Атом құрлысы

Атом құрлысы

Атом құрылысы - 1897 жылы көптеген электр құбылыстарын түсiндiруге мүмкiндiк беретiн жаңалық ашылды. Ағылшын ғалымы Дж. Дж. Томсон элементар заряд тасымалдаушысы болып табылатын бөлшектi тапты. Бұл бөлшекті электрон деп атады. 

Электрон

Электрон  массасы m=9,1*10-31 кг-ға тең және табиғаттағы ең жеңiл сутегi атомы массасынан 3700 еседей аз болып шықты. Электр зарядын арттыруға және азайтуға болады. Яғни олар әр түрлі мәнге ие болуы мүмкін. Ендеше электр заряды физикалық шама. Екі электрометр алып олардың біреуін зарядтайық. Сосын оқшаулағыш тұтқасы бар жіңішке сыммен екі электрометрді жалғайық. Сонда біз зарядтың теңдей екіге бөлінгенін көре аламыз. Атом құрылысы 1911 жылы ағылшын ғалымы Э. Резерфорд басқарған тәжiрибелер нәтижесiнде ашылған. Электрон заряды терiс: q_эл = – е = – 1,6 • 10–19 Кл.

 

Оң зарядқа кіргізілген электрондар

Бұл заряд электронның ерекше сипаттамасы болып табылады. Жәй денелердi зарядтауға немесе разрядтауға болады, ал электронды зарядынан “айыру” мүмкiн емес. Сондай-ақ электрон зарядын азайтуға немесе көбейтуге болмайды. Электрон заряды барлық уақытта тек бiр мәнге ие. Химия курсынан сiздер электронның атом құрамына кiретiнiн бiлесiздер. Электрондар атом ішінде орналасқан оң зарядталған атомдық ядроны айнала қозғалады. Резерфорд тәжiрибелерiн жоғары сыныптарда егжей-тегжейлi қарастырылады. Мұнда бiз оның тәжiрибе нәтижесiнде жасаған қорытындыларымен шектелемiз. 

Резерфорд атомының құрылысын Күн жүйесiне ұқсатты. Күн жүйесiндегi планеталар оған тартылып айналғаны сияқты, электрондар да ядроға тартылып оны айнала қозғалады. Осындай ұқсастығы үшiн Резерфорд ұсынған модельдi планетарлық модель деп атаған. Ядро мен электронның ара қашықтығы олардың өлшемдерiне қарағанда өте үлкен. Егер атомды ойша үлкейткенде ядроның диаметрi он теңгелiктей болса, онда ядро мен электрон ара қашықтығы шамамен бiр километрдей болар едi. Егер барлық электрондар атомдық ядроларға тығыз орналасса, онда ересек адамның денесiнiң көлемi бiр куб миллиметрдiң миллионнан бiр бөлiгiндей болатындығы есептелген. Бұдан адам денесiнiң 99%-ын (кез-келген дененiң) бостық жайлайтындығын көремiз. Бiр тектi атомдар жиынтығы химиялық элемент деп аталады. Әр түрлi химиялық элементтердiң атомдары бiр-бiрiнен ядроларының зарядымен және сол ядроны айнала қозғалатын электрондар санымен ерекшеленедi. Мысалы, сутегi атомында жалғыз электрон бар, оттегi атомында – сегiз электрон, ал уран атомында – тоқсан екi. Атомдағы электрондар саны элементтiң Д.И. Менделеев кестесіндегі реттiк нөмiрiмен сәйкес келедi. Осы нөмiр атом ядросының зарядын да анықтайды. Белгiлеу енгiзейiк: Z – элементтiң реттiк нөмiрi, е = атомдағы электрондар саны. Онда атом ядросының және атомдағы барлық электрондардың жалпы заряды үшiн былай жазуға болады: q_ядро = + Ze, q_эл-н = – Ze. Атомдағы электрондардың жалпы зарядын, атом ядросының зарядына қоссақ нөл шығады. Бұл атомның толықтай бейтарап екендiгiн көрсетедi. Бейтарап атомдардан тұратын заттардыңмолекулалары да бейтарап болады. Кейбiр жағдайларда (мысалы, соқтығысқанда) атомдар бiрнеше электронын жоғалтуы мүмкiн. Атомдар электрондармен бiрге өздерiнiң терiс зарядының бiр бөлiгiн жоғалтып, бейтарап емес жүйеге айналады. Осының салдарынан пайда болған оң зарядталған атомды оң ион деп атайды. Керi жағдайлар да болуы мүмкiн: бейтарап атом өзiне артық электрон қосып алып, терiс зарядталады. Мұндай атомдытерiс ион деп атайды. 

