99251

Четвертый этап развития учения о периодичности

Доклад

Физика

Разработка моделей строения атома. Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсон дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения установил природу положительных ионов предложил первую модель строения атома. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него.

Русский

2016-08-10

440 KB

0 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХИМИИ И МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ

Доклад на тему:

«Четвертый этап развития учения о периодичности»

Выполнила: студентка 1курса  

магистратуры

«Химическое образование»

Асмус Т. В.

                                                                                 Проверил: к.х.н., доцент

Брянский Борис Яковлевич

ОМСК 2009

Четвертый этап (1911- 1925) характеризуется собственно физическим обоснованием закона периодичности и разработкой формальной теорией ПС. Важнейшие работы этого этапа рассматривают проблему по 3 направлениям.

   1. Разработка моделей строения атома. 

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.).

Томсон (Thomson) Джозеф Джон (18.XII.1856–30.VIII.1940)

Английский физик, член Лондонского королевского общества (с 1884, в 1915–20 – президент). В 1884–19 профессор Кембриджского университета и руководитель Кавендишской лаборатории; одновременно в 1905–18 профессор Королевского института в Лондоне. Ранние работы Томсона посвящены вычислению электромагнитного поля движущегося заряженного шара, теории вихрей, прецизионному измерению отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным. Занимаясь изучением газового разряда, Томсон совместно с сотрудниками выполнил серию классических работ, приведших его к открытию электрона (впервые измерил отношение заряда электрона к массе, 1897; Нобелевская премия, 1906). Томсон дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения, установил природу положительных ионов, предложил первую модель строения атома. В 1911 Томсон разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к ее массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.

Томсон считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него. Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Модель атома Дж. Томсона.

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но она все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рисунке.

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу по закону Кулона, возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рисунок иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через два года (в 1911 г.) после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц. Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка

10-8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Резерфорд (Rutherford) Эрнст (30.VIII.1871–19.X.1937) - английский физик. Один из основателей учения о радиоактивности, ядерной физики и представлений о строении атомов. Совместно с Ф. Содди дал четкую формулировку (1903) закона радиоактивных превращений, выразив его в математической форме, и ввел понятие «период полураспада». Изучил рассеяние α-частиц атомами различных элементов и предложил (1911) планетарную (ядерную) модель атома. Бомбардировал (1919) α-частицами атомы азота, осуществив первое искусственное превращение элементов (азота в кислород). Предложил называть ядро атома водорода протоном. Нобелевская премия по физике (1908).

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Эта попытка оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив всю энергию на излучение электромагнитных волн.

Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома сделал в 1913 году выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов.

      БОР (Bohr) Нильс (1885-1962), датский физик, один из создателей современной физики. Основатель (1920) и руководитель Института теоретической физики в Копенгагене (Институт Нильса Бора); создатель мировой научной школы; иностранный член АН СССР (1929). В 1943-45 работал в США. Создал теорию атома, в основу которой легли планетарная модель атома, квантовые представления и предложенные им Бора постулаты. Важные работы по теории металлов, теории атомного ядра и ядерных реакций. Труды по философии естествознания. Активный участник борьбы против атомной угрозы. Нобелевская премия (1922).

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний).

Атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En.

В стационарных состояниях атом не излучает.

Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося электрона может быть любой.

Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию.

Второй постулат Бора (правило частот).

При переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний.

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит от характера движения электрона.

Модель Бора — полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать непрерывно, и очень быстро, потеряв энергию, упасть на ядро.

Чтобы преодолеть эту проблему Бор ввел допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причем стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка.

В картине атома по Бору, таким образом, электроны переходят вниз и вверх по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. Каждый скачок обязательно сопровождается испусканием или поглощением кванта энергии электромагнитного излучения, который мы называем фотоном.

2. Открытие и разработка системы изотопов, в особенности  открытие закона сдвига

В1913 г  Ф. Содди и К.Фаянс сформулировали правило смещения, позволяющее предсказать место в периодической системе элемента — продукта радиоактивного распада.

