Строение атома, силовые поля и элементарные частицы вещества

В период открытия первых трех фундаментальных частиц (электрона, протона и нейтрона) был выдвинут целый ряд моделей строения атома (рис.). Томсонова модель «сливового пудинга» уподобляла атом сферическому «пудингу» с положительным электрическим зарядом, в который вкраплены отрицательно заряженные шарики-электроны. После эксперимента Гейгера и Марсдена в 1910 г. Резерфорд предложил другую модель, согласно которой атом состоит из очень плотного тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного облаком легких отрицательно заряженных электронов. Позже, в 1913 г., Н. Бор создал планетарную модель атома, которая используется еще и в настоящее время. Подобно Резерфорду, Бор представлял себе атом в виде положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Однако он предположил,
что электроны движутся вокруг ядра по устойчивым круговым орбитам. Этим орбитам соответствуют различные энергии. Перескакивая с одной орбиты на другую, электроны могут приобретать либо терять энергию.

Рис. Первые модели строения атома, а-модель «сливового пудинга» (Томсон, 1904 г.), согласно которой атом представляет собой положительно заряженную сферу с внедренными в нее электронами; б-ядерная модель атома (Резерфорд, 1911 г.), согласно которой положительно заряженное ядро окружено облаком электронов; в-планетарная модель атома (Бор, 1913 г.), согласно которой электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам.

Кванты. В 1900 г. Макс Планк предположил, что поглощение либо испускание энергии может осуществляться только строго определенными-дискретными-порциями, названными им квантами. Величина этих порций энергии Е предполагалась связанной с частотой v излучения, переносящего энергию, коэффициентом пропорциональности h, получившим название постоянной Планка: Е=hv

Следовательно, чем больше энергия кванта, тем выше частота излучения.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн постулировал, что любое излучение состоит из дискретных частиц-квантов излучения, называемых фотонами. Он использовал это представление, чтобы объяснить, почему поверхность металлов, облучаемая светом, при определенных условиях испускает электроны (явление получило название фотоэлектрический эффект).

В результате возникло представление о двойственной природе (корпускулярно-волновом дуализме) света. Свет может проявлять свои волновые свойства, о чем свидетельствуют, например, его интерференция и дифракция, но может обладать и свойствами пучка частиц (корпускул), как это проявляется в фотоэлектрическом эффекте.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил это представление о корпускулярно-волновом дуализме на электроны. Впоследствии было экспериментально установлено, что пучок электронов может создавать интерференционную либо дифракционную картину подобно пучку света. Это открытие привело к созданию квантовой механики. Квантовая механика основывалась на атомной модели Бора, а также на принципе запрета Паули (Вольфганг Паули, 1925 г.). Этот принцип точно предопределял расположение электронов на дискретных энергетических уровнях вокруг ядра.

В 1926 г. Эрвин Шредингер предложил для описания движения субатомных частиц свое знаменитое волновое уравнение. Вскоре после этого в 1927 г. был сформулирован принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, положение и скорость субатомной частицы не поддаются одновременному определению с абсолютной точностью. В каждый момент времени точно можно определить лишь одно из этих двух свойств.

В 1925 г. Вернер Гейзенберг использовал в своей теоретической работе по квантовой механике матричный математический метод. Кульминацией развития квантовой механики явилась работа Поля Дирака. Дирак развил матричную формулировку квантовой механики, и это позволило ему теоретически объяснить корпускулярно-волновой дуализм. Он показал, что в некоторых ситуациях интенсивность волны в какой-либо точке пространства эквивалентна плотности частиц в ней. В других ситуациях плотность частиц настолько низка, что можно вообще пренебречь их волновой природой. Такой подход позволил Дираку предсказать существование спина электрона, а также античастиц, таких, как позитрон. Работа Дирака ознаменовала новую эру в теории строения атома.

Новые элементарные частицы

В последние десятилетия термин «элементарная частица» обычно используется применительно к неделимым фрагментам атома. До работы Дирака считалось, что существуют только три элементарные частицы-электрон, протон и нейтрон. Вскоре после того, как Дирак предсказал существование античастиц, другие физики выдвинули предположение о существовании новых элементарных частиц. Наиболее известен из них Хидэки Юкава, который в 1935 г. предположил существование мезона. Эта элементарная частица необходима для удержания вместе протонов и нейтронов в атомном ядре. В 1938 г. он предсказал также существование так называемых «промежуточных векторных бозонов». С этих пор было предсказано несколько сотен элементарных частиц. Некоторые из них были обнаружены при бомбардировке вещества частицами, обладающими огромными скоростями. Для этой цели используются ускорители частиц с высокой энергией.