Басты фактілер

• Атом ортасында оң зарядталған ядродан және оның қабықшасын құрайтын, орасан зор жылдамдықпен қозғалатын электрондардан тұрады
• Элементар электр заряды е=-1,6*10-19 Кл. Электронның массасы m =9,1 * 10-31 кг
• Ядроның құрамына оң зарядталған бөлшек протон және нейтрон деп аталатын бейтарап бөлшек кіреді
• Ядродағы нейтрондардың саны протондардың санына тең
• Ядроның заряды оң және абсолют мәні бойынша атомдағы барлық электрондардың зарядына тең
• Оң ион-кандай да бір өзара эрекеггесу нәтижесінде электрондарынан айрылған атом
• Теріс ион - қандай да бір өзара әрекеттесу нәтижесінде артық электрондарды қосып алған атом
• Атомның өлшемі өте кіші 10-10 м
• Атом ядросының өлшемі (10-14 м ), атомнан он мың есе кіші.

 

 

Атом құрылысының күрделілігі.Атом құрылысының модулі. Э.Резерфорд модулі және жетімсіздігі

 Атом құрылысының күрделі екендігі туралы ұғым атом бөлшектерінің бірі болып саналатын электрондар құбылысы ашылғаннан кейін барып қалыптасты. Бірінші рет электрондар ағынын ,катод сәулесін ашқан Крукс 1879ж байқаған.Ауасыз түтікшеде ,үлкен кернеулікте электр тогы жүре бастағаны байқалады және түтікшенің ішінде сәуле пайда болды.Бұл сәулелер катодтан шыққандықтан,оны катодты сәулелер деп атады. Магнитті немесе электр өрістері болмаған жағдайда катодты сәулелер электр не магнит өрістерінде оң зарядталған электрод жағына ығысады.сол себептен оны теріс зарядталған бөдшектердің ағыны деп айтуға болады.Дж.Томсон 1897ж зарядтың электронның массасына қатынасын өлшеді және осы қатынастың катодтың табиғатына,газдың химиялық құрамына және тәжірибенің жағдайына байланысты еместігін көрсетті.

Бір ғана елементарлы  бөлшектен тұратын қарапайым  ядро- сутек атомының ядросы болып  табылады. Сутек атомының иондануы нәтижесінде Крукс түтігінде  түзілетін бөлшекті 1920 жылы Э.Резерфорд  протон деп атады,яғни бірінші деген  мағынада. Бастапқыда басқа да элементтердің  атом ядросы протоннан,ал  атом электрон мен протоннан тұрады деп есептеді. Резерфордтың тәжірибелері атомның  құрылысы планетарлы жүйеге ұқсас екендігін  дәлелдеді: ортасында тығыз орналасқан оң зарядты ядро болады, ал ядроның  айналасында, ядроның мөлшерімен шамамен 10000 есе көп,көп женіл теріс  зарядталған бөлшектер –электрондар айналып жүреді.Кемшілігі: Классикалық  электродинамиканың заңдары бойынша,егер электронның ядроға кулондық тартылыс күші  ортадан тебісу күшіне тең  болса,онда ядроның маңындағы шеңбер бойынша электронның қозғалысы  тұрақты болады. Резерфордтың моделі сутек атомының тұрақтылығын  да немесе оның спектірінің сызықтық қасиеттерін  де түсіндіре алмайды.

