвиток атомістики (XIX в.).

Всеохопність принципів термодинаміки, відкритих кордонів та розроблених до цього часу й, зокрема, другого початку, змушувала фізиків-теоретиків шукати причини універсальної мощі термодинаміки. У результаті науці з’явилося двоє напрями: феноменологическое і атомистическое. Феноменологічний напрям не вважало необхідним шукати глибших причин фізичних процесів, воно обмежувало завдання вивчення природи описом явищ з урахуванням експериментально встановлених принципів. Енергетики Гельм, Оствальд та інші вважали енергію основним поняттям науки, а такі поняття, як «матерія», «сила», похідними і навіть зайвими. Що ж до уявлення про атомах і молекулах, то енергетики, і навіть віденський фізик Ернст Мах, одне із відомих прибічників феноменологічного напрями, вважали ці уявлення продуктами чистої фантазії, аналогічними уявленням про відьом і привидів. Але такі видних представників науки, як Клаузиус, Максвелл, та був Больцман, успішно розробляли молекулярно-кинетическую теорію. Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гіббс, розвиваючи фізичну атомистику, шукали закони, управляючі поведінкою колективу атомів і молекул, роблячи по можливості прості гіпотези про будову самих атомів. У ХІХ в. єдиним засобом спостерігати взаємодії атомів та імідж визначатимуть їх індивідуальні особливості були хімічні реакції. Саме надрах хімічної атомістики народилася перша гіпотеза — про будову всіх атомів з атомів водню (Проут, 1815). У 1859 р. було зроблено важливе відкриття оптиці, фізик Густав Кирхгос (1824−1887) і хімік Роберт Бунзен (1811—1899) відкрили спектральний аналіз, дав до рук хімікам нове потужний засіб исследования.

Періодичний закон. Чи є кордон системи елементів Менделеева?

У 1869 р. було відомо 63 хімічні елементи. У цьому року Д.І. Менделєєв відкрив фундаментальний закон розподілу елементів в систему, що він назвав періодичної системою хімічних елементів. Доти протягом понад сто у світі панувала картина світу, які цілком висловив 1808 року своєю працею «Нова система хімічної філософії» Джон Дальтон. Вже було відомо, що водень, кисень, сірка та інші речовини — прості тіла складаються з атомів одного сорти, а вода, аміак, вуглекислий газ та інших. — складні, створено комбінацією атомів різних речовин. Це дуже підтверджувалося дослідами того времени.

Хімічні реакції, по Дальтону, полягають у тому, що атоми вступають друг з одним у різні комбінації, створюючи «складні атоми» (молекули), потім ці молекули розпадаються, утворюються нові молекули тощо. буд., подібно тому як танцюристи, переходячи від однієї танцю до іншого; утворюють нові комбінації. Проте самі атоми у своїй залишаються незмінними і вічними: змінюється але їхні розподіл. «Кожна частка води, — каже Дальтон у своїй «Хімічної філософії «, — в точності справляє враження будь-яку іншу частку води; кожна частка водню в точності справляє враження будь-яку іншу частку водню тощо. буд. Хімічне розкладання і хімічну сполуку означають лише те, що атоми видаляються друг від друга або ж знову зчіплюються разом. Але хімік неспроможний знищити матерію або створити її знову. Намагатися створити чи знищити хоча б тільки атом водню як і безнадійно, як намагатися додати ще одну планету до Сонячну систему чи знищити котрусь із існуючих планет. Усі, що ми в змозі зробити, — це роз'єднати атоми, соединившиеся чи сцепившиеся друг з одним, або ж з'єднати ті атоми, які перебувають з великої відстані один від друга». «Хімічна філософія», викладена у тих рядках Дальтона, справді стала філософією цілого ряду поколінь хіміків і фізиків. Неможливість створення хоча самого нового атома цієї хімічної елемента, неможливість перетворення одних атомів до інших — усе було необхідним висновком із усієї величезної досвідченого матеріалу, у якому грунтувалася наукова хімія. У пункті Дальтон ні сходився з Бойлем, що у 1661 року писав, хоча атоми залишаються незмінними попри всі хімічні явища, але тим щонайменше колись знайдено якийсь «сильний тонку агент», з допомогою якого вдасться розбити атоми більш дрібні частини й перетворити одні атоми до інших. Ця думка Бойля здавалася Дальтону чистої фантазією: жоден хімічний факт не символізував те, що атоми можливо розбивати на частини й перетворювати один у друга.

У 1816 грду несподівано знайшлась одна прибічник Бойля, намагався підтвердити її фактами. То справді був Вільям Праут, який надрукував журналі «Філософські аннали» статтю, де звертав особливу увагу попри те, що це атомні маси, яке визначив Дальтон, виражаються цілими числами. Це — дуже чудовий факт, говорив Праут, якби атоми всіх хімічних елементів були первинними, основними частинками, справжніми «цеглинами світобудови», неразложимыми на дріботячи і анітрохи не пов’язаними друг з одним, то яка міг би бути причина те, що атом азоту рівно в п’ять разів перевершує щодо маси атом водню, а атом кисню — рівно в сім разів? Думка Праута он яке: атом азоту, який, по Дальтону, рівно до п’яти разів перевищує щодо маси атом водню, — і є п’ять атомів водню, дуже тісно зчеплених друг з одним; атом кисню — це сім атомів водню, тісно зчеплених друг з одним; атом ртути—это 167 тісно прижавшихся друг до друга водневих атомів тощо. буд. Отже, що це на світлі полягає у кінцевому підсумку з водню. І чим ж пояснити, що ж усе-таки в хімічних дослідах неможливо вдається, наприклад, розкласти кисень на водень? Дуже пересічно, відповідає Праут, все річ у тому, що коли і сім атомів водню зчіплюються, щоб утворити атом кисню, всі вони зчіплюються набагато тісніші, чому тоді, коли, наприклад, атом водню і атом кисню зчіплюються, щоб утворити молекулу води. Саме тому в хімічних дослідах і розкласти молекулу води на атом водню і атом кисню, але й як і вдається розкласти атом кисню до 7 атомів водорода.

Стаття Праута була переконлива, — багато повірили у те, що водень є справді «первинне речовина», з якого складається на світі. Тільки була біда — ті хімічні аналізи, виходячи з яких Дальтон обчислив свої атомні маси, були аж надто неточні. Якщо провести аналізи ретельніше і обчислити атомні маси точніше, то чи будуть вони заколишньому цілими числами?

За грандіозну роботу точного визначення атомних мас взявся знаменитий шведський хімік Ієні Якоб Берцелиус. Берцелиусу, більш ніж комусь іншому, хімія зобов’язана тим, що вона почала точної наукою. Протягом свого життя Берцелиус проаналізував більше дві тисячі різних хімічних сполук, і його аналізів від самих точних нинішніх результатів але лише на 1—2%.

Берцелиус прагнув визначити склад молекули те щоб задовільно пояснити можливо більше хімічних фактів. Таким чином Берцелиус виявив, наприклад, що молекула води не з цих двох атомів, та якщо з трьох — одного кисневого і двох водневих, що молекула аміаку складається з чотирьох атомів — одного азотного й трьох водневих, тощо. буд. Усе це призвела до того, хоча роботи Берцелиуса і дали блискуче підтвердження основних ідей Дальтона, але отримані Дальтоном конкретні цифри — атомні маси — виявилися всуціль неверны.

Отже, гіпотеза Праута, засновану у тому, що атомні маси елементів — точні цілі вересня той час не подтвердилась.

|Таблиця хімічних елементів, їх символів і атомних мас *) | |№ |Назва і символ |Ат. маса|№ |Назва і символ |Ат. | | | | | | |маса | |1 |Водень М |1,008 |37 |Рубідій Rb |85,468 | |2 |Гелій 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 У |10,811 |41 |Ніобій 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 |Родій Rh |102,905 | |10 |Неон Ne |20,179 |46 |Палладіо Pd |106,4 | |11 |Натрій Na |22,990 |47 |Срібло Ag Кадмій Cd|107,868 | |12 |Магній Mg |24,305 |48 | |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 P. S |32,06 |52 |Телур 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 |Церій Се |140,12 | |23 |Ванадій V |50,941 |59 |Празеодим Рг |140,908 | |24 |Хром Сг |51,996 |60 |Неодим Nd |144,24 | |25 |Марганець Мп |54,938 |61 |Прометій Рш |146 | |26 |Залізо Fe |55,847 |62 |Самарій Sm |150,4 | |27 |Кобальт З |58,933 |63 |Європій Їй |151,96 | |28 |Нікель^ Ni |58,70 |64 |Гадоліній Gd |157,25 | |29 |Мідь Сі |63,546 |65 |Тербий ТЬ |158,925 | |30 |Цинк Zn |65,38 |66 |Диспрозій Dy |162,50 | |31 |Галій Ga |69,72 |67 |Гольмий Але |164,930 | |32 |Німеччин Ge |72,59 |68 |Эрбий Ег |167,26 | |33 |Миш'як As |74,922 |69 |Туллій Тш |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-таки, що дуже багато атомні маси, особливо на початку таблиці, дуже близькі до цілим числам, іноді у точності їм рівні, наприклад, у фтору і вуглецю, інколи ж від них менше, ніж 0,01, наприклад, у водню, гелію, азоту, натрію тощо. буд. Ця дивна обставина змушує начебто поставитися з певним увагою до гіпотезі Праута, оскільки важко уявити, щоб могло бути результатом чистого випадку, але з тих щонайменше такі атомні маси, як в магнію чи хлору, а про численні елементах з більшими на атомними масами, все-таки примушують відкинути те, що все атоми складаються з атомів водню. Тож у ХІХ столітті цілком зміцнилося і поширилося уявлення у тому, що це тіла у світі складаються з цих кількох десятків сортів атомів що є цілком незалежними друг від друга основними елементами світобудови. Атоми вічні і неразрушимы не можуть перетворюватися один одного. І все-таки, попри всі це, серед фізиків і хіміків жила й надалі невиразне переконання те, що між атомами різних хімічних елементів є якісь зв’язку, що це атоми утворюють якусь природну систему. У 1786 року німець М. Р. Марні надрукував книжку, озаглавлену «Про кількість елементів». У цій книзі містичної та дивної, він висловлює свій глибокий переконання у цьому, що «від щонайменшої порошини сонячного променя до святійшого серафима можна спорудити цілу сходи творінь» І що атоми хімічних елементів теж є сходами цієї драбини. Ця ідея Марні збурити до жодних наслідків, поки хімічні елементи були в достатній мірі виділено і вивчені. Але по тому, як Каннипцаро опублікував (в 1858 року) свою таблицю атомних мас, прагнення до природною класифікації хімічних елементів мало дати добрі плоди. У 1863 року англієць Дж. А. Ньюлендс, скориставшись атомними масами Канниццаро, знайшов, що й розмістити елементи гаразд зростання їх атомних мас, такий список елементів природно розкладається на октави, т. е. на рядки по сім елементів у кожному, де кожен елемент має великим подібністю з за двозначним номером елементом попередньої і наступного октав. Наведемо перші три октави Ньюлендса: М, Li, Be, У, З, N, Про; F, Na, Mg, Al, Si, P, P. S; С1, До, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогія в тому, що це елементи, які стоять другою місці в своєї октаві (літій, натрій, калій), є званими лужними металами, утворюючими сполуки за одним й тому типу, наприклад дають солі LiCI, NaCl, KC1; елементи, які стоять третьому місці в октаві (берилій, магній, кальцій), є званими щелочноземельными металами, дають теж схожі один на друга, але вже настав іншого типу сполуки, наприклад солі BeCl, MgCl, CaCl. Фтор дуже схожий зі своєї хімічної природі на стоїть під нею хлор, азот виявляє деякі аналогії з фосфором, кисень — зі сріблясто-сірою тощо. буд. Зауважимо, втім, що це виходить гаразд і переконливо лише перших октавах Ньюлендса: в подальших октавах було більше плутанини, й у окремих випадках для її усунення Ньюлендс дозволив собі відступити від прийнятого ним плану і розташовувати елементи ні гаразд зростання атомної массы.