Фредерик Содди (1877 - 1956) - английский радиохимик, член Лондонского королевского общества (1910), лауреат Нобелевской премии по химии (1921). Совместно с Резерфордом предложил теорию радиоактивного распада, послужившую началом развития современного учения об атоме и атомной энергии. В 1903 Резерфорд и Содди установили, что радиоактивный распад протекает по закону, описывающему ход мономолекулярной реакции. Рамзай и Содди спектроскопическим путём обнаружили образование гелия из радона. в 1913 Содди и К.Фаянс сформулировали правило смещения. Экспериментально доказал (1915), что радий образуется из урана.

Казимир Фаянс (1887 –1975) -  американский физико-химик. Поляк по происхождению.  Одновременно с Ф.Содди установил (1913) правило смещения при распаде радиоактивных элементов; совместно с Ф.Панетом сформулировал (1913) правило соосаждения радиоактивных элементов (правило Фаянса — Панета). Основные труды Фаянса в области физической химии посвящены рефрактометрическим исследованиям, изучению связи деформации электронных оболочек с химическими и оптическими свойствами неорганических соединений, изучению недиссоциированных молекул и комплексных ионов в растворах сильных электролитов.

Правило сдвига, или правила смещения: при альфа-распаде химическая природа элемента изменяется так, что он смещается на две клетки влево по периодической системе, при бета-распаде – на одну клетку вправо. Правило четко увязало структуру трех радиоактивных семейств с таблицей Менделеева. Позднее было доказано, что родоначальники семейств – долгоживущие радиоактивные изотопы торий-232, уран-238 и уран-235.

3. Открытие закона Г. Мозли

В 1895 году В. Рентген открыл рентгеновские лучи. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения.

Одним из них был Г. Мозли, установивший в 1913 г зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента.

Генри Гвин Джефрис Мозли (1887 - 1915) - английский физик, один из основоположников рентгеновской спектроскопии. В 1913 в серии блестящих экспериментов установил зависимость между частотой спектральных линий характеристического рентгеновского излучения и атомным номером излучающего элемента. В 1913 г. создал и представил исторически первый радиоизотопный источник электрической энергии (атомную батарею Beta Cell). В 1914 Мозли опубликовал работу, в которой сделал вывод, что между элементами алюминием и золотом в периодической таблице должно находиться три (как оказалось позже, четыре) элемента.

Г. Мозли установил, что длина волны рентгеновского излучения своя у каждого элемента. Она увеличивается с возрастанием атомной массы. Г. Мозли связал частоту этого излучения с порядковым номером элемента. Закон Мозли подтвердил, что изменение порядковых номеров элементов в периодической системе соответствовало последовательному увеличению зарядов ядер их атомов.

Длина волны характеристического рентгеновского излучения, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.

В связи с новыми открытиями периодический закон принял следующую современную формулировку:

Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера элемента).

Почему же свойства элементов и его соединений изменяются периодически? В чем причина периодичности?

Ответ на данный вопрос также позволяет дать теория строения атома. Величина заряда ядра - главная характеристика элемента, мера его индивидуальности. От Z элемента зависят все остальные его свойства, он определяет число электронов и их состояние в атоме.

Возрастание Z атомов элементов от 1 до 107 приводит к периодическому повторению электронных структур атомов и числа электронов на внешнем энергетическом уровне. В этом - физический смысл периодического закона и причина периодичности изменения свойств элементов.

Литература

1. Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. – М.: Мир, 1983. 187 с.

2. Кузнецов В.И. Диалектика развития химии. – М.: Наука, 1973. 328 с.

3. Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. – М.: Просвещение, 1983. 368 с.

4. Фигуровский Н.А. История химии. – М.: Просвещение, 1979. 311 с.