1933ж Иваненко ,Гапон және олардан тәуелсіз  Гейзенберг атом я дросының  протонды-нейтронды құрылыс моделін  құрды. Осы модель бойынша барлық  элементтердің атом ядросы протон  саны периодтық жүйедегі элементтердің  рет номеріне сәйкес,ал нейтрон  саны атомның массасынан протон  санын алып тастағанға тең.

6.Сутек атомының  спектрі.Ридберг формуласы.Н.Бор  моделі және кемшілігі. Сутек   спектрі ең қарапайым.Көрінетін  денгейде Нα,Нβ,Нγ,Нσ таңбасымен  белгіленген тек 4 сызық бар.Соған  жақын жатқан ультрафиолет деңгейінде  тағы да бір-бірінне жақын жатқан  сызықтар бар.Бұл сызықтар алдында  көрсетілген 4сызықтармен бірге сызықтар құрамын құрайды ,оларды Бальмер сызықтар құрамы деп атайды.Швейцария ғалымы Больмер 1885 жылы осысерия сызықтардың толқындық санын ашты:  

Мұнда R=109678 см¹,-Ридберг түрақтылығы аталған,тұрақты  сан,N=3,4,5,6,...Сутек спектрін қарастырғанда  оны зерттеген ғалымдардың Лаймен,Пашен,Бреккет  атымен аталған басқа сериялары  да ашылды.Бұл сериялардағы сызықтардың  толқындық сандары төмендегі  келтірілген жалпы формуламен есептелінеді:

Сонымен сутек  спектріндегі көптеген сызықтар тек  бір ғана байланыстылықпен өрнектеледі,ал спектрдің негізінде тек бір  құбылыс жатқанын болжамдауға болады.Атомдардың сәуле шығаруы электрондардың қозғалысына  байланысты деген көзқарас та болуы  мүмкін.Бірақ атомдардың толқын ұзындығы белгілі сәуле шығаратындығы  жәнне  спектрдің сериялы сызық  бойынша көрінетіндігі түсініксіз болатын.Сутек спектрінің сызықтық қасиетін түсіндіретін бірінші ғалым  Нильс Бор болды.Ол 1913ж.Резерфордтын болжамын және Планктың кванттық теориясын  қолданып,сутек атомының құрылыс  теориясын ашты.Бор теориясының  негізі ретінде екі постулатты ұсынды:1постулат.Элаектрон  ядроның  айналасында белгілі  тұрақты орбита бой ынша айналып  жүреді.Бұл орбитада электрон ешқандай энергия жоғалтпайды және сіңірмейді.Бор  тұрақты орбитадағы электронның  қозғалыс м-лшерінің моменті n/2π шамасына қатынаста болатындығы туралы  болжамдады.Мына тендік:

Орындалған  жағдайда,электронның қозғалысы  тұрақты болуға тиісті,мұнда

m- электронның  массасы, 

V- жылдамдық,   

r – орбитаның  радиусы,

h – Планк  тұрақтысы,

n – 1,2,3,...бүтін  сандар.

Сутек атомы  үшін,тұрақты орбиталдардың радиустары өзара бүтін сандардың квадраттары  сияқты болады:

R1:R1:...Rn=1²:2²:3²....n²

Бордың болжамы  бойынша кез келген тұрақты орбитада айналған кезде электрон энергиясы  тұрақты.электронның энергиясы ядроға жақындаған сайын  азая береді:

Е1<E2<E3......<En

Бор теориясындағы  энергия,қозғалыс мөлшерінің моменті  сияқты,квант сандарымен анықталады.Ол мынаған тең:

2постулат.электрон  бір орбитадан екіншіорбитаға  ауысқагн кезде ғана энергия  шығарылуы немесе сіңірілуі болады,мұнда  белгілі бір жиілікпен тербелетін  квант энергиясы бөлінеді немесе  сіңіріледі:

-         атомның ядроға алыс орбитадағы  энергиясы,

-         ядроға жақын орбитадағы энергиясы

Электрон  кіші энегетикалық жағдайдан жоғары деңгейге ауысқан кездеэнергия сіңіріледі. Ал электрон жоғары деңгейден кіші энергетикалық деңгейге ауысқан  кезде энергия бөлінеді.Электонның орнына байланысты,екі жағдлайдағы  атомның энергиясын білу арқылы,ауысатын электронның тербеліс жиілігін есептеуге  болады.Егер бір заттың атомдарына сыртқы энергия көзімен әсер етсе,онда электрон квант энергиясын сіңіріп,жоғарырақ  орбитаға ауысады,демек,электрон  қозған жағдайда келеді.Егер осындай ауысу  жоғары орбитадан ядроға жақынырақ  жатқан орбита аралығында  болса,онда энергия сәулелік энергия- фотон  түріде бөлінеді:

ΔE=Eж−Eа=hν

Спектрде  ол белгілі сызықтар түрінде шығады.осы  серияның әрбір сызықтарының толқын ұзындығы мына теңдеу бойынша,өте дәл  есептелінеді:

Мұнда R- тұрақты  шама,Ридберг костантасы.

Сызықтардын жиілігіфизи калық қасиеті ләі  беклгісіз бүтін сандарға байланы  сты.Ьор бойынша,жақын және алыс орбиталдардысиппаттайтын,N- квантты  сандарға жатады.Бор осы теңдеудің  және атом  құрылысының постулаттары негізінде,сутек атомы спектріндегі барлық сериялардың толқын ұзындығын  есептейді.Жоғарыда көрсетілген теңдеулерден келесі өрнек алынады:

Сутек спектріндегі сериялардың сызықтары былай  түсіндіріледі:егер электрон кез келген алыс жатқан орбитадан ядроға жақын  бірінші орбитаға ауысса,онда спектрдің  ультрафиолет ауданындағы  жиілік  толқындары бөлінеді.көп ұзамай,бұл  серияны Лайман ашты .Ол Бор теориясының  жақсы жетістігі еді.Егер электрондар  кез келген алыс жатқан орбитадан  екінші орбитаға ауысса,онда спектрдінң көрінетін сериясы алынады.Тәжірибелер Бор теориясын жақсы дәлелдеді.Есептеу арқылы алынған Ридберг тұрақтылығы,тәжірибе жүзінде алынған шамамен тура келді:

Бұл атомдарда  тұрақты орбиталар болатындығын және Бор теңдеулерінің дұрыстығын дәлелдейтін үлкен жетістік еді.Бірақ  Бор теориясының жетістігі тек  сутек атомымен ғана шектелді.Гелий  атомы үшін бул теория жарамады,ал күрделі атомдар үшін Бор теңдеулері бойынша есептеулерді мүлдем жүргізуге  болмады.Көп электронды атомдардың спектріндегі сызықтар одан сайын күрделі  бола бастады.спектрдің мультиплеттігі магтитті және элекр өрісінде күшейе түсті.7.Атомдардың электрондық құрылысы.Клечковский  ережесі. Паули принципі.Хунд ережесі.Элементтердің  және оның қосылыстарының химиялық қасиеттері электрондық құрылысына байланысты. Атомдағы электрондардың энергетикалық  орбитальдар бойынша орналасуы  былай жүреді:1 энергия минимумы принципы;2Паули принципі 3 Гунд және Клечковский ережелеріне сай.

Паули принципі.Көпэлектронды  атомдарда электронның жағдайы  Паули ашқан квантты –механикалық заңмен өрнектеледі.Бұл заң бойынша, төрт квант сандарымен суреттелетін бір кванттық жағдайда тек бір  ғана электрон болады. S-орбитальда спиндері антипараллель тек екі электрон ғана орналасады.Салдары: 1. Деңгейдегі электрондардың максимал саны негізгі  кванттық санның екі еселенген квадратына тең 2. Деңгейшедегі электрондардың саны 2(2l+1) ге тең.

Гунд ережесі. Бір деңгейшелер аралығында сәйкес орбитальдарды электрондармен толтырған  кезде,электрондар спиндерінің қосындысы  максимал болуы керек.Барлық орбиталдарда бір электроннан орналасқаннан  кейін ,келесі электрондар жұптасып орналасады.

Клечковский ережесі.Орыс ғалымы Клечковский өте  қарапайым және нақты ереже ұсынды:элементтердегі атомдар электрондарының толтырылуы,квант  сандары n+1 қосындысының өсуі тәртібі  бойынша жүреді;егер екі деңгейдің  қосындысы тең болса,онда бірінші n шамасы кіші деңгей толтырылады.

 

 

 

 

Изотоптар

Радиоактивтiк  құбылысты зерттеу атом ядроларының  табиғатына қатысты маңызды жаңалықтардың  ашылуына себепшi болды.

Көптеген  радиоактивтiк түрленулердi бақылау  нәтижесінде радиоактивтiк касиеттерi мүлдем әр түрлi (яғни түрлiше тәсiлдермен  ыдырайтын), бiрақ өздерiнiң химиялық қасиеттерi жөнiнен барабар заттар бар екенi анықталды. Белгiлi химиялық тәсiлдердiң бәрiмен де оларды ажырату  ешбiр мүмкiн болмады. Осының негiзiнде 1911 ж. Содди хямиялық қасиеттері бiрдей, басқа жағынан, мәселен өзiнiң  радиоактивтiгiмен ұксамайтын элементтер бар екенi жөнiнде болжам айтты. Мұндай элементтердi Менделеевтiң периодты жүйесiнiң бiр тор көзiне орналастыру  керек. Сондықтан Содди оларды изотоптар (яғни периодтық жүйеде бiрдей орын алатындар) деп атады.

Бiр жылдан соң Дж.Дж. Томсон электр және магнит өрiсiндегi ауытқу тәсiлiмен неон индарының  массасына дәл өлшеулер жүргiзген кезде Соддидiң болжамы ойдағыдай  дәлелденiп, оған терең түсiнiктеме  берiлдi. Томсон неон атомдардың екi түрiнiң  қоспасы екенiн байқады. Олардың  басым копшiлiгiнiң салыстырмалы атомдық  массасы 20-ға тең. Бiрақ салыстырмалы атомдық массасы 22-ге тең аздаған  атомдар қоспасы да бар. Осының нәтижесiнде  қоспаның салыстырмалы атомдық массасы, 20,2-ге тең. Бiрдей химиялық қасиеттерi бар  атомдардың массаларында айырмашылық  байқалады. Неонның екi түрiнiң де Менделеев кестесiнде бiрдей орын алатындығы анық, ендеше, олар изотоптар  больтп табылады. Сонымен, изотоптардың тек өздерiнiң радиоактивтiк касиеперi жағынан ғана емес, массасы жағынан  да айырмашылығы болады екен. Сонымен  бiрге соңғы жағдай басымырақ  рөл атқарады. Изотоптарда атом ядроларының  зарядтары бiрдей болады. Сондықтан  атом кабықшаларындағы электрондар  саны, демек, изотоптардың химиялық касиеттерi бiрдей. Бiрақ ядроның массалары  әр түрлi. Сонымен қатар, ядролар  радиоактивтi де, тұрақты да бола алады. Радиоактивтi изотоптар касиеттерiнiң  түрлiше болуы олардың ядроларының  массалары әр түрлi болуына байлансты.