Кілька років тому після цього спроби Ньюлендса у неї повторена двома іншими працівниками, які працювали над питанням природною класифікації елементів цілком незалежно друг or друга. Однією з яких був Юліус Мейєр, другим—Дмитрий Іванович Менделєєв, професор університету у СанктПетербурзі. І Мейєр, і Менделєєв зметикували, що може існувати й елементи, ще відкриті хіміками, тож, якщо того вимагає класифікація, можна залишати в таблиці пропуски, відповідні ще відкритим елементам. З іншого боку, вони вважали схему Ньюлендса з її однаковими рядками надмірно вузької і допустили, що рядки (періоди) можуть ставати довші до кінця таблиці. Вже четвертої рядку таблиці класифікація зажадала залишення порожніх місць. Цими порожніх місцях має перебувати якісь ще відкриті елементи. Три таких елемента Менделєєв заочно точно описав і потім вони було відкрито. Також нічого немає неможливого існування у природі елементів з атомної масою, більшої урану. Нині такі «трансуранові» елементи отримано штучно. Можна навіть стверджувати, що краю таблиці й не існує отримання чи перебування інших трансуранових елементів — цю відповідальну справу будущего.

Таке, загалом, вчення про атомах хімічних елементів, створене Дальтоном і що визначило все розвиток хімії у ХІХ столетии.

з допомогою що його результаті було розшифровано періодичний закон. Випущення а-частицы призводить до зміщення радиоэлемента на два місця вліво в періодичної системі (у напрямку зменшення маси). Але проходження радіоактивних рядів через періодичну систему не прямолінійне, а зигзагообразное, отже преобертовий радіоелемент часто повертається назад—на те місце, яке обіймав до цього часу періодичної системі його материнський продукт. Коли це відбувається, виявляється, що материнський радіоелемент та її наступний продукт розпаду — ізотоп (котрий обіймає те з, моє місце у періодичної системі) мають однакові хімічні властивості, попри розбіжності у тому атомних массах.

Інтерпретація періодичного закона.

У 1911 р. було сформульовано закон радіоактивних зсувів (періодичний закон), що у його закінченою формулюванні виявилося надзвичайно простим і допускає ніяких винятків. Він був справжнім фундаментом. За цим законом, випущення (-частки веде до зрушення радиоэлемента одне місце вправо в періодичної системі, а випущення а-частицы — до зміщення радиоэлемента на два місця у напрямку. Оскільки багато а-распады супроводжуються двома наступними ((-распадами, то таких випадках третій продукт розпаду завжди повертається — і натомість періодичної системи — цього разу місце вихідного а-излучателя, будучи хімічно тотожний з нею, попри різницю у чотири одиниці у тому атомних масах. У 1913 р. вони було названо ізотопами чи ізотопними елементами; цей термін означає, що вони є одним і те місце у періодичної системі. Ізотопи двох різних елементів може мати однакову атомну масу, і тоді їх називають изобарами. Рідше ізотопи однієї й тієї ж елемента може мати однакову атомну масу, але різну стабільність, т. е. них радіоактивний, а інший— нет.

Оскільки а-частица має зарядом на два позитивні одиниці, а заряд (-частки дорівнює одиниці зі знаком мінус, одразу стала очевидною, що періодичний закон відбиває зв’язок між хімічними властивостями зв внутриатомным зарядом, але з масою. Нині періодичний закон є in cxtcnto (всюди) вираженням, по-перше, атомної (дискретної) природи електрики і, по-друге, нового виду атомистики.

Aтом Резерфорда-Бора.

Моделі atоma до бора.

Але повернімося до послідовному викладу розвитку поглядів на будову атома.

Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, і квантової теорії — з іншого, увінчалися створенням квантової моделі атома Резерфорда — Бору. Але створення цієї моделі передували спроби побудувати модель атома з урахуванням уявлень класичної електродинаміки і механіки. У 1904 р. з’явилися публікації про будову атома, належать одна японському фізику Хантаро Нагаока, інша— англійської фізику Д. Томсону. Нагаока виходив з досліджень Максвелла про сталість кілець Сатурна і представив будова атома аналогічним будовою сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якій із встановленим кільцеподібним орбітам рухаються «планеты"—электроны. При незначних зсувах електрони збуджують електромагнітні хвилі, періоди яких, за розрахунками Нагаоки, тієї самої порядку, як і частоти спектральних ліній деяких елементів. У атомі Томсона позитивне електрику «розмазано» по сфері, в яку поцяткували, як родзинки в пудинг, електрони. У найпростішому атомі водню електрон перебуває у центрі позитивно зарядженої сфери. При зміщення з єдиного центру на електрон діє квазиупругая сила електростатичного тяжіння, під впливом 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 збігаються з частотою коливання спектральною лінії атома. У многоэлектронных атомах електрони розташовуються по стійким конфігураціям, розрахованим Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною хімічні властивості атомів. Він катування теоретично пояснити періодичну систему елементів Д. І. Менделєєва. Цю спробу Бор пізніше назвав «знаменитої» і зазначив, що з часом цієї спроби «ідея про розмежування електронів в атомі на групи стала вихідним пунктом і більше нових поглядів». Відзначивши, що теорія Томсона виявилася несумісну з досвідченими фактами, Бор тим щонайменше вважав, що ця теорія «містить багато оригінальних думок та справила великий вплив в розвитку атомної теорії». У 1905 р. У. Вин виступав з доповіддю про електронах з'їзд німецьких натуралістів і лікарів у Мюнхені. Ось він, зокрема, символізував труднощі пояснення линейчатых спектрів атомів з погляду електронної теорії. Він казав: «Найпростіше було б розуміти кожен атом як планетну систему, що складається з позитивно зарядженого центру, навколо якого звертаються електрони як планети. Але таку систему може бути стійкою внаслідок випромінюваної електронами енергії. Тому змушені звернутися до системи, у якій електрони мають відносний спокої чи мають незначними швидкостями, така уявлення містить багато сумнівного». Такий статичної моделлю був атом Кельвіна — Томсона. І це модель була загальноприйнятої з причин, зазначеним Вином. Зрештою виявилося, нові досвідчені факти спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі, факти ці було відкрито Резерфордом.

24 травня 1907 р. в Манчестері Резерфорд розгорнув величезну, залучаючи молодих вчених з різних країн світу. Однією з його діяльних співробітників був німецький фізик Ганс Гейгер, творець першого лічильника елементарних частинок — лічильника Гейгера. У Манчестері з Резерфордом працювали Еге. Марсден, До. Фаянс, Р. Мозли, Р. Хевеши та інші фізики та химики.

У Манчестер в 1912 р. приїхав Нільс Бор. У цьому кліматі колективного наукового творчості народилися великі наукові досягнення Резерфорда, з яких першу чергу треба сказати розгадку природи а-частиц і «відкриття ядерного будова атома. Сюди слід приєднати знамениті статті Бору по квантової теорії планетарного атома. У Манчестері було покладено початок квантової і засобів ядерної физике.

Відкриття атомного ядра.

Уподібнення атома планетної системі робилося ще в початку XX в. Але цю модель важко було поєднати на закони електродинаміки, і було залишено, поступившись моделі Томсона. Однак у 1904 р. почалися дослідження, що призвели до утвердження планетарної моделі. Один із тим, висунута Резерфордом в Манчестере,—рассеяние а-частиц. Вона було доручено Гейгеру і Марсдену. Метод, застосовували на дослідження, був у наступному: а-частицы, генеровані джерелом, диафрагмировались щілиною потрапляли на екран з сірчистого цинку. у якому виходило зображення щілини як вузької смужки. Потім між щілиною і екраном поміщали тонку металеву платівку, зображення щілини розмивалося, що вказувало на розсіювання ачастинок речовиною платівки. Досліджуючи кут розсіювання, Гейгер встановив, що найімовірніший кут розсіювання пропорційний атомному вазі і навпаки пропорційний кубу швидкості частки. Але найбільше разючою виявився факт, відкритий Гейгером і Марсденом в 1909 р., — існування великих кутів розсіювання. Деяка, дуже невелику частину а-частиц (приблизно 1/8000) розсіюється на кут, більший прямого, отбрасываясь, в такий спосіб назад до джерела. Тонка пластині відкидала частки, які летять із швидкістю. Саме тому самому, 1909 року Резерфорд і Ройдс незаперечно довели, що а-частицы є двічі ионизированными атомами гелію. Для важких швидко рухомих частинок розсіювання на кути великі прямого, здавався дуже неймовірним. Резерфорд говорив, що це так неймовірно, коли б куля відскакувала від аркуша цигаркового паперу. Один із можливих пояснень аномального розсіювання полягала те, що воно складається із багатьох невеликих кутів відхилень, викликані атомами рассеивающего речовини. З моделі Томсона, Резерфорд підрахував, що не може давати великих відхилень навіть за багатьох зіткнення з часткою. І тут Резерфорд звернувся безпосередньо до планетарної моделі. Коли а-частица проходить повз зарядженого ядра, то під впливом кулоновской сили, пропорційної заряду ядра і заряду а-частицы і навпаки пропорційної квадрату відстані з-поміж них, рухається по гіперболі, даленіючи її гілки після проходження повз ядра. Її прямолінійний шлях, в такий спосіб, викривляється, і її відхиляється на кут розсіювання ф. 1 березня 1911 р. Резерфорд зробив у філософському суспільстві в Манчестері доповідь «Розсіювання аі (-променів й будову атома». У доповіді він говорив: «Розсіювання заряджених частинок можна пояснити, якщо припустити такий атом, що складається з центрального електричного заряду, зосередженого у точці і оточеного однорідним сферичним розподілом протилежного електрики рівної величини. За такої устрої атома аі (-частки, що вони проходять близькою відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча ймовірність такого відхилення мала». Резерфорд розрахував ймовірність такого відхилення і показав, що вона пропорційна числу атомів п в одиниці рассеивающего матеріалу, товщині рассеивающей платівки і величиною b2, яка виражається наступній формулой:

[pic] де Ne— заряд у центрі атома, Е—заряд отклоняемой частки, т—ее маса, и—ее швидкість. З іншого боку, ця можливість залежить від кута розсіювання ф, так що кількість розсіяних частинок на одиницю виміру площі пропорційно cosec4 (Ф/2). Важливим наслідком теорії Резерфорда була чітка вказівка на заряд атомного центру, який Резерфорд поклав рівним ± Ne. Заряд виявився пропорційним атомному весу.

У 1913 р. Гейгер і Марсден зробили нову експериментальну перевірку формули Резерфорда, підраховуючи розсіювання частинок по виробленим ними сцинтилляционным вибухів. З положень цих досліджень, і виникло уявлення про ядрі як стійкою частини атома, несучою у собі майже весь обшир атома і яка має позитивним зарядом. У цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомному вазі. У 1913 р. Ван ден Брук показав, що заряд ядра збігаються з номером елемента у таблиці Менде-лєєва. У цьому же1913 р. Ф. Содди і Ко. Фаянс прийшли закону усунення Содди—Фаянса, її гласно якому за а-распаде радіоактивний продукт зміщується в менделєєвської таблиці на два номери вище, а при (-распаде—на номер нижче. А до того часу Содди прийшов уявленню про изотопах як різновидах однієї й тієї ж елемент ядра атомів яких всі мають однакову заряд, але різні маси. У багатому подій 1913 р. були опубліковані три знамениті статті Бору «Про будову атомів і молекул», відкрили шлях до атомної квантової механике.

