ГДЗ по Химии 8 Класс Параграф 30 Вопрос 9 Габриелян, Остроумов — Подробные Ответы

Подготовьте сообщение и презентацию на тему «Эволюция представлений о сложном строении атома».

https://disk.yandex.ru/i/i4UwFaghdlVwBQ

Для подготовки сообщения и презентации на эту тему, мы будем следовать хронологии научных открытий и теоретических моделей, которые постепенно уточняли и углубляли наше понимание атома.

Введение: От неделимого к сложному

Долгое время атом считался неделимой, мельчайшей частицей материи (от греческого «атомос» – неделимый). Эта концепция, зародившаяся еще в Древней Греции (Демокрит, Левкипп) и возрожденная в XVIII-XIX веках Джоном Дальтоном, была основой химии. Однако, с развитием физики и появлением новых экспериментальных методов, стало очевидно, что атом обладает сложной внутренней структурой. Открытие электрона в конце XIX века стало первым шагом к пониманию, что атом не является неделимым, и положило начало эволюции представлений о его строении.

1. Модель Томсона («Сливовый пудинг»)

Контекст появления: После открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), стало ясно, что в атоме есть отрицательно заряженные частицы. Поскольку атом в целом электронейтрален, в нем должен быть и положительный заряд. Томсон предложил первую модель, которая пыталась объяснить это.

Основная идея: В 1904 году Джозеф Джон Томсон предложил модель, в которой атом представлялся как равномерно заряженная положительная сфера (подобно «пудингу»), внутри которой, как изюминки, вкраплены отрицательно заряженные электроны. Положительный заряд «пудинга» компенсировал суммарный отрицательный заряд электронов, обеспечивая электронейтральность атома.

Что объясняла: Эта модель могла объяснить электронейтральность атома и некоторые явления, связанные с эмиссией света (электромагнитного излучения), предполагая, что электроны могут колебаться внутри положительной сферы.

Ограничения и почему была отвергнута: Главным недостатком модели Томсона было отсутствие экспериментального подтверждения. Она не могла объяснить результаты последующих экспериментов, в частности, опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Модель предполагала, что положительный заряд распределен равномерно, что должно было приводить к очень слабому отклонению пролетающих через атом заряженных частиц.

2. Модель Резерфорда («Планетарная»)

Контекст появления: В 1911 году Эрнест Резерфорд и его сотрудники (Гейгер и Марсден) провели знаменитый эксперимент по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Они ожидали, что альфа-частицы, согласно модели Томсона, будут лишь незначительно отклоняться. Однако, к их удивлению, большинство частиц проходили сквозь фольгу практически без отклонения, но небольшая часть отклонялась на очень большие углы, а некоторые даже отскакивали назад.

Основная идея: Для объяснения этих результатов Резерфорд предложил новую модель атома. Он предположил, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в очень маленьком, плотном ядре в центре атома. Вокруг этого ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по орбитам вращаются электроны. Большая часть атома, таким образом, является пустым пространством.

Что объясняла: Эта модель прекрасно объясняла результаты эксперимента Резерфорда: большинство альфа-частиц проходили сквозь «пустое» пространство атома, а те немногие, что попадали вблизи массивного положительно заряженного ядра, сильно отталкивались, вызывая большие отклонения. Модель также объясняла электронейтральность атома (заряд ядра компенсируется зарядом электронов).

Ограничения и почему была отвергнута: Несмотря на успех в объяснении эксперимента Резерфорда, эта модель столкнулась с серьезными противоречиями с классической физикой:

• Стабильность атома: Согласно классической электродинамике, вращающийся электрон (заряженная частица, движущаяся с ускорением) должен непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя энергию. В результате, он должен был бы по спирали упасть на ядро за ничтожно малое время (около 10⁻⁸ секунды), что противоречит наблюдаемой стабильности атомов.
• Спектры излучения: Классическая физика предсказывала, что излучение атома должно быть непрерывным (как у нагретого тела), тогда как эксперименты показывали, что атомы излучают свет только на определенных, дискретных длинах волн (линейчатые спектры).

3. Модель Бора («Квантовая»)

Контекст появления: Для преодоления противоречий модели Резерфорда с классической физикой, в 1913 году Нильс Бор предложил свою модель, основываясь на идеях квантовой механики, предложенных Максом Планком (квантование энергии) и Альбертом Эйнштейном (кванты света).

