Факультет

Студентам

Посетителям

Ядра и электроны образуют атомы

Поскольку положительные и отрицательные заряды взаимно притягиваются, атомные ядра, которые всегда заряжены положительно, будут притягивать отрицательно заряженные электроны.

Притянутый к ядру электрон не становится его частью, а вращается вокруг него по орбите на некотором удалении. Объясняется это тем, что электрон ведет себя скорее как волна, а не как частица. Так, водородное ядро, обладающее единственным положительным зарядом, захватывая подобным образом электрон, образует атом водорода. Внешне этот атом электрически нейтрален, так как отрицательный заряд электрона нейтрализует положительный заряд ядра. Ядро гелия, имеющее двойной заряд, должно притянуть два электрона для создания нейтрального атома, для ядра железа, имеющего атомный заряд 26, требуется 26 электронов, и, наконец, ядро урана (атомный заряд 92) обычно окружает себя 92 электорнами.

В принципе, атомное ядро может быть образовано из антипротонов и антинейтронов. Такое отрицательно заряженное ядро может быть окружено позитронами, а такой «антиатом» будет обладать точно такими же свойствами, что и обычная материя. Входя в контакт друг с другом, материя и антиматерия взаимно уничтожаются, высвобождая при этом огромное количеству энергии. Согласно некоторым теориям часть Вселенной состоит из антиматерии.

Теория, выдвинутая Нильсом Бором в 1913 году, включала в себя первое представление о строении атома. Согласно этой теории электроны движутся по круговым или эллиптическим орбитам вокруг ядра, некоторым образом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако существует большое различие между движением планет и движением электронов. Планета может двигаться на любом расстоянии от Солнца. Так, если бы скорость вращения Земли вокруг Солнца уменьшилась, Земля продвинулась бы на определенное расстояние по направлению к Солнцу и стала бы вращаться по новой орбите, удаленной от Солнца на расстояние, зависящее целиком от степени замедления. Замедляя или ускоряя движение Земли вокруг Солнца, можно заставить ее двигаться по любому эллипсу (соблюдая лишь единственное условие: фокус такой эллиптической орбиты должен приходиться на Солнце). Электроны же в атоме лишены столь неограниченной свободы выбора своей орбиты по причине того, что они ведут себя как волны, а последние должны укладываться в определенные волновые спектры.

Как уже упоминалось выше, свечение неоновой трубки обусловливается прохождением электрического тока через инертный газ неон, содержащийся в трубке. Ядро неона имеет атомный заряд 10 и, следовательно, обычно окружено десятью электронами. Если электрический ток проходит через газ, то это означает, что электроны принуждены двигаться через него и сталкиваются с атомами газа. При достаточно энергичном столкновении атом неона в результате может лишиться одного электрона и превратиться в положительно заряженный ион. Таким образом, ион неона состоял бы из атома неона и девяти электронов. Освободившийся электрон помогает проводить электрический ток через газ, но в конце концов его может захватить другой ион неона. Почему же ионы заряжены положительно? Да потому, что девять заключенных в них электронов не в состоянии нейтрализовать десять положительных единиц заряда ядра, вот почему электрическое поле иона притягивает соседние электроны.

К такой ионизации атома приводят лишь достаточно энергичные столкновения. Чаще всего в результате столкновения один из электронов, входящих в состав атома неона, отбрасывается со своей нормальной орбиты на новую орбиту, более удаленную от ядра. Такое явление называется возбуждением атома. Атом продолжает оставаться электрически нейтральным и имеет, в случае неона, 10 электронов; хотя один из них стал обладателем необычно большого запаса энергии в связи с увеличением его расстояния от ядра. Но уже через очень короткий промежуток времени этот электрон возвращается на свою нормальную орбиту, выделяя при этом излишнюю энергию в виде фотона. Фотон образуется всякий раз, когда электрон «перепрыгивает» с одной орбиты на другую. Свет, посылаемый газом при прохождении через него электрического тока, состоит из фотонов, выделяемых возбужденными атомами при возвращении их в нормальное состояние. Энергия фотонов, а стало быть, и энергия излучаемого света определяется разницей между энергетическими уровнями двух орбит. Если эта разница очень мала, мы имеем красный свет, характеризуемый длинными волнами, несколько большая разница дает желтый и зеленый свет более короткой волны, а еще большая разница — синий или фиолетовый свет еще более короткой волны. Посредством точного измерения длины волны излучаемого света мы можем собрать очень ценную информацию о различных энергетических состояниях, в которых может находиться атом. Ясный красный свет неоновой лампы помогает нам сделать правильный выбор при покупке зубной пасты, физику же он повествует об атомной структуре неона.

