Атомная структура

Атомная структура — это структура атома, которая состоит из ядра в центре, содержащего нейтроны и протоны, а электроны вращаются вокруг ядра. Поскольку атомы состоят из очень крошечного положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Термин «атомная структура» объясняет структуру атома, который имеет ядро (центр), содержащее как протоны (положительно заряженные), так и нейтроны (нейтральные). Центр ядра окружают отрицательно заряженные электроны.

Демокриту, ученому, который первоначально утверждал, что материя состоит из атомов, приписывают разработку концепций строения атома и квантовой механики. Многое можно узнать о химических реакциях, связях и их физических характеристиках, изучая структуру атома. Позже, в 1800-х годах, Джон Дальтон выдвинул первую научную теорию строения атома.

Что такое атомная структура?

The composition of an element’s nucleus and how its electrons are arranged around it are referred to as the element’s atomic structure. Protons, electrons, and neutronscomprise the majority of the atomic structure of matter.

Ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, окружено собственными электронами атома. Общее количество протонов в ядре элемента выражается атомным номером элемента. Протоны и электроны равномерно распределены среди нейтральных атомов. Но атомы могут получать или терять электроны, чтобы сделать их более стабильными, и получившийся в результате заряженный объект известен как ион. Поскольку атомы разных элементов содержат разное количество протонов и электронов, их атомные структуры также различны. Это объясняет, почему разные элементы обладают уникальными свойствами.

Атомные модели

Многие ученые использовали атомные модели, чтобы понять структуру атома в первые века. Каждая из этих моделей имела свои преимущества и недостатки и сыграла значительную роль в развитии современной модели атома. Такие ученые, как Джон Дальтон, Дж. Дж. Томсон, Эрнест Резерфорд и Нильс Бор, внесли наиболее заметный вклад в науку.

В этом разделе настоящей статьи обсуждаются их теории относительно строения атома:

Атомная теория Дальтона

Джон Дальтон был британским химиком и предположил, что все вещества состоят из атомов. А также то, что атомы неделимы и неразрушимы. Он также предположил, что все атомы определенного вещества одинаковы, но атомы разных элементов имеют разные размеры и массы.

According toDalton’s atomic theory, Chemical reactions involve the rearrangements of atoms in order to form the products. According to the postulates proposed in his theory, atomic structure is made up of atoms and they are the smallest particles responsible for chemical reactions to occur.

Postulates of Dalton’s Theory

• Every matter that exists is made of atoms.
• Atoms are indivisible.
• A particular element has only one type of atom in it.
• An atom has a constant mass that varies for every element.
• During a chemical reaction, atoms undergo rearrangement
• Atoms can neither be created nor be destroyed but can only be transformed from one form to another.

Атомная теория Дальтона смогла успешно объяснить законы химических реакций, названные законом сохранения массы, законом постоянных свойств, законом кратных пропорций и законом обратных пропорций.

Недостатки атомной теории Дальтона

1. Эта теория не могла объяснить существование изотопов.
2. Не было дано надлежащего объяснения относительно строения атомов.
3. Позже выяснилось, что атомы делимы, и утверждение Дальтона о неделимости атомов оказалось ошибочным.

Открытие частиц, составляющих атомы, привело к лучшему пониманию химических веществ, эти составляющие частицы называются субатомными частицами.

Атомная модель Томсона

Сэр Джозеф Джон Томсон также был английским химиком, известным своим открытием электронов, известным как атомная модель Томсона, за которое он также получил Нобелевскую премию. Он провел эксперимент с катодными лучами, чтобы изобрести электроны. В этом опыте берется стеклянная трубка с двумя отверстиями. Одно отверстие предназначено для вакуумного насоса, а другое - для всасывания, через которое в трубку вдувается газ. С помощью вакуумного насоса внутри стеклянной камеры поддерживается частичный вакуумный насос. С помощью электродов подключается высоковольтный источник питания. Проще говоря, внутри стеклянной трубки помещаются катод и анод.