Основная идея: Бор ввел три постулата:

1. Постулат стационарных орбит: Электроны могут вращаться вокруг ядра только по определенным, «разрешенным» (стационарным) орбитам, находясь на которых, они не излучают энергию. Каждой такой орбите соответствует определенное значение энергии.

2. Постулат частот: Излучение или поглощение энергии атомом происходит только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. Энергия испускаемого или поглощаемого фотона равна разности энергий этих орбит.

3. Правило квантования: Разрешенными являются только те орбиты, для которых момент импульса электрона кратен постоянной Планка.

Что объясняла: Модель Бора успешно объяснила стабильность атома (электроны не падают на ядро, находясь на стационарных орбитах) и дискретный линейчатый спектр атома водорода, а также водородоподобных ионов (ионов с одним электроном). Она позволила рассчитать энергии электронных оболочек и длины волн спектральных линий водорода с высокой точностью.

Ограничения и почему была отвергнута:

• Модель была применима только для атомов с одним электроном (водород, He⁺, Li²⁺) и не могла объяснить спектры многоэлектронных атомов.
• Она не могла объяснить интенсивность спектральных линий, тонкую структуру спектров (расщепление линий) и эффект Зеемана (расщепление линий в магнитном поле).

Модель Бора все еще рассматривала электроны как частицы, движущиеся по четко определенным орбитам, что противоречило развивающимся представлениям о волновой природе материи (де Бройль) и принципе неопределенности Гейзенберга. Она не объясняла, почему существуют эти «разрешенные» орбиты.

4. Протонно-нейтронная теория ядра и Квантово-механическая модель атома

Контекст появления: Ограничения модели Бора, а также новые открытия в области ядерной физики (открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году) и развитие квантовой механики (Шрёдингер, Гейзенберг, Дирак) привели к созданию современной, более полной модели атома.

Протонно-нейтронная теория ядра:

Основная идея: В 1932 году Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели, атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра и, соответственно, порядковый номер элемента в Периодической таблице. Сумма протонов и нейтронов определяет массовое число атома.

Что объясняет: Эта теория объясняет явление изотопов (атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, а следовательно, разную массу). Она также заложила основу для понимания ядерных реакций и радиоактивности.

Квантово-механическая модель электрона (современная):

Основная идея: В отличие от четких орбит Бора, квантово-механическая модель описывает движение электрона не как траекторию, а как вероятность его нахождения в определенной области пространства вокруг ядра, называемой атомной орбиталью или электронным облаком. Эта модель основана на волновой природе электрона (де Бройль) и принципе неопределенности Гейзенберга. Состояние электрона в атоме описывается набором квантовых чисел.

Что объясняет: Эта модель является наиболее полной и успешной:

• Объясняет двойственную (корпускулярно-волновую) природу электрона.
• Успешно описывает спектры многоэлектронных атомов.
• Лежит в основе понимания химической связи, строения молекул и свойств веществ.
• Объясняет магнитные свойства атомов и взаимодействие их с внешними полями.

Выводы

Эволюция представлений о строении атома — это яркий пример научного прогресса, движимого экспериментами и теоретическими прорывами.

1. Критерий истинности: Главный критерий правильности любой научной теории – это её экспериментальное подтверждение. Каждая новая модель атома появлялась в ответ на экспериментальные данные, которые не могла объяснить предыдущая теория.

2. Накопление знаний: По мере накопления информации о свойствах атома и его взаимодействии с излучением, появлялись все более совершенные модели, объясняющие его строение.

3. Непрерывное развитие: Экспериментальное опровержение или подтверждение идей о структуре атома способствовало развитию правильных и все более точных представлений о природе химического элемента: от первой попытки Томсона включить субатомные частицы, через революционную планетарную модель Резерфорда и квантовые постулаты Бора, до современной протонно-нейтронной теории ядра и квантово-механического описания электронных оболочек. Этот процесс продолжается, и физика постоянно уточняет наше понимание микромира.

Таким образом, сообщение и презентация должны последовательно раскрывать эти этапы, подчеркивая, как каждое новое открытие и каждая новая модель строились на предыдущих, исправляя их недостатки и открывая новые горизонты в понимании фундаментальных свойств материи.