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 Блэккет (1897—1974) отримав вильсоновскую фотографію розщеплення ядра азоту а-частицей, першої ядерної реакції, відкритої Резерфордом. У цьому року Бор, мав змогу попрацювати з автором першої моделі атома, та був з автором планетарної моделі, з урахуванням останньої створює своє теорію атома Резерфорда-Бора. Знаменита стаття Бору, де було укладено підвалини тієї теорії, починалося з свідчення про моделі Резерфорда і Томсона та їх особливостей і відмінностей. Резерфорд одразу ж зрозумів революційного характеру ідей Бору й заявив про критичні зауваження до самим фундаментальним пунктах теорії Бору. Після тривалих дискусій стаття Бору і ще дві його наступні статті були опубліковані. Однак остаточний у відповідь заперечення Резерфорда дали лише 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 у структурі атома». Він розвив дослідження, виконані ним в Манчестері в серпні 1912 р., і опублікував їх під назвою «Теорія гальмування заряджених частинок за її проходженні крізь речовина». У грудні 1915 і січні 1916 р. Арнольд Зоммерфельд (1868—1951) розвинув теорію Бору, розглянувши рух електрона по эллиптическим орбітам і узагальнивши правила квантування Бору. Зоммерфельд дав також теорію тонкої структури спектральних ліній, запровадивши релятивістське зміна маси зі швидкістю. У його розрахунки ввійшла безрозмірна універсальна стала тонкої структури: [pic] Теорія атома після відкриття Зоммерфельда тепер називається теорією Бору — Зоммерфельда. Продовжуючи розвивати свої ідеї, Бор сформулював принцип відповідності (1918), який означав крок уперед у відповіді стосовно питань, поставлені Резерфордом. У 1922 р. Бор отримав Нобелівську премію з фізиці. У нобелівському доповіді він розгорнув картину з стояння атомної теорії на той час. Однією з найістотніших успіхів теорії було перебування. ключа до періодичної системі елементів, яка пояснювалася наявність електронних оболонок, оточуючих ядра атомів. 1925;го р. роботою Гейзенберга почалося створення квантової механіки. У цьому року Уленбек і Гаудсмит, які в Эренфеста, відкрили спін електрона, а Паулі відкрив принцип, що носить нині його ім'я. Після відкриття Гейзенбергом в 1927 р. принципу невизначеності Бор висунув як основного теоретичної ідеї квантової теорії принцип додатковості. У 1936 р. Бор виступив із статтею «Захоплення нейтрона й будову ядра», в якої запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Ядерної фізиці присвячувалася також 1937 р. «Про перетворення атомних ядер, викликаних зіткненням з матеріальними частинками». Наприкінці 1938—начале 1939 р. було відкрито розподіл урана.

Atom бора.

Бор, як і Томсон перед ним, шукає таке розташування електронів в атомі, яке пояснило його фізичні і хімічні властивості. Бор вже знає про моделі Резерфорда і за основу. Йому відомо також, що заряд ядра і кількість електронів у ньому, однакову числу одиниць заряду, визначається місцем елемента у періодичної системі елементів Менделєєва. Отже, це важливий крок у розумінні фізико-хімічних властивостей елемента. Але жахи залишилися незрозумілими дві речі: надзвичайна стійкість атомів, несумісна з поданням щодо русі електронів по замкнутим орбітам, і походження їх спектрів, які з цілком визначених ліній. Така визначеність спектра, його яскраво виражена хімічна індивідуальність, очевидно, якось пов’язана зі структурою атома. Стійкість атома загалом суперечить законам електродинаміки, відповідно до яким електрони, роблячи періодичні руху, повинні безупинно випромінювати енергію та, втрачаючи її, «падати» на ядро. До того і характер руху електрона, объясняемый законами електродинаміки, неспроможна спричинить таким характерним линейчатым спектрам, які простежуються на насправді. Лінії спектра групуються у серії, вони насунуться в короткохвильовому «хвості» серії, частоти ліній відповідних серій підпорядковані дивним арифметичним законам. Так, Йоганн Бальмер в 1885 р. знайшов, що чотири лінії водню На, М (, М (, H (мають довжини хвиль, які можна виведено з однієї формулы:

[pic].

Пізніше знайшли решта 2 десятка ліній в ультрафіолетової частини, та його довжини хвиль також вкладалися у формулу Бальмера. Йоганн Ридберг в 1889—1900 рр. знайшов, як і лінії спектрів лужних металів може бути розподілені за серіями. Частоти ліній кожної серії можуть бути як різниці двох членов—термов. Так, для головною серии.

[pic].

де R — деяке постійне число, отримав назву постійної Ридберга, p. s і р — дробные поправки, міняються від серії до серії. «Основним результатом докладного аналізу видимої серії линейчатых спектрів і їхніх взаємовідносин, — писав Бор,—было встановлення той факт, що частота v кожну лінію спектра даного елемента то, можливо представлена із незвичною точністю формулою v =T'—T», де T «і T «— якісь два члена з багатьох спектральних термов T, характеризуючих елемент». Бору вдалося віднайти що цього основного закону спектроскопії і обчислити постійну Ридберга з цих фундаментальних величин, як заряд і маса електрона, швидкість світла, і стала Планка. Та цього йому довелося вводити на фізику атома ставлення до стаціонарних станах атомів, перебувають у яких електрон не випромінює, хоч і робить періодичне рух щодо кругової орбіті. Для таких станів момент імпульсу дорівнює кратному від h/2(. При переході з одного орбіти в іншу електрон випромінює і поглинає енергію, рівну кванту. У заключних зауваженнях до трьох своїм статтям «Про будову атомів і молекул» Бор формулює свої основні гіпотези так: «I. Випущення (чи поглинання) енергії відбувається безупинно, як і приймається у звичайній електродинаміки, лише під час переходу системи з одного «стаціонарного» стану до іншого. 2. Динамічний рівновагу системи в стаціонарних станах визначається звичайними законами механіки, тоді як переходу системи між різними стаціонарними станами цих законів недійсні. 3. Испускаемое під час переходу системи вже з стаціонарного стану в інше випромінювання монохроматично, і співвідношення між його частотою v й загальним кількістю излученной енергії Є дається рівністю E=hv, де h — стала Планка. 4. Різні стаціонарні стану простий системи, що з обертового навколо позитивного ядра електрона, визначаються з умови, що безпосереднє відношення між загальної енергією, випущеної при освіті даної конфігурації, і кількістю оборотів електрона є цілим кратним h/2(. Припущення у тому, що орбіта електрона кругова, рівнозначно вимозі, що момент їм пульсу обертового навколо ядра електрона було б цілим кратним h/2(. 5. «Основне» стан будь-якої атомної системи, т. е. стан, при якому излученная енергія максимальна, визначається з умови, щоб момент імпульсу кожного електрона щодо центру його орбіти дорівнював h/2(«. Далі Бор пише: «Було показано, що з цих припущеннях з допомогою моделі атома Резерфорда можна пояснити закони Бальмера і Ридберга, котрі пов’язують частоти різних ліній в линейчатом спектрі». Саме Бор отримав для спектра водню формулу: [pic] де (— цілі числа. «Ми видим,—пишет Бор,—что це співвідношення пояснює закономірність, яка б пов’язала лінії спектра водню. Якщо взяти (2 = 2 і варіювати (1, то одержимо звичайну серію Бальмера. Якщо взяти (2=3, одержимо в інфрачервоної області серію, яку спостерігав Ріллей і ще раніше передбачив Рітц. При (2=1и (2=4,5,… одержимо у крайній ультрафіолетової і відповідної крайньої інфрачервоної областях серії, котрі спостерігалися, але існування яких можна припустити «. Справді, серія в ультрафіолетової області, відповідна (2= 1, було знайдено Лайманом в 1916 р., серія в інфрачервоної області, відповідна (2=4 було знайдено Брэкетом в 1922 р., і серія (2=5 була знайдено Пфундом в 1924 р. Використовуючи відомі у той час значення е, т, h, Бор обчислив значення постійної в спектральною «формулі: [pic] тоді як експериментальне значення одно 3,290*1015. «Відповідність між теоретичним і піднаглядним значеннями лежать у межах помилок вимірів постійних, які входять у теоретичну формулу», — писав Бор. Після опублікування статей Бору Фаулер виявив нові лінії при розряді у трубці, заповненою воднем і гелієм, які, на його думку, не укладаються у серію Бору. Бор уточнив теорію, запровадивши рух ядра і електрона близько загального центру маси. Тогда:

[pic] точному відповідність до експериментом. У наступних роботах Бор безупинно уточнював основи своєї теорії. Вона була доповнена принципом відповідності (1918), що дозволяє робити певні висновки щодо інтенсивності і поляризації спектральних ліній. Сам Бор неодноразово займався питанням про який вплив магнітних і електричних полів на спектри атомів. Він також вперше увімкнув у квантову теорію атома і розгляд рентгенівських спектрів, вважаючи, що «характеристичне рентгенівське випромінювання випускається при поверненні системи в нормальний стан, якщо будь-яким впливом, наприклад катодними променями, були попередньо віддалені електрони внутрішніх кілець» (1913). Генрі Мозли в 1913—1914 рр. відкрив закон усунення довжин хвиль характеристичних променів, які належать до одному й тому ж серії, при переході від елемента до елементу. Частота рентгенівських променів, визначальна їх «жорсткість», зростає зростанням порядкового номери елемента. Перше теоретичне тлумачення рентгенівських спектрів з урахуванням ідей Бору у тому, що зобов’язані переходами електронів на вакантні місця у внутрішніх оболонках. Його надали Зоммерфельдом у його фундаментальної роботі 1916 р. У тому ж 1916 р. П. Дебай і П. Шеррер розробили нову методику рентгенівського аналізу кристалів в порошку, яка дістала широке поширення рентгеноструктурном аналізі. Ідеї Бору отримали експериментальне підтвердження у дослідах Джеймса Франка (1882—1964) і Густава Герца, які ще від 1913 р. вивчали співудару електронів з атомами парів і газів. Виявилося, що електрон може мати справу з атомами газів пружно і неупруго. При пружному ударі електрон відскакує важкої атома (наприклад, ртуті), не втрачаючи енергії, при неупругом ударі його енергія розгубився й передається атома, який за цьому або порушується, або іонізується. Порції енергії, витрачені на порушення атома, цілком конкретні: так, електрон у зіткненні з атомами ртуті втрачає енергію 4,9 еВ, що він відповідає енергії кванта ультрафіолетового світла довжиною хвиль 2537 А. Квантовий характер поглинання енергії атомом було продемонстровано в дослідах Франка, Герца та інших фізиків з разючою наочністю. За ці дослідження, що тривали кілька років, в 1925 р. Френк і Герц були визнані гідними Нобелівської премії. Квантовий характер випромінювання та поглинання енергії атомом ліг основою теоретичного дослідження щодо світлових кванти, виконаного Ейнштейном в 1916—1917 рр. У цьому вся дослідженні Ейнштейн вивів формулу Планка, з ставлення до направленому випромінюванні. Атом випромінює і поглинає енергію квантами. Вистрілюючи квант у напрямі, атом надає як енергію hv, а й імпульс [pic]. При випромінюванні молекула газу переходить з енергетичного стану Zm з енергією (m до стану Zn з енергією (n випромінюючи енергію (m — (n. Поглинаючи ті ж самі енергію, молекула переходить зі стану Zn до стану Zm. Молекула може перейти зі стану Zm до стану Zn спонтанно, спонтанно. Можливість такого переходу під час dt пропорційна цьому проміжку часу dt:

[pic] Але, крім цього спонтанного переходу, вперше введеного Бором при поясненні спектрів, за Эйнштейном, для молекул і атомів, що у світловому полі, можливі індуковані переходи під впливом світлового випромінювання. Можливість такого «індукованого излучения»:

[pic] де p —об'ємна щільність світловий енергії. Так само ймовірність поглинання енергії молекулою, що у стані Zn і переходу в вищий енергетичний рівень Zm будет:

[pic] У равновесном стані атом загалом стільки ж поглинає енергії, як і випромінює. Поэтому:

[pic].

де за закону статистики Больцмана число молекул, що у стані Zn, пропорционально:

[pic] З попереднього рівності получается:

[pic] Поклавши ет — en =hv, для високих частот, застосовуючи закон Провина, одержимо формулу Планка:

[pic] Ідея Ейнштейна про индуцированном випромінюванні знайшла у сучасної фізики й техніці важливе використання у лазерах. Як вже було сказано, в 1916 р. Зоммерфельд узагальнив теорію Бору, запровадивши правила квантування для систем з кількома ступенями волі у вигляді [pic]. Він розглянув рух щодо еліпсу, запровадивши азимутальные і радіальні квантові числа. Ввівши далі просторове квантування й третє квантове число, дав теорію нормального ефекту Зеємана. Нарешті, дав теорію тонкої структури спектральних ліній й докладне пояснення рентгенівських спектрів. Всі ці результати були докладно розроблено їм у класичної монографії «Будова атомів і спектри», перше видання якої сягнуло в 1917 р. До 1924 р. включно цю книжку витримала чотири видання. Останнє видання її вже у двох томах вийшло 1951 р. і російський переклад— в 1956 р. Отже, до 1917 р. ідеї Бору отримали всебічний розвиток як і роботах самого Бору, і інших. Вони мусили експериментально підтверджені, і теорія Бору отримала загальне визнання. Але той важкі питання, поставлені Резерфордом, ще було зняті, а багато труднощі, із якими зіштовхувалася теорія у неправомірних спробах розглянути многоэлектронные атоми, аномальний ефект Зеємана й багато іншого, показали, що у теорії Бору попри всі її успіхах є серйозні недоліки принципового характеру. Труднощі та страшної суперечності накопичилися, і треба було шукати выход.