Observations of Thomson’s Atomic Model

The following observations were made when the current was allowed to flow between the cathode and anode.

1. When the high voltage power is connected and switched ON, rays were transmitted from the cathode towards the anode. Fluorescent spots were observed on the ZnS screen and it confirmed the fact the rays were being transmitted. These rays were given the name Cathode Rays.
2. When an external electric field was projected on the tube, the rays got deviated toward the positive electrode. But in the absence of the electric field, the rays got back in the straight line.
3. But when rotor blades were fixed in the path of the cathode rays, the rays seemed to rotate. This proved that cathode rays were made of some particle that had some mass in them.
4. Using all the evidence, Thomson reached the conclusion that cathode rays are composed of negatively charged particles called electrons.
5. By applying electric and magnetic fields on the cathode ray, the charge to mass ratio (e/m) was found. The e/m for electrons came out to be 17588 × 10¹¹ e/bg

Малликин провел эксперимент с каплей масла, чтобы найти заряд электрона, используя отношение e/m. Он нашел заряд электрона = 1,6 х 10 ^-16 Кл и массу электрона = 9,1093 х 10 ^-31 кг. Томсон описал структуру атома как положительно заряженную сферу, в которой закрепились отрицательно заряженные электроны. Популярное название, данное этой модели, — «модель сливового пудинга», потому что ее можно рассматривать как блюдо для сливового пудинга, где положительно заряженный атом означает пудинг, а кусочки сливы — электроны.

Причина неудачи модели Томсона в том, что эта модель не дает ясного представления об устойчивости атома. Эта модель не могла приспособиться к другим субатомным частицам, открытым в будущем.

Эксперимент по рассеянию альфа-лучей и атомная теория Резерфорда

Резерфорд, ученик Дж. Дж. Томсона, открыл еще одну субатомную частицу, названную ядром. Это открытие внесло огромные изменения в атомную структуру. Наблюдения, сделанные Томсоном в его эксперименте, были использованы Резерфордом, чтобы предложить свою теорию строения атома посредством эксперимента, названного Резерфордовским экспериментом по рассеянию альфа-лучей.

Резерфорд использовал явление радиоактивности при проведении своего эксперимента. Он использовал радиоактивный материал бромид радия (RaBr). RaBr испускает α-частицы, что является формой излучения. В установку был помещен тонкий металлический лист золотого цвета. Затем на этот лист бомбардировали α-частицами. Для наблюдения за отклонением частиц использовали экран из сульфида цинка (ZnS), который помещали за золотой фольгой. Далее Резерфорд разработал детектор для подсчета количества радиоактивных частиц. Первоначально он записывал скорость счета RaBr, поскольку вел подсчет α-частиц, испускаемых в минуту.

Observation of Rutherford’s model

Following observations were made by Rutherford and conclusions were drawn:

• Most of the α particles passed through thin sheets. This means most of the atom’s space is empty.
• Another observation made was that some of the α  particles deflected a bit in every direction. This leads to the conclusion that the positive charge is not distributed uniformly throughout the atom.
• Very few α particles get deflected back along the path that they were traveling on. This happened because of charges repelling each other. Seeing this Rutherford concluded that the positive charge in an atom exists in a very small volume.
• Not only the positively charged particles but a lot of mass is also concentrated in a very small volume. Rutherford named this region as Nucleus.
• Rutherford also came up with the argument that electrons are present in orbits around the orbits, much like the planets in the solar system. Electrons are negatively charged and they revolve around the nucleus.
• The electrons and nucleus are held by the electrostatic force of attraction because they are negatively and positively charged respectively.

Conclusion of Rutherford’s model

Drawing conclusions from all the above observations, Rutherford proposed his Atomic structure which had the following properties –

1. The nucleus lies at the center of the atom, and the maximum of the charge and mass is concentrated there only.
2. Atoms are spherical in nature.
3. Electrons revolve around the nucleus in a circular orbit.

Limitations of Rutherford’s model

Just like other atomic models, Rutherford’s model also had many shortcomings.

• In order to revolve around the nucleus, they will have to spend energy and that is also against the strong force of attraction from the nucleus. Electrons will spend a lot of energy and eventually they will lose the entire energy and fall into the nucleus. This raises serious questions about the stability of the atom.
• If the electrons are revolving continuously around the nucleus, then the spectrum that they emit should be a continuous spectrum, but what we observe is a line spectrum.

Субатомные частицы

Протоны

• Протоны имеют положительный заряд. Этот заряд равен 1e, что примерно равно 1,602 × 10 ^-19
• Масса протона примерно равна 1,672 × 10 ^-24
• Протоны более чем в 1800 раз тяжелее электронов.
• Общее количество протонов в атомах элемента и атомный номер элемента всегда равны.

Нейтроны

• Масса нейтрона почти аналогична массе протона, т.е. 1,674 × 10 ^-24
• Нейтроны всегда являются электрически нейтральными частицами и не несут никакого заряда.
• Изотопы элемента имеют одинаковое количество протонов, но разное количество протонов в соответствующих ядрах.

Электроны

• Заряд электрона равен -1e, что примерно равно -1,602 × 10 ^-19.
• Масса электрона приблизительно равна 9,1 × 10 ^-31 .
• Масса электрона почти ничтожна по сравнению с массой атома, поэтому масса электрона игнорируется при вычислении массы атома.

Атомная структура изотопов

Все компоненты объединены под названием Нуклоны атома. Это может быть нейтрон или протон. Количество протонов уникально для каждого элемента, что обозначается его уникальным атомным номером. Элемент может иметь несколько атомных структур, но иметь разное количество нуклонов. Эти варианты элемента имеют разное количество нуклонов. Эти варианты называются изотопами элементов. Это приводит к тому, что изотопы имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.

Для описания структуры изотопа используется символ элемента, а также атомный номер и массовое число изотопа. Например, у водорода есть 3 изотопа: протий, дейтерий и тритий. Стабильность изотопов различна. Периоды полураспада также разные. Но обычно они имеют сходное химическое поведение, потому что имеют одинаковую электронную структуру.

Атомная теория Бора

Бор предложил свою модель в 1915 году, и это наиболее широко используемая модель атома, основанная на теории квантования Планка. Теория Бора применима к модифицированной атомной структуре. Это объясняет, что электроны всегда движутся только по фиксированным орбиталям, а не везде в атоме. Бор также объяснил, что каждая орбита представляет собой фиксированный уровень энергии. Орбиту также называют оболочкой. Резерфорд объяснил только ядро атома. Бор внес изменения в эту модель и добавил электроны и энергетические уровни.

Модель Бора представляет собой маленькое положительно заряженное ядро, окруженное отрицательными электронами, которые движутся по орбитам. Бор обнаружил, что чем больше расстояние электрона от ядра, тем больше его энергия.

Postulates of Bohr’s Atomic Theory

1. Inside atoms electrons are present in discrete orbits called “stationary orbits”.
2. Quantum numbers are used to represent the energy levels of these shells.
3. Electrons can go to higher levels by absorbing energy and move to lower energy levels by losing or emitting some energy.
4. Only when an electron stays in its own orbit, does no absorption or emission of energy take place?
5. Electrons revolve in these stationary orbits only.
6. The energy of the stationary orbits is quantized.

Limitations of Bohr’s Atomic Theory

• It works only for single-electron species such as H, He⁺, Li²⁺, Be³⁺, ….
• When a more accurate spectrometer was used to observe the emission spectrum of hydrogen, each line spectrum was seen to be a combination of multiple smaller discrete lines.
• Bohr’s theory was unable to explain Stark and Zeeman’s effects.

