Атомни системи. Основни положения в класическата атомна теория
Изтегляне 3.41 Mb.
|
Епикур Вижда се че тези идеи са умозрителни без да съществуват някакви експериментални доказателства. Най-изтъкнатия философ на древността Аристотел създава своебразно натурфилософско разбиране на вселената. Според него съществува някаква първична материя (субстрат), от която произлизат свойства, които са дихотомии (т.е. двойки, които си противоречат). Те са топло-студено, и сухо-влажно. От тях чрез комбиниране се получават четири основни стихии или елементи: огън, от топло и сухо, въздух, от топло и влажно, вода, от студено и влажно и земя, от студено и сухо. Според Аристотел всички по-сложни тела са образувани от тези 4 стихии, като разнообразите се получава при смесването и взаимното проникване на тези елементи в различни количества. Вижда се, че тази теория изключва наличието на неделими частици, като основа на строежа на космоса, така, че Аристотел е бил противник на теорията на атомистите. Авторитетът на Аристотел е бил толкова голяма, че неговата теория се е приемала, като вярна близо две хилядолетия. Тази теория се е приемала и в древния Рим и за атоми се споменава както в поемата на Овидий (Publius Ovidius Naso, 20 март 43г. пр.Хр. – 17 или 18г. сл.Хр.) „Метаморфози”, както във философската поема посветена на Епикур на римския поет и философ Лукреций (Titus Lucretius Carus, около 99г. пр. Хр.- около 55 г. пр. Хр.) „За природата на нещата” (De rerum natura,). Видния римски натурфилософ и лекар, от гръцки произход, Гален (гр. Γαληνός, лат.Claudius Galenus, 129г.- 199/217г.) влязъл в остър диспут с атомистите. Неговото основно възражение против атомизма е било, че цялото е по-голямо от частите. Натурфилософията първо на Платон, налагана на християнството от свети Августин, а след това на Аристотел, налагана от Алберт Велики (Albertus Magnus, 1193/1206 – 15 ноември 1280) и от неговият ученик Тома от Аквино се приема, като основа на християнската философия. Приемайки като единствена правилна представата за строежа на Вселената на Аристотел, християнската църква (особено католическата) практически не приема атомизма, като материалистическо учение. Едва през 17-ти век с нахлуването на новите идеи на Гасенди (Pierre Gassendi, 22 януари, 1592 –24 октомври 1655) и Декарт (René Descartes, 31 март 1596 – 11 февруари 1650) се прави опит да се възрода идеята за атомния строеж на света. Исак Нютон (Isaac Newton, 1642-1727) също е вярвал в корпусколярния (частичковия или още дискретния) строеж на материята, което е било критикувано от религиозните философи, като Джордж Бъркли (George Berkeley, 12 март 1685 – 14 януари 1753) и др. До тук изброените натурфилософи са имали умозрителни представи за устройството на природата (вселената или още космоса), т.е., те не са се основавали на експерименти, с изключение, може би, на Нютон, който действително е провеждал експерименти за изясняване на природата на светлината, описана в неговата Оптика. Тук трябва да се отбележи, че разбирането за наука в тези времена се е различавало от нашето сега. По това време религията е била всеобща идеология, съмнението, че Бог е създател на света не се е оспорвало, и даже и за най-прогресивните учени основата задача е била да „разкрият божият план при създаването на света”. От друга страна, много малко от техните умозаключения са се основавали на опита. Трябва да отбележим, че експериментите , отнасщи се до строежа на природата са били невъзможни при развитието на тогавашната техника. Що се отнася до механиката и астрономията още древните учени, вавилонци, асирийци, египтяни или гърците Архимед (Ἀρχιμήδης; 287 пр. Хр. – 212 пр. Хр.) в механиката и хидростатиката или Птоломей (Claudius Ptolemaeus, 87 -150) в астрономията, както и в каря на средните векове с изследванията на немския учен Йохан Кеплер (Johannes Kepler, 25 декември 1571-15 ноември 1630) , и италианеца Галелео Галилей (Galileo Galilei 15 февруари 1564 — 8 януари 1642)- последният считан за първият експериментатор, в астрономията са основавали своите разсъждения на наблюдения, но както ще видим по-нататък, много по-сложния въпрос за разбирането на интимния