Виникнення квантової механіки (1925— 1930 гг).

Труднощі теорії бора.

Теорія Бору від початку викликала багато запитань, залишалися без відповіді. Це питання було поставлено Резерфордом іще за обговоренні рукописи його першої статті. Як розуміти поєднання ідей Бору і класичної механіки, де немає місця для квантових стрибків, і звідки електрон знає, яку орбіту йому слід перескакувати? У 1896 р. голландський фізик Пітер Зеєман (1865—1943) справив досвід, який намагався здійснити ще Фарадей. Полум’я натриевой пальники він поміщав між полюсами електромагніта і спостерігав в спектроскоп її спектр. За віссю електромагніта був просверлен канал, отже явище можна було цікаво спостерігати як перпендикулярно силовим лініях поля (поперечний ефект), а й 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-(v і v2=v0-(v. Усі три лінії лінійно поляризованы. Несмещенная лінія відповідає коливань вздовж силових ліній, усунуті — коливань, перпендикулярным силовим лініях. При спостереженні вздовж поля несмещенная компонента відсутня, усунуті лінії поляризованы із широкого кола в протилежних напрямах. Лоренц в 1897 р. дав просту теорію ефекту, з уявлень, що в атомах електрони роблять кругові руху від циклічною частотою w0. У магнітному поле, на них діє сила Лоренца і частота звернення змінюється на величину (w, рівну приближенно:

[pic] Лармор (1857−1942) в 1899 р. інтерпретував дію магнітного поля як дію поля тяжкості на дзига. Дзига прецессирует навколо напрями сили тяжкості з кутовий частотою (w. Так само які працюють електрони в атомі прецессируют навколо силових ліній магнітного половіючі жита із кругової частотою [pic]. Зоммерфельд, розвиваючи теорію Бору, ввів ідею просторового квантування. Рух електрона орбітою визначається радиальным і азимутальным квантовими числами чи головним квантовим числом п, визначальним енергію електрона, та побічних квантовим числом k, визначальним форму орбіти. Становище орбіти у просторі визначається третім магнітним квантовим числом т. Запровадження цього числа і квантування напрямів осі стосовно магнітному полю дозволяє дати пояснення ефекту Зеємана. Але це пояснення у сенсі було гірше пояснення, даного Лоренцем. Він нічого не говорило про поляризації ліній. Взагалі теорія спектрів, по Бору і Зоммерфельду, говорила лише про частотах ліній і могла пояснити їх інтенсивність і поляризацію. Щоб теорія могла щось сказати звідси, Бор ввів принцип відповідності. Відповідно до цього принципу «існує далеко яка йде відповідність» між квантовим і класичним описом випромінювання. У квантовому описі лінії спектра випромінювання обумовлені переходами вже з стану до іншого, в класичному ці лінії визначаються розкладанням руху електрона до кількох Фур'є. У цьому, як М. Бор, «частота випромінювання, испускаемого при переході між стаціонарними станами, характеризуемыми числами п «і п », великим проти їх різницею, збігаються з частотою одній з компонент випромінювання, що можна очікувати при обраному русі електрона в стаціонарному стані виходячи з звичайних уявлень. Далі Бор пише: «Переймаючись питанням про глибшому значенні знайденого відповідності, ми можемо, природно, очікувати, що відповідність не обмежується збігом частот спектральних ліній, вирахуваних тим гаслам і іншим методом, але простирається і їх інтенсивності. Таке очікування рівносильне з того що ймовірність певного переходу між двома стаціонарними станами пов’язана відомо як з амплітудою, відповідної гармонійної компоненті». Застосування принципу відповідності дозволило знайти й поляризацію в нормальному ефект Зеємана. Квантовий перехід, відповідний зміни магнітного квантового числа на ± 1, дає кругову поляризацію у площині, перпендикулярної до силовим лініях. Квантовий перехід Am = 0 відповідає лінійної поляризації, паралельної силовим лініях. Але нормальний ефект Зеємана представляє скоріше, виняток, ніж норму. На досвіді зустрічається складніший ефект: розчленовування сталася на кілька компонентів (мультиплетов). Мультиплетами виявляються і лінії спектрів елементів. Аномальний ефект і мультиплетная структура спектрів не вкладалися у рамки звичайній теорії Бору. З питанням про складної структурі ліній був тісно пов’язаний питання магнітних властивості атома. Ще Д. З. Рождественський у доповіді 15 грудня 1919 р. припускав, що дублети п триплеты спектральних ліній обумовлені дією магнітних сил, ви званих рухом електронів. «Магнітна завдання має лежати основу завдання про атомах»,—говорил Рождественський. [pic] О. Штерн (1888−1969) і У. Герлах (рід. в 1889 р.) в 1921 р. пропустили молекулярний пучок через неоднорідне магнітне полі, і незаперечно довели наявність в атомів магнітного моменту. Але деталі досвіду (розщеплення пучка на два) знову вкладалися у теорію Бору — Зоммерфельда. У тому ж, 1921 р. А. Ланде (1888−1975) дав формальну схему описи мультиплетов з допомогою векторної моделі і ввів пов’язані з квантовими числами k і p. s множник Ланде. Він також має «подвійний магнетизм»: ставлення між магнітним і обертальним моментом атомного остова (тобто. ядра й коштовності всіх електронів, крім оптичного) виявилося ще більше того, що з теорії Бору — Зоммерфельда. Суперечності з теорією Бору у її початковому варіанті накопичувалися щокроку, і квантове опис спектроскопических фактів дедалі більш ускладнювалося. Особливо тяжке становище склалося теоретично світла. Ейнштейн своєї класичної роботі 1917 р. про світлових кванти зробив подальший крок у бік корпускулярної теорії світла. Він вважає, що атом випромінює, «вистрілюючи» квант світла тому чи іншому напрямі (игольчатое випромінювання). У цьому квант світла має усіма властивостями матеріальної частки: енергією Є = hv, масою m. Ця ідея знайшла блискуче підтвердження у відкритті, зроблене американським фізиком Артуром Комптоном. У 1922 р. Комптон, вивчаючи розсіювання рентгенівських променів речовиною, що містить слабко пов’язані електрони (графітом), встановив, що частота (довжина хвилі) розсіяних рентгенівських променів змінюється залежно від кута розсіювання. Зі збільшенням кута розсіювання зменшується (довжина хвилі збільшується), випромінювання стає більш «м'яким». 1923;го р. А. Комптон навіть від нього П. Дебай дали теорію «ефекту Комптона». Теорія грунтувалася ідеї Ейнштейна: квант світла зіштовхується з електроном згідно із законом пружного удару. Застосовуючи закони збереження енергії і імпульсу, Комптон і Дебай отримали формулу зміни довжини хвилі розсіяного излучения:

[pic] Дебай написав цієї формули на кілька зміненому вигляді. Це просте та наочне пояснення ефекту сильна мірою сприяло зміцненню ставлення до кванте світла як частинки, на яку Комптоном був запропонований термін «фотон», став загальновживаним. До 1924 р. у науці про світлі склалося тяжке становище, що дуже наочно охарактеризував Про. Д. Хвольсон. Розділивши крейдою дошку на частини Л і У, він вписав з одного боку факти, що пояснюється хвильової теорією світла, в інший— факти, що пояснюється квантової теорією. «Ні хвильова, ні квантова теории,—говорил у зв’язку з цим брав участь у з'їзді Эренфест,—не може схопити всі сфери світлових явищ». Всеосяжної теорії світла, як і констатував Хвольсон, був. У пошуках виходу з тяжкого становища автори запропонували навіть відмовитися від вимоги застосування закону збереження енергії до окремим актам випромінювання та поглинання світла атомом. Проте гіпотеза Бору, Крамерса і Слэтера спростували експериментами, у яких доводилося, що кожен акт взаємодії світла з речовиною підпорядковується закону збереження энергии.

Ідеї де Бройля.

1923;го р. в доповідях Паризької Академії наук були опубліковані три статті французького фізика Луї де Бройля: «Хвилі й кванти», «Кванти світла, дифракція і інтерференція». «Кванти, кінетична теорія газів і принцип ферма», у яких висувалася на цілком нову ідея, переносящая дуалізм в теорії світла на самі частки матерії. Де Бройль розглядає певний хвильової процес, пов’язані з тілом. які йшли зі швидкістю v = (з. Ця хвиля має частотою, обумовленою співвідношенням E= hv = mc2, і рухається у бік руху тіла зі швидкістю u=c (.

«Ми розглядатимемо її лише як фіктивну хвилю, пов’язану з переміщенням рушійної тіла». Де Бройль показує далі, що з електрона, рушійної по замкнутої траєкторії із постійною швидкістю, меншою швидкості світла, траєкторія буде стійка, якби ній вкладається ціла кількість таких хвиль. Умова це збігаються з квантовим умовою Бору. Швидкість частки v = ре є швидкістю групи хвиль, які мають частотами, мало несхожими друг від одного й відповідними частоті — Ця хвиля, яку де Бройль називав «хвилею фази», пілотує рух частки, несучою енергію те2, сама ж фазовая хвиля енергії не несе. Гіпотеза де Бройля дозволяє «здійснити синтез хвильового руху і квантів». Де Бройль стверджує його присутність серед природі хвильових явищ й у частинок речовини. Він — пише: «Дифракційні явища виявляються потоці електронів, проходять крізь досить малі отвори. Можливо, експериментальне підтвердження наших ідей слід шукати у тому напрямі «. Де Бройль вказує, що його нова механіка належить до колишнього механіці, класичною та релятивістської, «як і хвилева оптика належить до геометричній». Він — пише, що запропонований їм синтез «представляється логічним вінцем спільного розвитку динаміки і оптики від часу XVII в.».

Відкриття спина.

1925;го р. в фізику було запроваджено нове фундаментальне поняття спина. Це поняття було запроваджено Уленбеком і Гаудсмитом, які працювали влітку 1925 р. у Эренфеста в Лейдені. На той час У. Паулі опублікував своєї роботи, що містить формулювання принципу заборони, що носить його ім'я. Паулі показав, що квантове стан електрона характеризується чотирма (а чи не трьома) квантовими числами і у цьому стані може лише один електрон. Стаття Паулі, що містить формулювання його принципу, опубліковано навесні 1925 р. Ще раніше Паулі зазначив, що з характеристики стану електрона необхідно чотири квантових числа: головне кван товое число п, азимутальное квантове число I і двоє магнітних числа т, і nif. Гаудсмит розповів Уленбеку про цю роботу Паулі. Дізнавшись це, Уленбек висловив таку думку, що електрон має є ще однією ступенем свободи, яка відповідає обертанню електрона (спину). «Після його зауваження про спині, — писав Гаудсмит,—мы відразу побачили, що повністю з’ясовується, чому т, завжди одно +½ чи —½. Далі ми побачили, що це випадки розщеплення Зеємана можна пояснити, якщо приписати електрону магнітний момент, рівний одному цілому магнетону Бору. З іншого боку, зрозуміли, що спін перебуває у повній відповідності до нашим новим тлумаченням спектра водню». Эренфест негайно відправив статтю Уленбека і Гаудсмита в «Die Naturwissenschaften». Вона з’явилася 13-му числі журналу за 1925 р. Уленбек після консультації з Лоренцем з’ясував, що швидкість обертання електрона на екваторі для необхідного гіпотезою моменту повинно перевищувати швидкості світла, і знову зажадав повернення статті, але було вже пізно. Паулі дуже несхвально зустрів статтю Уленбека і Гаудсмита. Ще раніше поставився негативно до аналогічної ідеї, висловленої Кронигом. Бор і Гейзенберг, навпаки, виявили великий інтерес до нової гіпотезі, а коли Томас обчислив з урахуванням гіпотези спина значення дублетного розщеплення, Паулі зняв свої заперечення. Отже, 1925 р. виявився роком народження квантової механіки Гейзенберга і Дірака, роком народження нової квантової статистики Бозі— Ейнштейна, роком народження принципу Паулі і гіпотези спина.

Список використаної литературы.

1. П. С. Кудрявцев. «Курс історії фізики» М.1982. 2. М. П. Бронштейн. «Атоми і електрони» М. 1980. 3. Р. Липсон. «Великі експерименти у фізиці». М. 1972. 4. Ф. Содди. «Історія атомної енергетики». М. 1979. 5. До. Маколов. «Біографія атома». М.1984.