Резюме атомной структуры

• Атом . Определяющая структура и основные единицы материи элемента называются атомами. Термин «атом» произошел от греческого слова, которое означало неделимый, потому что раньше атом считался мельчайшими вещами во Вселенной, которые нельзя было разделить.
• Атомная структура – структура атома, состоящая из ядра, в котором присутствуют протоны и нейтроны. Отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, вращаются вокруг центра ядра.
• Ядро . Совокупность частиц, называемых протонами и нейтронами, называется ядром. Протоны заряжены положительно, а нейтроны электрически нейтральны. Протоны и нейтроны состоят из частиц, называемых кварками. Химический элемент атома определяется количеством протонов или атомным номером Z ядра.
• Протон . Положительно заряженные частицы, находящиеся внутри атомных ядер, получили название протон. Резерфорд открыл протон в своем знаменитом эксперименте с катодными лучами, который проводился между 1911 и 1919 годами. Протоны примерно на 99,86% массивнее нейтронов. Количество протонов в атоме уникально для каждого элемента
• Электрон . Электроны очень малы по сравнению с протонами и нейтронами, примерно в 1800 раз меньше, чем протон или нейтрон. Электроны всего на 0,054% тяжелее нейтронов. Электроны были открыты в 1897 году британским физиком Джозефом Джоном (Дж. Дж.) Томсоном. Электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам.
• Нейтрон - Резерфорд предположил существование нейтрона в 1920 году и позже был открыт Чедвиком в 1932 году. Нейтроны были обнаружены во время экспериментов, когда атомы стреляли в тонкий лист бериллия. Были высвобождены субатомные частицы без заряда, и они были названы нейтронами. Нейтроны — незаряженные частицы, содержащиеся во всех атомных ядрах.
• Изотопы – члены одного семейства элементов, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической таблице. Все изотопы обладают уникальными свойствами, как и все члены семейства имеют свои качества.

Часто задаваемые вопросы на основе атомной структуры

Вопрос 1: Каковы преимущества периодической таблицы?

Отвечать:

In the periodic table, elements are arranged in a tabular form. This makes it is easy to remember the properties of elements if one knows the position of the element. Also the compounds formed by the elements are predictable if the position of the element is known. Periodic table made it easy and systematic to study chemistry

Вопрос 2: Если число электронов и число протонов в атоме равны, то почему неправильно говорить, что атомный номер элемента равен числу электронов?

Отвечать:

It is wrong to say that the atomic number of the element is the same as the number of electrons because an atom can lose or gain electrons, so the number of electrons keeps changing and they are never constant. Whereas the number of protons never changes for an element. This is why atomic number is taken from number of protons.

Вопрос 3: Электроны вносят отрицательный заряд, а протоны вносят положительный заряд. У атома есть и то, и другое, но почему нет заряда?

Отвечать:

As per Thomson’s model of an atom, the number of electrons and the number of protons are equal in an atom. Electrons are negatively charged and protons are positively charged, hence the + and – charges are neutralized by each other that making atoms neutral as a whole

Вопрос 4: Почему модель Резерфорда не могла объяснить стабильность атома?

Отвечать:

According to Maxwell’s electromagnetic theory, when charged particles are accelerated, they should emit electromagnetic radiation. Similarly, an electron in its orbit moves at a very high velocity and it will emit radiation; the orbit will then continue to shrink and the electron ultimately falls into the nucleus which does not happen in an atom.

Вопрос 5: Каковы ограничения атомной теории Дальтона?

Отвечать:

There were multiple flaws found in dalton’s atomic theory. The biggest flaw was that atoms are not the elementary particles of matter, but they are further divided into three main categories known as electrons, protons, and neutrons. But they are the smallest entities that take part in a chemical reaction. The discovery of isotopes further led to a crucial flaw in this theory. Initially, it was said that the same elements have similar atoms, but isotopes proved that atoms in some elements can have variable densities and masses. Similarly, isobar’s discovery denied the fact that atoms are different for different elements. The whole number ratio theory was also found incorrect as it was not observed in complex compounds.

Связанные ресурсы

CBSE Class 8 Chemistry Notes for Atoms and Molecules