5.http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/85a43aa4-1f7a-455a-ac5a-e1a58587a7ef/9_250.swf

6. http://image.websib.ru/06/text_article_point1.htm?180


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79523. Объединение Русских земель Москвы (14-первая половина 16 веков) 21.07 KB
  Объединение Руси начавшийся в XIV XV веках процесс объединения раздробленных русских земель вокруг нескольких новых политических центров приведший в конечном итоге к образованию централизованного Русского государства и его последующему возобладанию над внешними политическими конкурентами за земли Руси. Объединение Северовосточной Руси завершилось в правление Ивана III присоединение Новгорода 1478 Твери 1485 ликвидация формальной автономии Пскова 1510 и Рязани 1521. Он принял титул государя всея Руси...
79524. Начало эпохи великих географических открытий и первые колониальные захваты. Новое время как особая фаза всемирно исторического процесса 22.1 KB
  Новое время или новая история период в истории человечества находящийся между Средневековьем и Новейшим временем. Критерием определения нового времени его новизны по сравнению с предшествующей эпохой был с точки зрения гуманистов расцвет в период Ренессанса светской науки и культуры то есть не социальноэкономический а духовнокультурный фактор. Однако этот период довольно противоречив по своему содержанию: Высокое Возрождение Реформация и гуманизм соседствовали с массовым всплеском иррационализма развитием демонологии...
79525. Реформация и ее экономические, политические и социокультурные причины. Религиозные войны в Европе 21.7 KB
  С одной стороны католический мир который объединял все народы Западной Европы под духовным руководством папы римского прекратил существование. С другой стороны национальные церкви способствовали росту национального сознания народов Европы. При этом существенно повысился культурный и образовательный уровень жителей Северной Европы которая до этого была как бы окраиной Христианского Мира необходимость изучения Библии приводила к росту как начальных учебных заведений в основном в форме церковноприходских школ так и высших что...
79526. Государство и общество стран Западной Европы в 17 веке 21.34 KB
  Их концептуальным выражением и итогом стали теории естественного права и общественного договора основанные на рационализме. Теория естественного права явилась классическим воплощением нового мировоззрения. Теория естественного права основана на признании всех людей равными от природы и наделенными природой же естественными страстями стремлениями разумом. Законы природы определяют предписания естественного права которому должно соответствовать положительное позитивное волеустановленное право.
79527. Внутренняя и внешняя политика Ивана 4 Грозного 20.85 KB
  Иван IV стал великим князем в 1533 г. в 3 года. Регентшей была его мать Елена Глинская, а после ее смерти в 1538 г. началось боярское правление, сопровождавшееся борьбой боярских группировок. В 1547 г. Иван IV венчался на царство.
79528. Россия в годы смуты (конец 16-начало 17 веков) 21.68 KB
  Шурин Фёдора Борис Годунов фактически правил при недееспособном Фёдоре Ивановиче организовал свое избрание царём на Земском соборе. Но бояре были недовольны незнатным царём крестьяне отменой Юрьева дня казаки репрессиями властей дворяне тяжелой службой. Годунов умер и Лжедмитрий стал царём. Земский собор избрал царём Михаила Романова.
79529. Воцарение в России Романовых. Развитие страны в 17 веке. Особенности сословно-представительной монархии в России 20.84 KB
  Кандидатура Михаила Федоровича устроила представителей всех сословий и политических сил: аристократы были довольны тем что новый царь будет представителем древнего рода Романовых сторонники легитимной монархии были довольны тем что Михаил Федорович имеет родство с Иваном Грозным а пострадавшие от террора и хаоса смуты были довольны тем что Романов не причастен к опричнине казаки же были довольны что отцом юного царя был митрополит Филарет.
79530. Россия в конце 17-первой четверти 18 веков 21.76 KB
  Россия по Вечному миру с Польшей закрепила за собою Киев и вступила в антитурецкую коалицию. по Ништадтскому миру Россия получила за крупную сумму Эстонию Латвию и почти всю Карелию. Россия заключила союз с Австрией.
79531. Международные отношения и внешняя политика России при Петре 1 23.79 KB
  Образование Российской 1Пётр I предпринял целый ряд реформ. После возвращения из Великого посольства Пётр I повёл борьбу с внешними проявлениями устаревшего образа жизни но не менее обращал внимание на приобщение дворянства к образованию и светской европеизированной культуре. Успех по службе Пётр поставил для дворян в зависимость от образования. Всего в посольство вошло до 250 человек среди которых под именем урядника Преображенского полка Петра Михайлова находился сам царь Пётр I.