строеж на веществото и от там на Вселената е изисквало едно по-широко развитие на научното мислене, с натрупване на технически възможности, екпериментални резултати и факти. В края ма 18 век развитието на научното мислене достига една такава степен, при която се формират предпоставки не само да се възкреси идеята за корпоскулярния строеж на в еществото, но тази идея да се постави на нова експериментална основа. Започвайки от Галило Гали лей се поставят основите на експерименталната наука. Редица учени, като Бойл, Мариот и др. извеждат нови зависимости на основата на експериментални данни. Така през 1661г. Робърт Бойл публикува книгата си „Скептичния химик”, в която твърди, че материята е съставена от различни частици (корпускули) или атоми, вместо от класическите представи, че се състои от елементите въздух, земя, огън и вода. Като баща на модерната химия се счита Лавоазие (Antoine-Laurent de Lavoisier, 26 август 1743 – 8 май 1794). Покрай своите изследвания на газовете кислород и водород, той опровергава теорията за флогистона, формулира през 1784г. закона за съхранение на масите, а през 1789г. определя понятието елемент, като основно вещество в химията, което не може по-нататък да бъде разделено с методите на химията. С това той слага край на опитите на алхимиците да превръщат елементите по химичен път, за да получат злато. Впрочем идеята за съхранение на веществото е била изказвана още от Епикур, по-късно от персийския философ Нашир а Туши (Napsīr al-Dīn al-Tūsī , 1201–1274). Руският учен Михаил Ломоносов (1711–1765), обаче,още през 1748г. провежда подобни експерименти и доказва този закон. Редица учени, като Джуозев Блек (Joseph Black, 1728–1799), Хенри Кавендиш (Henry Cavendish, 1731–1810), и Джийн Рей (Jean Rey, 1583–1645) са споделяли тези идеи. Все пак постиженията и авторитетът на Лавоазие дават най-силен тласък в развитието на химията, като модерна наука и го нареждат, като баща и на стехиометрията. Следващото откритие, което може да се свържи с възникването модерната атомистична теория е законът за определените пропорции или законът за елементите на Жозеф Пруст (Joseph Louis Proust, 26 септември 1754 –5 юли 1826г.). Така кислородът дава 8/9 от масата на дадена проба на чиста вода, докато водородът винаги дава, останалата 1/9 част от масата на водата. Третият закон на стехиометрията, който е изказан от Джон Далтон (John Dalton, 6 септември 1766 – 27 ю юли 1844г.) през 1803г. е законът на множествените пропорции (въпреки, че законът на Далтон, често се нарича законът за парциалните налягания). Именно неговите изследвания върху газовете и техните свойства го довеждат до идеята, че те са съставени от частици. След теорията на парциалните налягания Далтон публикува първата таблица на относителните атомни тегла, в която са дадени 6 елемента: водород, кислород, азот, въглерод, сяра и фосфор, като за основа приема атомът на водородът, имащ условно тегло 1 (сега се приема теглото на въглерода за основа, така, че водородния атом има 1/12 тегло от това на водорода). Ние виждаме,че Далтон идва до идеята за корпускулярния (атомен) строеж на веществата не по умозрителен път, а изхождайки от достиженията на експерименталната химия по негово време и най-вече от неговите собствени изследвания. Разбира около избистрянето на тази теория са работили редица учени – още Берцелиус (Jons Jacob Bercelius, 1779-1848 г.) издига електрохимичната теория за положителните и отрицателни товари в редица органични съединения. Последователи на тези теории са още Жозеф Люсак (Joseph Louis Lussac, 1778-1850 г.) , Жюстиус Либих (Justius von Libbig , 1803-1873 г.), Луи Воклен (Louis Nicolaus Vouguelin ), Луи Тенард (Louis Jacques Thenard). Въобще, 19-ти век се оказва векът, в който се формират основите на модерната химия. Пак през средата на 19 в. Дама и Лозан (Dumas, и Laurent) от 1834год. до 1845год. са разработили също известната субституционна теория с последователи Уйлямсън (Williiamson ,1850 г), Шарл Жерард (Charles Gerhardt, 1816-1856 г. ), Огюст Лоран (Auguste Laurent, 1807- 1853г.), Вюртц(Wurtz) и много други. През 1869г. Дмитрий Менделеев (Дмитрий Иванович Менделеев, 8 февруари 1834 – 2 