Модели строения атома
Прежде чем мы углубимся в строение атома и сделаем большой шаг навстречу валентностями и степеням окисления, стоит посмотреть, как с годами менялось человеческое представление о строении атома начиная с древнейших времён и до настоящего.
Античная модель Демокрита (V век до н.э.)
Слово атом с древнегреческого значит неделимый (а = не, том = делить) было придумано древнегреческим философом Левскиппом и его учеником Демокритом (V - IV века до н.э.). По их теории, атомы - мельчайшие неделимые вечно существующие частицы, обладающие определённой формой и образующие саму суть материи. Также известно, что параллельно с этим в индийской и исламской культурах возникали схожие теории.
Атомистическая теория многократно исчезала и вновь всплывала в трудах различных европейских мыслителей. В 1808 году Джон Дальтон окончательно возродил атомизм, описывая:
Атомы - химические элементы, которые нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путём каких-либо химических превращений. Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов.
Эта важнейшая мысль всё ещё верна и является основой всех остальных моделей строения атома.
Модель пудинга с изюмом от Томпсона (1904 год)
На рубеже XIX век - XX веков физики-экспериментаторы установили наличие более мелких отрицательно заряженных частиц внутри атома, которые Джордж Джонстон Стони назвал электронами. В то же время было установлено, что атом как одно целое не имел заряда.
На основе эти данных Томпсон в 1904 году предложил модель атома, обладающую следующими свойствами:
- Все атомы независимо от природы нейтральны и содержат внутри отрицательно заряженные электроны.
- Именно малые по размерам и массам электроны ответственны за линейчатые оптические спектры (позволяют устанавливать состав веществ, даже звёзд по основе отражённого от них света).
- Электроны (изюм) находятся в сферическом облаке положительного заряда (тесто пудинга) и могут свободно перемещаться в этом пространстве с равной плотностью заряда.
Интересно, что сам Томпсон выдвигал альтернативные теории строения атома, более соответствующие современным представлениям.
Тем не менее уже в 1911 году Эрнест Резерфорд опроверг эту теорию, анализируя данные эксперимента по рассеянию альфа-частиц (ядра атомов гелия) на золотой фольге.
От модели Томпсона мы переняли суммарную нейтральность атома и природу оптических спектров.
Планетарная модель Резерфорда (1911 год)
Эрнест Резерфорд как настоящий учёный не просто критиковал, но предложил свою модель строения атома, соответствовавшую изученным им экспериментальным данным:
- В центре атома расположено массивное положительно заряженное ядро (как звезда).
- Электроны двигаются вокруг ядра по орбитам (как планеты).
Несмотря на это данная модель не объясняла, почему вращающиеся вокруг ядра электроны не теряют всю энергию и не падают на ядро. Также возникали проблемы с оптическими спектрами.
Эта модель до сих пор является самой доступной для понимания обывателей, поэтому часто школьники остаются с общим представлением, что электроны летают по чётким круговым орбитам вокруг ядра.
Квантовая модель Бора (1913 год)
Нильс Бор совершил скачок, создавая полуклассическую модель атома и вводя два важных постулата:
- Электроны могут находиться только на нескольких разрешённых стационарных орбитах с фиксированной энергией.
- Переход между орбитами возможен только с поглощением или выделением порции (кванта) энергии (фотона).
На главный вопрос, почему же электроны не теряют энергию на стационарных орбитах, Нильс Бор мог бы ответить "Потому что я так решил". Серьёзно. Такое постулирование позволило ему, как и многим учёным до него, подогнать теорию к имеющимся экспериментальным данным.
Эта модель отлично описывала одноэлектронный атом водорода и водородоподобные ионы, но не позволяла описывать все остальные реальные атомы, а также не объясняла наличие тонкой структуры в получаемых оптических спектрах.
Квантово-механическая модель атома (1920-ые - настоящее время)
Квантово-механическая модель атома на основе работ Шрёдингера, Гейзенберга и Дирака развивает идеи предыдущих моделей с учётом корпускулярно-волновой природы электронов. Несмотря на повышенную сложность её восприятия, данная модель не идеальна и обладает рядом недостатков, иногда становящихся преимуществами. Как и в любой другой модели, есть упрощения, без которых полная задача становится почти неразрешимой (в разумные сроки и с использованием доступных человечеству ресурсов):
- Ядро атома считается неподвижным в рамках приближения Борна-Оппенгеймера. Это важно только в случае, когда требуется точнейший расчёт уровней энергии атома.
- Поле ядра (за счёт положительно заряженных протонов) считается идеально сферическим. Нарушается в многоэлектронных атомах (то есть во всех кроме водорода) при учёте тонких и сверхтонких эффектов.
- Электрон считается точечной и бесформенной частицей. На данный момент нет опровержения, что электрон является лептоном, поэтому не противоречит никаким экспериментальным данным.
- Игнорируются потенциально большие скорости и импульсы электронов в рамках уравнения Шрёдингера. Релятивистские эффекты и необходимость учёта СТО возникает у тяжёлых атомов ниже 4-ого периода, например у f-металлов. Пример нарушения: жидкое состояние ртути и золотистый цвет золота.
- Электроны не отталкиваются друг от друга напрямую в рамках одноэлектронного приближения Хартри-Фока. Самое грубое и самое важное допущение, возникающее из-за сложности описания любой трёх- и более компонентной системы.
Данная модель не только хорошо стыкуется с экспериментальными данными, но и позволяет рассчитывать необходимые характеристики атомов и материалов с необходимой точностью.
Является ли это конечной теорией? Уверен, что нет, но пока нет противоречащих ей экспериментальных данных.
Подведём итоги
Человечество всегда старается придумать описание процессов вокруг нас, чтобы можно было с высокой точностью предсказать какие-то события и получить от этого выгоду. Раньше это был удел только философов, теперь же каждый новый материал или устройство является результатом кропотливого многолетнего труда множества учёных, в том числе химиков. Несмотря на это мы (люди) до сих пор плохо понимаем, как устроены атомы и что ещё можно с ними сделать.
Как и всегда, всем настойчиво рекомендую при изучении любого материала, даже хорошо известного, задаваться вопросами "Почему?", "А что, если… ?" и другими подобными и честно стараться придумать ответы самостоятельно, а затем находить подтверждения или опровержения своим мыслям.