Устройство атома: Строение атома — Викиверситет

Строение атома — Викиверситет

Строение атома

Атом (от греческого atomos — неделимый)  — одноядерная, неделимая химическим путем частица химического элемента, носитель свойств вещества. Вещества состоят из атомов. Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью определяется размером его электронного облака, поскольку размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером электронного облака. Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов (заряд протона соответствует +1 в условных единицах) и N нейтронов, которые не несут на себе заряда (количество нейтронов может быть равно или чуть больше или меньше, чем протонов). Протоны и нейтроны называют нуклонами, то есть частицами ядра. Таким образом, заряд ядра определятся только количеством протонов и равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами (заряд электрона -1 в условных единицах), которые формируют электронное облако. Количество электронов равно количеству протонов. Массы протонов и нейтронов равны (соответственно 1 и 1 а.е.м.). Масса атома в основном определяется массой его ядра, поскольку масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона и нейтрона и в расчётах редко учитывается. Точное количество нейтронов можно узнать по разности между массой атома и количеством протонов (N=A—Z).
Вид атомов какого-либо химического элемента с ядром, состоящим из строго определённого числа протонов (Z) и нейтронов (N), называется нуклидом (это могут быть как разные элементы с одинаковым общим количеством нуклонов (изобары) или нейтронов (изотоны), так и один химический элемент — одно количество протонов, но разное количество нейтронов (изомеры)).

Поскольку в ядре атома сосредоточена практически вся масса, но его размеры ничтожно малы по сравнению с общим объёмом атома, то ядро условно принимается материальной точкой, покоящейся в центре атома, а сам атом рассматривается как система электронов. При химической реакции ядро атома не затрагивается (кроме ядерных реакций), как и внутренние электронные уровни, а участвуют только электроны внешней электронной оболочки. По этой причине необходимо знать свойства электрона и правила формирования электронных оболочек атомов.

Свойства электрона

Перед изучением свойств электрона и правил формирования электронных уровней необходимо затронуть историю формирования представлений о строении атома. Мы не будем рассматривать полную историю становления атомарного строения, а остановимся лишь на самых актуальных и наиболее «верных» представлениях, способных наиболее наглядно показать как располагаются электроны в атоме. Первыми наличие атомов как элементарных составляющих вещества предположили еще древнегреческие философы (если какое-либо тело начать делить пополам, половинку ещё пополам и так далее, то этот процесс не сможет происходить до бесконечности; мы остановимся на частичке, которую уже не сможем поделить, — это и будет атом). После чего история строения атома прошла сложный путь и разные представления, такие как неделимость атома, Томсоновская модель атома и другие. Наиболее близкой оказалась модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Он сравнил атом с солнечной системой, где в роли солнца выступало ядро атома, а электроны двигались вокруг него подобно планетам. Размещение электронов на стационарных орбитах было очень важным шагом в понимании строения атома. Однако такая планетарная модель строения атома шла в противоречие с классической механикой. Дело в том, что при движении электрона по орбите он должен был терять потенциальную энергию и в конце концов «упасть» на ядро, и атом должен был прекратить свое существование. Такой парадокс был устранен введением постулатов Нильсом Бором. Согласно этим постулатам, электрон двигался по стационарным орбитам вокруг ядра и при нормальных условиях не поглощал и не испускал энергию. Постулаты показывают, что для описания атома законы классической механики не подходят. Такая модель атома называется моделью Бора-Резерфорда. Продолжением планетарного строения атома является квантово-механическая модель атома, согласно которой мы и будем рассматривать электрон.

Электрон является квазичастицей, проявляя корпускулярно-волновой дуализм: он одновременно является и частицей (корпускула), и волной. К свойствам частицы можно отнести массу электрона и его заряд, а к волновым свойствам — способность к дифракции и интерференции. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона отражены в уравнении де Бройля:

λ=hmv,{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{mv}},}

где λ{\displaystyle \lambda } — длина волны, m{\displaystyle m} — масса частицы, v{\displaystyle v} — скорость частицы, h{\displaystyle h} — постоянная Планка = 6,63·10^-34 Дж·с.

Для электрона невозможно рассчитать траекторию его движения, можно говорить только о вероятности нахождения электрона в том или ином месте вокруг ядра. {2}}m}{h}}\left(E-V\right)\Psi =0}

где E{\displaystyle E} — полная энергия электрона, V{\displaystyle V} потенциальная энергия электрона, физический смысл функции Ψ{\displaystyle \Psi } — квадратный корень от вероятности нахождения электрона в пространстве с координатами x, y и z (ядро считается началом координат).
Представленное уравнение написано для одноэлектронной системы. Для систем, содержащих более одного электрона, принцип описания остаётся прежним, но уравнение принимает более сложный вид. Графическим решением уравнения Шредингера является геометрия атомных орбиталей. Так, s-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь — форму восьмерки с «узлом» в начале координат (на ядре, где вероятность обнаружения электрона стремится к нулю).

В рамках современной квантово-механической теории электрон описывается набором квантовых чисел: n, l, m_l, s и m_s. Согласно принципу Паули в одном атоме не может быть двух электронов с полностью идентичным набором всех квантовых чисел.
Главное квантовое число n определяет энергетический уровень электрона, то есть на каком электронном уровне расположен данный электрон. Главное квантовое число может принимать только целочисленные значения больше 0: n=1;2;3… Максимальное значение n для конкретного атома элемента соответствует номеру периода, в котором расположен элемент в периодической таблице Д. И. Менделеева.
Орбитальное (дополнительное) квантовое число l определяет геометрию электронного облака. Может принимать целочисленные значения от 0 до n-1. Для значений дополнительного квантового числа l применяют буквенное обозначение:

S-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь — форму восьмерки. Остальные орбитали имеют очень сложную структуру, как, например, представленная на рисунке d-орбиталь.

• вид орбиталей на разных энергетических уровнях (при разных n)

Электроны по уровням и орбиталям располагаются не хаотично, а по правилу Клечковского, согласно которому заполнение электронов происходит по принципу наименьшей энергии, то есть в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел n+l. В случае, когда сумма для двух вариантов заполнения одинакова, первоначально заполняется наименьший энергетический уровень (например: при n=3 а l=2 и n=4 а l=1 первоначально заполняться будет уровень 3).
Магнитное квантовое число m_l определяет расположение орбитали в пространстве и может принимать целочисленное значение от -l до +l, включая 0. Для s-орбитали возможно только одно значение m_l=0. Для p-орбитали — уже три значения -1, 0 и +1, то есть p-орбиталь может располагаться по трём осям координат x, y и z.

расположение орбиталей в зависимости от значения m_l

Электрон обладает собственным моментом импульса — спином, обозначающимся квантовым числом s. Спин электрона — величина постоянная и равная 1/2. Явление спина можно условно представить как движение вокруг собственной оси. Первоначально спин электрона приравнивали к движению планеты вокруг собственной оси, однако такое сравнение ошибочно. Спин — чисто квантовое явление, не имеющее аналогов в классической механике.

АТОМА СТРОЕНИЕ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

АТОМА СТРОЕНИЕ, раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы – их размеры порядка 10^–10–10^–9 м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10^–15–10^–14 м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением (например, с помощью автоэлектронного проектора). Но и в этом случае атомы не удается рассмотреть в деталях. Наши знания об их внутреннем устройстве основаны на огромном количестве экспериментальных данных, которые косвенно, но убедительно свидетельствуют в пользу сказанного выше.

Представления о строении атома радикально изменились в 20 в. под влиянием новых теоретических идей и экспериментальных данных. В описании внутреннего строения атомного ядра до сих пор остаются нерешенные вопросы, которые служат предметом интенсивных исследований. В следующих разделах излагается история развития представлений о строении атома как целого; строению ядра посвящена отдельная статья (АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ), поскольку эти представления развивались в значительной степени независимо. Энергия, необходимая для исследования внешних оболочек атома, относительно невелика, порядка тепловой или химической энергии. По этой причине электроны были экспериментально обнаружены задолго до открытия ядра.

Ядро же при его малых размерах очень сильно связано, так что разрушить и исследовать его можно только с помощью сил, в миллионы раз более интенсивных, нежели силы, действующие между атомами. Быстрый прогресс в понимании внутренней структуры ядра начался лишь с появлением ускорителей частиц. Именно это огромное различие размеров и энергии связи позволяет рассматривать структуру атома в целом отдельно от структуры ядра.

Чтобы составить представление о размерах атома и незаполненности занимаемого им пространства, рассмотрим атомы, составляющие каплю воды диаметром 1 мм. Если мысленно увеличить эту каплю до размеров Земли, то атомы водорода и кислорода, входящие в молекулу воды, будут иметь в поперечнике 1–2 м. Основная же часть массы каждого атома сосредоточена в его ядре, поперечник которого при этом составил всего 0,01 мм.

АТОМ КАК ЦЕЛОЕ

Историю возникновения самых общих представлений об атоме обычно ведут со времен греческого философа Демокрита (ок. 460 – ок. 370 до н. э.), много размышлявшего о наименьших частицах, на которые можно было бы поделить любое вещество. Группу греческих философов, придерживавшихся того взгляда, что существуют подобные крошечные неделимые частицы, называли атомистами. Греческий философ Эпикур (ок. 342–270 до н.э.) принял атомную теорию, и в первом веке до н.э. один из его последователей, римский поэт и философ Лукреций Кар, изложил учение Эпикура в поэме «О природе вещей», благодаря которой оно и сохранилось для следующих поколений. Аристотель (384–322 до н.э.), один из крупнейших ученых древности, атомистическую теорию не принимал, и его взгляды на философию и науку преобладали впоследствии в средневековом мышлении. Атомистической теории как бы не существовало до самого конца эпохи Возрождения, когда на смену чисто умозрительным философским рассуждениям пришел эксперимент.

В эпоху Возрождения начались систематические исследования в областях, именуемых ныне химией и физикой, принесшие с собой новые догадки о природе «неделимых частиц». Р.Бойль (1627–1691) и И.Ньютон (1643–1727) исходили в своих рассуждениях из представления о существовании неделимых частиц вещества. Однако ни Бойлю, ни Ньютону не потребовалось детальной атомистической теории для объяснения интересовавших их явлений, и результаты проведенных ими экспериментов не сказали ничего нового о свойствах «атомов».

Законы Дальтона.

Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж.Дальтона (1766–1844), статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803.

Дальтон изучал свойства газов, в частности отношения объемов газов, вступавших в реакцию образования химического соединения, например, при образовании воды из водорода и кислорода. Он установил, что отношения прореагировавших количеств водорода и кислорода всегда представляют собой отношения небольших целых чисел. Так, при образовании воды (H₂O) в реакцию с 16 г кислорода вступают 2,016 г газообразного водорода, а при образовании пероксида водорода (H₂O₂) с 2,016 г водорода соединяются 32 г газообразного кислорода. Массы кислорода, реагирующие с одной и той же массой водорода при образовании этих двух соединений, соотносятся между собой как небольшие числа:

16:32 = 1:2.

На основе подобных результатов Дальтон сформулировал свой «закон кратных отношений». Согласно этому закону, если два элемента соединяются в разных пропорциях, образуя разные соединения, то массы одного из элементов, соединяющиеся с одним и тем же количеством второго элемента, соотносятся как небольшие целые числа. По второму закону Дальтона, «закону постоянных отношений», в любом химическом соединении соотношение масс входящих в него элементов всегда одно и то же. Большое количество экспериментальных данных, относящихся не только к газам, но также и к жидкостям и твердым соединениям, собрал Й.Берцелиус (1779–1848), который провел точные измерения реагирующих масс элементов для многих соединений. Его данные подтвердили сформулированные Дальтоном законы и убедительно продемонстрировали наличие у каждого элемента наименьшей единицы массы.

Атомные постулаты Дальтона имели то преимущество перед абстрактными рассуждениями древнегреческих атомистов, что его законы позволяли объяснить и увязать между собой результаты реальных опытов, а также предсказать результаты новых экспериментов. Он постулировал, что 1) все атомы одного и того же элемента тождественны во всех отношениях, в частности, одинаковы их массы; 2) атомы разных элементов имеют неодинаковые свойства, в частности, неодинаковы их массы; 3) в соединение, в отличие от элемента, входит определенное целое число атомов каждого из составляющих его элементов; 4) в химических реакциях может происходить перераспределение атомов, но ни один атом не разрушается и не создается вновь. (В действительности, как выяснилось в начале 20 в., эти постулаты не вполне строго выполняются, т.к. атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы, например водород имеет три такие разновидности, называемые изотопами; кроме того, атомы могут претерпевать радиоактивные превращения и даже полностью разрушиться, но не в химических реакциях, рассматривавшихся Дальтоном.) Основанная на этих четырех постулатах атомная теория Дальтона давала самое простое объяснение законов постоянных и кратных отношений.

Хотя законы Дальтона лежат в основе всей химии, ими не определяются фактические размеры и массы атомов. Они ничего не говорят о числе атомов, содержащихся в определенной массе элемента или соединения. Молекулы простых веществ слишком малы, чтобы их можно было взвесить по отдельности, поэтому для определения масс атомов и молекул приходится прибегать к косвенным методам.

Число Авогадро.

В 1811 А.Авогадро (1776–1856) выдвинул гипотезу, которая значительно упрощала анализ того, как из элементов образуются соединения, и устанавливала различие между атомами и молекулами. Его мысль состояла в том, что равные объемы газов, находящиеся при одинаковых температуре и давлении, содержат одно и то же число молекул. В принципе намек на это можно найти в более ранней работе Ж.Гей-Люссака (1778–1850), который установил, что отношение объемов газообразных элементов, вступающих в химическую реакцию, выражается целыми числами, хотя и отличными от отношений масс, полученных Дальтоном. Например, 2 л газообразного водорода (молекулы H₂), соединяясь с 1 л газообразного кислорода (молекулы O₂), образуют 1 л паров воды (молекулы H₂O).