Различные орбиты, на которые может перейти электрон при возбуждении атома, таким образом, характеризуются различными энергетическими состояниями. Свет, излучаемый при каждом переходе с одной орбиты на другую, называется спектральной линией; каждая такая линия имеет специфический цвет. Сложные по строению атомы могут излучать тысячи, а иногда и десятки тысяч различных спектральных линий и, естественно, как и все сложное, трудно поддаются анализу. Чтобы понять устройство атома, необходимо начать с анализа простейшего атома, а именно с атома водорода, вокруг ядра которого вращается всего лишь один электрон. Обычно этот электрон вращается по круговой орбите в непосредственной близости от ядра — диаметр орбиты составляет одну десятимиллионную миллиметра. Анализируя спектр, излучаемый газом водорода при пропускании через него электрического тока, мы можем рассчитать орбиты, по которым движется электрон при возбужденном состоянии атома. В результате такого анализа удалось установить, что расстояние от орбиты до ядра может быть в 4, 9, 16 или 25 раз больше нормального расстояния между ядром и орбитой; но оно не может превышать это расстояние в 5, 8 или 13 раз.

Поначалу трудно было понять, почему электрон может вращаться лишь по определенным орбитам, а не вообще на любом расстоянии от ядра — наподобие планеты, вращающейся вокруг Солнца. Разгадать эту загадку удалось с открытием волновой природы электрона. Рассматривая элементарные частицы, мы уже отмечали, что электрон иногда напоминает частицу, но наряду с этим он обладает и другими свойствами, которые заставляют его вести себя подобно волне. Оперируя исключительно малыми размерами, подобно размерам атомов, мы убеждаемся, что волновые свойства столь же ярко выражены, как и корпускулярные, а потому и не совсем точным будет утверждение, что электрон движется по определенной орбите. Электрон, движущийся вокруг атомного ядра, скорее можно представить себе как электрический заряд, который пульсирует, колеблется, вращаясь вокруг ядра. Вот почему задача по расчету движения электрона в атоме не чужда акустическим проблемам: как колеблется струна, или, какие звуки, тона можно извлечь из свистка.

Открытие волновой природы электрона послужило толчком к усовершенствованию классической механики Ньютона, в результате чего возникла квантовая механика, или волновая механика. Квантовая механика сосредоточивает свое внимание на волновой природе электрона, в то время как классическая механика рассматривает электрон как частицу. При рассмотрении крупных тел, таких, как планеты или даже метеоры или снаряды, можно ограничиться их корпускулярной природой, поскольку, если тела достаточно крупны, их волновая природа совершенно незаметна. Но если мы изучаем мельчайшие частицы, наподобие электрона, и имеем дело с размерами порядка размеров атома, волновая природа проявляется настолько сильно, что мы должны пользоваться квантовой механикой.

С развитием этой новой отрасли науки стало возможным полное описание свойств атома водорода. Но, к сожалению, модель атома, предложенная квантовой механикой, настолько абстрактна, что просто невозможно получить его графическую картину, поскольку малозаметные и необычные явления, происходящие внутри атома, не могут быть описаны посредством аналогов из повседневной жизни. Если мы намерены сделать попытку дать наглядное изображение атома, то мы должны быть готовы столкнуться с Тем фактом, что по меньшей мере в некотором отношении эта картина будет очень обманчивой. Желая подчеркнуть корпускулярную природу электрона, мы придем к атомной модели Бора, в которой электроны рассматриваются как частицы, движущиеся по некоторым определенным орбитам и могущие перепрыгивать с одной орбиты на другую, испуская при этом один фотон. С другой стороны, мы можем выделить волновую природу электрона и рассматривать различные состояния атома как основной тон и обертоны колебаний электрона.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: