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.

Как согласно модели Резерфорда можно объяснить строение атома?

Решение

Модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году, также известна как планетарная модель. Она была создана для объяснения результатов его знаменитого опыта по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге.

Основные положения модели Резерфорда, вытекающие из экспериментальных данных, следующие:

1. Атом по большей части представляет собой пустое пространство. Именно поэтому подавляющее большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, не меняя траектории.
2. В центре атома находится очень маленькое по размерам, но массивное положительно заряженное ядро. Его размер составляет порядка $10^{-15} - 10^{-14}$ м, в то время как размер самого атома — около $10^{-10}$ м. В ядре сконцентрирована практически вся масса атома (более 99,9%) и весь его положительный заряд. Сильное отклонение и даже отражение некоторых альфа-частиц объясняется их электростатическим отталкиванием от этого массивного ядра.
3. Вокруг ядра по круговым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца. Это и дало модели название «планетарная».
4. Атом в целом является электрически нейтральным. Это означает, что положительный заряд ядра по абсолютной величине равен суммарному отрицательному заряду всех электронов, вращающихся вокруг него. Удержание электронов на орбитах обеспечивается силой Кулоновского притяжения к ядру.

Эта модель стала огромным прорывом в физике, так как впервые ввела понятие атомного ядра. Однако она была внутренне противоречива с точки зрения классической физики: вращающийся по орбите электрон должен был бы непрерывно излучать энергию, терять скорость и в конечном итоге упасть на ядро. Также модель не могла объяснить дискретный характер атомных спектров. Эти проблемы были решены позже в модели Бора и в рамках квантовой механики.

Ответ: Согласно модели Резерфорда, атом устроен подобно планетной системе: в центре находится очень маленькое, массивное и положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Большую часть объёма атома составляет пустое пространство, а сам атом в целом электрически нейтрален, так как суммарный заряд электронов компенсирует заряд ядра.

Объясните, почему определение понятия «химический элемент» необходимо уточнить. В чём заключается это уточнение?

Решение

Первоначальное определение химического элемента, предложенное после открытия строения атома, гласило, что химический элемент — это вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Однако это определение стало недостаточным и потребовало уточнения после открытия явления изотопии в начале XX века.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое количество протонов (и, следовательно, одинаковый заряд ядра, обозначаемый как $Z$), но разное количество нейтронов в ядре. Из-за этого изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер $Z$, но разные массовые числа $A$ (сумма протонов и нейтронов).

Классическим примером являются изотопы водорода:

• Протий (¹H): 1 протон, 0 нейтронов.
• Дейтерий (²H): 1 протон, 1 нейтрон.
• Тритий (³H): 1 протон, 2 нейтрона.

Все три являются атомами водорода, так как у них одинаковый заряд ядра ($Z=1$), и их химические свойства очень схожи. Однако это три разных «вида» атомов, поскольку они отличаются по массе и количеству нейтронов. Старое определение создавало логическое противоречие: если элемент — это один «вид» атомов, то протий и дейтерий должны быть разными элементами, что неверно.

Именно поэтому определение пришлось уточнить. Уточнение заключается в следующем: понятие «вид атомов» было заменено на «совокупность атомов». Современное определение звучит так:

Химический элемент — это совокупность атомов, характеризующихся одинаковым зарядом атомного ядра.

Это новое определение снимает противоречие. Оно говорит о том, что химический элемент — это не какой-то один идеальный тип атома, а целое семейство атомов (все его изотопы), которые объединены общим фундаментальным свойством — зарядом ядра. Этот заряд определяет число электронов в нейтральном атоме, а следовательно, и его химические свойства.

Ответ:

Необходимость уточнить определение понятия «химический элемент» возникла из-за открытия изотопов — разновидностей атомов с одинаковым числом протонов (зарядом ядра), но разным числом нейтронов (разной массой). Старое определение («вид атомов») вступало в противоречие с фактом, что разные изотопы, будучи разными видами атомов, относятся к одному и тому же элементу. Уточнение заключается в том, что химический элемент — это не «вид атомов», а «совокупность атомов» с одинаковым зарядом ядра. Это позволяет корректно объединить все изотопы в рамках одного элемента.