Номер 1, страница 69 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

Почему возникла необходимость разработки моделей строения атома?

Решение

Необходимость разработки моделей строения атома возникла не одномоментно, а стала результатом целой серии научных открытий и выявления противоречий в существовавших на тот момент теориях. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых этапов.

1. Конец XIX века: Кризис идеи о неделимости атома. Долгое время, со времен древнегреческих философов, атом считался мельчайшей неделимой частицей материи (само слово «атом» переводится как «неделимый»). Однако в 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон, изучая катодные лучи, открыл электрон — отрицательно заряженную частицу, масса которой была почти в 2000 раз меньше массы самого легкого атома водорода. Это открытие стало революционным, так как оно неопровержимо доказывало, что атом не является неделимым, а имеет сложную внутреннюю структуру. Раз атом в целом электронейтрален, а в его состав входят отрицательные электроны, значит, в нем должна присутствовать и положительно заряженная часть. Возникла первая настоятельная необходимость создать модель, которая бы объясняла, как эти положительные и отрицательные частицы расположены внутри атома. Так появилась модель Томсона («пудинг с изюмом»), где атом представлялся как сфера из положительного заряда с вкрапленными в нее электронами.

2. Начало XX века: Несоответствие модели Томсона эксперименту. Любая научная модель должна проверяться экспериментально. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, в 1909–1911 годах провел знаменитый опыт по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Согласно модели Томсона, массивные и быстрые альфа-частицы должны были пролетать сквозь «рыхлый» атом, лишь незначительно отклоняясь. Однако результаты эксперимента оказались неожиданными: большинство частиц действительно пролетало насквозь, но некоторые отклонялись на большие углы, а единицы и вовсе отбрасывались назад. Это явление было невозможно объяснить в рамках модели Томсона. Возникла необходимость в новой модели, которая бы соответствовала результатам эксперимента. Так Резерфорд предложил свою, планетарную, модель атома. В этой модели почти вся масса и весь положительный заряд были сконцентрированы в крошечном ядре в центре, а легкие электроны вращались вокруг него, подобно планетам вокруг Солнца.

3. Противоречия планетарной модели с законами классической физики. Планетарная модель Резерфорда блестяще объяснила результаты опыта с рассеянием альфа-частиц, но столкнулась с двумя неразрешимыми проблемами с точки зрения классической электродинамики.

Первая проблема — проблема устойчивости. Согласно законам Максвелла, любой движущийся с ускорением заряд (а вращение по орбите — это движение с центростремительным ускорением) должен непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Теряя энергию, электрон должен был бы по спирали упасть на ядро за ничтожно малое время (около $10^{-11}$ с). Это означало, что атом Резерфорда был бы крайне неустойчив, что противоречит самому факту существования вещества.

Вторая проблема — проблема спектров. Если бы электрон терял энергию непрерывно, то и спектр излучения атома должен был быть сплошным (непрерывным). Однако эксперименты показывали, что атомы излучают и поглощают свет только на определенных, строго дискретных частотах (линейчатый спектр).

Эти противоречия породили глубокий кризис в физике и создали необходимость в пересмотре самих основ классической теории применительно к микромиру. Это привело к созданию квантовой модели атома Бора (1913 г.), которая вводила постулаты о стационарных орбитах, а затем и к современной квантово-механической модели (Шрёдингер, Гейзенберг, 1925–1926 гг.), которая описывает электрон не как частицу на орбите, а как вероятностное «облако» (орбиталь).

Таким образом, каждая новая модель строения атома была необходимым шагом для объяснения новых экспериментальных данных и для разрешения противоречий, которые обнаруживались в предыдущей модели.

Ответ: Необходимость разработки моделей строения атома возникла из-за экспериментальных открытий, которые показали, что атом не является неделимым, а обладает сложной внутренней структурой. Первым таким открытием стало обнаружение электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), что привело к созданию модели Томсона. Затем эксперименты Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц (1911 г.) опровергли модель Томсона и потребовали создания планетарной модели. В свою очередь, планетарная модель противоречила законам классической электродинамики и не могла объяснить устойчивость атомов и их линейчатые спектры излучения, что создало необходимость в разработке квантовых моделей (модель Бора и современная квантово-механическая модель), которые лучше описывали поведение частиц в микромире.