февруари 1907) публикува първата функционална периодична таблица, която визуално подрежда химичните елементи, според техните свойства. През 1952г. Франкланд (Sir Edward Frankland, 18 Януари 1825 – 9 август 1899) въвежда понятието валентност. Идеята е, че всеки атом има фиксиран брой от връзки с други атоми, които може той да формира и за да бъде стабилен, всички те трябва да бъдат наситени. Така се формира и понятието за молекула. Това понятие идва от латинското moles, което може да се преведе, като малко количество маса. Използването му в науката, като че ли започва от философията на Декарт, като тогава има много неясно значение на малка маса. Законите на Далтон за множествените пропорции, както и принципът на Авогадро (Amedeo Avogadro, 1776-1856), който гласи, че "Еднакви обеми от идеални газове, при една и съща температура и налягане , съдържат едно и също количество на частици (молекули).”, въвеждат по-строго това понятие (1811г.). В краят на 19 век физиците като Мах, Освалд и др., от позитивистко-философски позиции се възпротивяват на използването на това понятие, като считат атомите и молекулите ненаблюдаеми, но теорията на Айнщай (1905г.), както и експериментите на Пирен (Jean Baptiste Perrin, 30 September 1870 – 17 April 1942) върху Брауновото движение (открито през 1827г.от ботаника Робърт Браун, използвайки микроскоп) слагат край на този спор, като доказват, че атомите и молекулите реално съществуват. Възникване на представите за сложния строеж на атома. Модел на Томсън. Планетарен модел на Ръдърфорд - рационалност и недостатъци в модела на Ръдърфорд. 2.1.Възникване на представите за сложния строеж на атома. Беше казано в предната глава, че древните гръцки мислители-материалисти, са считали атомите за неделими – от там идва и наименованието им. Редица експерименти, обаче започват да показват, че атомите би трябвало да имат по-сложна структура. През 1869г. Йохан Хиторф (Johann Hittorf ) открива лъчи, които биват наименовани от Ойген Голдщайн (Eugen Goldstein) – катодни (kathodenstrahlen на немски или cathode rays на английски). На Фигура 2.1. е показана схемата, на устройството за получаване на катодни лъчи, което съкратено се нарича катодна тръба (Catode Ray Tube-CRT, по-старите телевизори използват такава тръба, наречена Круксова тръба на името на William Crookes) която се състои от катод С, анод Р, покрит с фосфор и маска М, която хвърля сянка върху анод, който е покрит с фосфорисциращо в ещество (обикновено ZnS). След откриването не катодните лъчи започват дебати какви е тяхната природа. Развиват се различни теории. Крукс и Шустер (Artur Shuster) са вярвали, че това са заредени атоми, а Видерман (Eilhard Wiedemann), Херц (Heinrich Hertz ) и Голдщайн са твърдели, че това са електромагнитни лъчи, разпространяващи се в етера. Този спор е бил разрешен, когато Томсон (Sir Joseph John “J. J.” Thomson, OM*, FRS*, 18 дек. 1856 – 30 авг. 1940)през 1897г.е измерил масата на частиците на катодните лъчи и е установил, че те са 1800 пъти по-леки от водорода. Първоначално тези частици били наречени корпускули, но по-късно им е дадено името електрони (електрон идва от гръцкото ήλεκτρον, което означава кехлибар естествена смола, която при натриване дава електрически искри). Интересното е, че наименованието електрон е дадено преди откриването на тези частици от английския физик Стоуни (George Jonson Stoney) през 1894г. за дадена електроотрицателна частица. Томсън доказва също, че тези частици са идентични (имат същата маса и заряд) като частиците изпускани от фотоелектричните материали (за пръв път фотоелектричния ефект е наблюдаван от Херц през 1887г., затова се той се нарича ефект на Херц, и радиоактивните материали открити съответно от Бекерел (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908). 2.2.