Античастицы обладают такой же массой, как и соответствующие обычные частицы (если у них есть масса), но электрическим зарядом противоположного знака. Например, позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет положительный заряд. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд.

В настоящее время истинно фундаментальными, или элементарными, частицами считаются кварки и лептоны. Слово «кварк» обязано своим происхождением рассказу Джеймса Джойса «Поминки Финнегана», где посетитель кабачка произносит фразу: «Три кварка для мистера Марка!», подразумевая под «тремя кварками» три капли. Кварки были предсказаны Мюреем Гелл-Маном и независимо Джорджем Цвейгом в 1964 г. В настоящее время предполагается существование по меньшей мере 18 типов кварков. Они включают b-кварк и b-антикварк, «очарованный» кварк и кварк, обладающий «ароматом» (особым квантовым числом), который называется «красотой». «Красивый» ароматный мезон состоит из двух кварков, один из которых обладает свойством «красоты». Некоторые кварки обладают «явной красотой», а другие-«скрытой красотой»! «Ароматы» кварков определяют их квантовые свойства.

Фундаментальными частицами кроме кварков считаются еще шесть лептонов и десяток других частиц, которые являются переносчиками различных взаимодействий. Лептоны относятся к тому же классу неделимых частиц, к которому принадлежит электрон. До последнего времени не существовало прямых экспериментальных доказательств существования фундаментальности таких частиц, как кварки и лептоны. Их существование было предсказано на основании гипотетических моделей атома, предложенных физиками-теоретиками.

Считается, что протон состоит из набора трех кварков, а нейтрон-из другого набора трех кварков. Эти кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием, которое носит название «цветового взаимодействия» (хотя такая характеристика не имеет ничего общего с обычным понятием о цвете). «Цветовое взаимодействие» обусловлено глюонами. Различные типы глюонов имеют различные «цвета». Когда кварки связываются друг с другом, образуя протон либо нейтрон, между кварками происходит обмен глюонами. Теория «цветового взаимодействия» называется квантовой хромодинамикой (КХД). Квантовая хромодинамика во многих отношениях сопоставима с фундаментальной теорией электромагнитных взаимодействий, начало которой положили работы Дирака в конце 20-х годов XX в. и которая развивалась последующие 20 лет. В этой теории силы взаимодействия между двумя электрически заряженными частицами объясняются обменом фотонами. Она называется квантовой электродинамикой (КЭД).

Однако обнаружение так называемых W- и Z-частиц женевскими учеными в 1983 г. поставило под сомнение обе теории. В действительности открытие W- и Z-частиц послужило подтверждением единой модели слабых электромагнитных взаимодействий Вайнберга Салама, которая является развитием квантовой электродинамики (КЭД), за что эти ученые вскоре получили Нобелевскую премию. На рис. в схематическом виде изображено современное состояние знаний, касающихся строения атома.

Изучение элементарных частиц до последнего времени почти полностью было областью интересов физиков-теоретиков и специалистов в области высоких энергий. Однако в последние годы химики стали изучать эффекты, к которым приводит бомбардировка молекул мюонами и другими элементарными частицами. И все же большинство современных химиков по-прежнему твердо полагаются только на три фундаментальные частицы-электрон, протон и нейтрон, которые позволяют им объяснять природу химических реакций и свойств химических систем.

Рис. Общие сведения о современном состоянии знаний, касающихся строения атома, силовых полей и элементарных частиц вещества, а-строение атома; б-четыре типа сил взаимодействий; в-частицы и переносчики взаимодействий.

МАССА АТОМА

Массовое число. Массовое число-это суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома. Оно обозначается символом А.

Говоря о конкретном атомном ядре, обычно употребляют термин нуклид, а ядерные частицы протоны и нейтроны-в совокупности называют нуклонами.

Атомный номер. Атомный номер элемента совпадает с числом протонов в ядре его атома. Он обозначается символом Z. Атомный номер связан с массовым числом следующим соотношением:

A = Z+N

где N-число нейтронов в ядре атома.

Первое экспериментальное обоснование атомных номеров элементов получил в 1913 г. Генри Мозли, работавший в Оксфорде. [Классификация химических элементов в последовательности возрастания их атомного веса (массы) и вытекающее из составления такой последовательности интуитивное представление о нумерации в ней элементов появились в науке еще с момента публикации в 1869 г. периодической системы элементов Д. И. Менделеева.] Он бомбардировал твердые металлические мишени катодными лучами. (В 1909 г. Баркла и Кайи уже показали, что любой твердый элемент при бомбардировке быстрым пучком катодных лучей испускает рентгеновские лучи, характеристические для данного элемента.) Мозли анализировал характеристическое рентгеновское излучение, пользуясь фотографической методикой регистрации. Он обнаружил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения увеличивается с возрастанием атомного веса (массы) металла и показал, что квадратный корень из частоты этого рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому целому числу, которое он обозначил символом Z.