Модел на Томсън. По нататък, физиците разбират, че електроните са частици, които се отделят от атомите, следователно атомите не са неделими. Така Томсън предлага първият модел на атомът, който според него е положително натоварена сфера, в която, образно казано, електроните са разположени, като „сливите в плодов пудинг (кекс)”. Този образен модел, обаче дава невярна представа за идеите на Томсън. Според него електроните са били свободни и се въртели в един облак от положително вещество, затворено в сферата на атома. Фактически още тук се заражда идеята за орбиталното движение на електроните, което както ще видим по-нататък широко се използва в теориите на Ръдърфорд и Бор. С помощта на тези идеи за орбитално движение на електроните Томсън се е опитал да обясни атомните спектри, които физиците-експерименталисти са наблюдавали, обаче тези обяснения не са били успешни. Този модел обяснявал електрическата неутралност и стабилност на атома, но той изисквал по-нататъшна експериментална проверка. Така, ако електроните са се издърпвали в една посока, на тях е противодействал по-голям положителен заряд и стабилността се е възстановявала, като те се разполагали според Гаусовото разпределение. През 1902г. Люис предлага един друг модел, така нареченият кубичен модел. Този модел е илюстриран на Фигура ХХ. Така, електроните са разположени по върховете на един куб. Така, пълното попълване на върховете на куба води до октет. 2.3.Планетарен модел на Ръдърфорд За да провери теорията на Томсън новозеландския физик Ърнст Ръдърфорд (Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson, 30 авг. 1871 – 19 окт. 1937) провежда прочутия си експеримент с златно фолио. В случая се използва един лъч от алфа-частици, които се получават при разпада на радий върху златно фолио. Това фолио е поставено върху кръгла подложка от ZnS , която се използва, като детектор. В действителност Ръдърфорд ръководи редица експерименти на Гайгер и Марсден (Hans Geiger, Ernest Marsden) с алфа-частици преминаващи през различни метални фолия през годините 1909-1914 . Те са наблюдавали, че една голяма част от положително натоварените алфа-частици не се отблъсквали обратно, както би се очаквало от атомния модел предложен от Томсън. Първоначално те са мислели, че този отрицателен резултат се дължи на несъвършенства на апаратурата. Ръдърфорд предлага те да опитат с златно фолио, като детекторът се постави не зад фолиото, а на същата страна на източника на алфа-частици. Резултатът е бил изумителен. Оказало се, че огромната част от частиците се отблъскват обратно. През 1911г. това навежда Ръдърфорд на мисълта, че атомът се състои от изключително малко по обем положително натоварено ядро и електрони обикалящи около него. На фигура е показано, какво се очаква при атомния модел на Томсън (в червено) и какво ако се приеме моделът на Ръдърфорд, който се базира на експеримента с златното фолио (в жълто). Н а основата на експеримента на Гайгер-Марсдайм от 1909г, Ръдърфорд предлага един нов модел на атома, в центъра на сферата се намира малък по обем, положителен заряд, около, който се движат електроните. Той споменава моделът на японския физик Нагайка Хантаро(長岡 半太郎,, 15 август 1865 –11 декември 1950), който наподобява планетата Сатурн с нейните пръстени. Експериментите на групата на Ръдърфорд показват, че атомът е практически прозрачен. Ако сравним ядрото с една прашинка, на пода на една катедрала, то катедралата ще е целият атом. Това означава, че телата, които ние считаме твърди, са до голяма степен прозрачни. Планетарният модел доста добре обяснява защо атомът е прозрачен, той обаче не може да обясни някои други негови свойства. 2.4.Недостатъци в модела на Ръдърфорд Така според тогавашната физика (която сега наричаме класическа) движението на електрона по орбита се счита за не праволинейно и електрона трябва да излъчва енергия при това свое движение. Излъчвайки енергия той ще бъде привличан от ядрото и в определен момент би трябвало да падне на него. Нещо повече, излъчваната енергия ще е непрекъсната, докато експериментите показват, че излъчванията Така немският физик Балмер намира следният израз за тези ивични спектри, където RH се нарича Ридбергова константа, а n1 и n2 са цели числа. На фигура ХХа, а са представени реалните спектри, а на Фигура ХХб техните графики. Виждат се различните серии от ивици, които носят имената на техните откриватели: Лайман, Балмер, Пашен, Бракет и Пфунд. Така, че планетарният модел не може да обясни: Изтегляне 3.41 Mb. Сподели с приятели:
| |||||||||||||||||||||||||