Мозли установил, что это число приблизительно совпадает с половиной значения атомной массы. Он пришел к выводу, что это число-атомный номер элемента-является фундаментальным свойством его атомов. Оно оказалось равно числу протонов в атоме данного элемента. Таким образом, Мозли связал частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего элемента (закон Мозли). Этот закон имел большое значение для утверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элементов.

Исследование Мозли позволило ему предсказать существование трех недостававших к тому времени в периодической таблице элементов с атомными номерами 43, 61 и 75. Эти элементы были обнаружены позже и получили названия технеций, прометий и рений соответственно.
Мозли погиб в боях первой мировой войны.

Каждый химический элемент характеризуется определенным атомным номером. Другими словами, никакие два элемента не могут иметь одинаковый атомный номер. Атомный номер равен не только числу протонов в ядре атомов данного элемента, но также равен числу электронов, окружающих ядро атома. Это объясняется тем, что атом в целом представляет собой электрически нейтральную частицу. Таким образом, число протонов в ядре атома равно числу электронов, окружающих ядро. Это утверждение не относится к ионам, которые, разумеется, представляют собой заряженные частицы.

Символы нуклидов. Массовое число нуклида принято указывать в виде верхнего индекса, а атомный номер-в виде нижнего индекса слева от символа элемента. Например, запись liC означает, что этот нуклид углерода (как и все другие нуклиды углерода) имеет атомный номер 6. Данный конкретный нуклид имеет массовое число 12. Другому нуклиду углерода отвечает символ ¹⁴_бС. Поскольку все нуклиды углерода имеют атомный номер 6, указанный нуклид часто записывают просто как ¹⁴С или углерод-14.

Изотопы. Изотопами называются различные по свойствам атомные разновидности одного элемента. Они различаются числом нейтронов в их ядре. Таким образом, изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. В табл. 1.1 приведены значения массового числа А, атомного номера Z и числа нейтронов N в ядре атомов каждого из трех изотопов углерода.

Изотопное содержание элементов. В большинстве случаев каждый элемент представляет собой смесь различных изотопов. Содержание каждого изотопа в такой смеси называется изотопным содержанием. Например, кремний обнаруживается в соединениях, которые встречаются в природе, с таким естественным изотопным содержанием: 92,28% ²⁸Si, 4,67% ²⁹Si и 3,05% ³⁰Si. Обратите внимание, что суммарное изотопное содержание элемента должно составлять в точности 100%. Относительное изотопное содержание каждого из указанных изотопов составляет соответственно 0,9228, 0,0467 и 0,0305. Сумма этих чисел составляет в точности 1,0000.

Атомная единица массы (а.е.м.). В настоящее время в качестве стандарта для определения атомной единицы массы принимается масса нуклида ¹²₆С. Этому нуклиду приписывается масса 12,0000 а.е.м. Таким образом, атомная единица массы равна одной двенадцатой части массы этого нуклида. Истинное значение атомной единицы массы составляет 1,661•10^-27 кг. Три фундаментальные частицы, являющиеся составными частями атома, имеют следующие массы:

масса протона = 1,007277 а.е.м.

масса нейтрона = 1,008 665 а.е.м.

масса электрона = 0,000 548 6 а. е. м.

Пользуясь этими значениями, можно вычислить изотопную массу каждого конкретного нуклида. Например, изотопная масса нуклида ³⁵₁₇Сl представляет собой сумму масс 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов:

17(1,007277 а.е.м) + 18(1,008 665 а.е.м.) + 17 (0,000 548 6 а. е. м.) = 35,289 005 а. е. м.

Однако точные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изотопная масса ³⁵₁₇Сl имеет значение 34,968 85 а. е. м. Расхождение между вычисленным и экспериментально найденным значениями составляет 0,32016 а.е.м. Оно называется дефектом массы.

В шкале относительных атомных масс изотопные массы представляют как результат их деления на одну двенадцатую часть массы нуклида ¹²₆Сl. Таким образом, относительная изотопная масса изотопа ³⁵₁₇Сl равна
34,968 85 а. е. м./[(1/12)•12,0000 а. е. м.]=34,96885

Обратите внимание, что относительные изотопные массы выражаются в безразмерных единицах.

Относительная атомная масса А_r химического элемента представляет собой арифметическое среднее из относительных изотопных масс с учетом изотопного содержания. Она вычисляется суммированием произведений относительной изотопной массы каждого изотопа и его относительного содержания.

Пример

Вычислим относительную атомную массу хлора по следующим данным:

Решение

A_r = (34,97-0,7553) + (36,95 • 0,2447) = 35,45