Истинное число молекул в данном объеме газа чрезвычайно велико, и до 1865 его не удавалось определить с приемлемой точностью. Однако уже во времена Авогадро проводились грубые оценки на основе кинетической теории газов. Очень удобной единицей измерения количества вещества является моль, т.е. количество вещества, в котором столько же молекул, сколько атомов в 0,012 кг самого распространенного изотопа углерода ¹²С. Один моль идеального газа при нормальных условиях (н.у.), т.е. стандартных температуре и давлении, занимает объем 22,4 л. Число Авогадро – это полное число молекул в одном моле вещества или в 22,4 л газа при н.у. Другие методы, такие, как рентгенография, дают для числа Авогадро N₀ более точные значения, нежели полученные на основе кинетической теории. Значение, принятое в настоящее время, таково: 6,0221367Ч10²³ атомов (молекул) в одном моле. Следовательно, в 1 л воздуха содержится примерно 3Ч10²² молекул кислорода, азота и других газов.

Важная роль числа Авогадро для физики атома связана с тем, что оно позволяет определить массу и приблизительные размеры атома или молекулы. Поскольку масса 22,4 л газообразного H₂ составляет 2,016Ч10^–3 кг, масса одного атома водорода равна 1,67Ч10^–27 кг. Если считать, что в твердом теле атомы расположены вплотную друг к другу, то число Авогадро позволит приближенно оценить радиус r, скажем, атомов алюминия. Для алюминия 1 моль равен 0,027 кг, а плотность – 2,7Ч10³ кг/м³. При этом имеем

откуда r » 1,6Ч10^–10 м. Так первые оценки числа Авогадро дали представление об атомных размерах.

Открытие электрона.

Экспериментальные данные, связанные с образованием химических соединений, подтверждали существование «атомных» частиц и позволили судить о малых размерах и массе отдельных атомов. Однако реальная структура атомов, в том числе и существование еще меньших частиц, составляющих атомы, оставалась неясной до открытия Дж.Дж.Томсоном электрона в 1897. До той поры атом считался неделимым и различие в химических свойствах различных элементов не имело своего объяснения. Еще до открытия Томсона был выполнен ряд интересных экспериментов, в которых другие исследователи изучали электрический ток в стеклянных трубках, наполненных газом при низких давлениях. Такие трубки, названные трубками Гейсслера по имени немецкого стеклодува Г.Гейсслера (1815–1879), который первым начал изготовлять их, испускали яркое свечение, будучи подключены к высоковольтной обмотке индукционной катушки. Этими электрическими разрядами заинтересовался У.Крукс (1832–1919), который установил, что характер разряда в трубке меняется в зависимости от давления, и разряд полностью исчезает при высоком вакууме. Более поздние исследования Ж.Перрена (1870–1942) показали, что вызывающие свечение «катодные лучи» представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Однако заряд и масса частиц оставались неизвестны и было неясно, одинаковы ли все отрицательные частицы.

Огромной заслугой Томсона явилось доказательство того, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. С помощью разрядной трубки особого типа, изображенной на рис. 1, Томсон измерил скорость и отношение заряда к массе частиц катодных лучей, позднее названных электронами. Электроны вылетали из катода под действием высоковольтного разряда в трубке. Через диафрагмы D и E проходили только те из них, что летели вдоль оси трубки.

В нормальном режиме эти электроны попадали в центр люминесцентного экрана. (Трубка Томсона была первой «электронно-лучевой трубкой» с экраном, предшественницей телевизионного кинескопа.) В трубке находилась также пара пластин электрического конденсатора, которые, если на них подавалось напряжение, могли отклонять электроны. Электрическая сила F_E, действующая на заряд e со стороны электрического поля E, дается выражением

F_E = eE.

Кроме того, в той же области трубки с помощью пары катушек с током могло создаваться магнитное поле, способное отклонять электроны в противоположном направлении. Сила F_H, действующая со стороны магнитного поля H, пропорциональна напряженности поля, скорости частицы v и ее заряду e:

F_H = Hev.

Томсон отрегулировал электрическое и магнитное поля так, чтобы полное отклонение электронов было равно нулю, т. е. электронный пучок вернулся в первоначальное положение. Поскольку в этом случае обе силы F_E и F_Hравны, скорость электронов дается выражением

v = E/H.

Томсон установил, что эта скорость зависит от напряжения на трубке V и что кинетическая энергия электронов mv²/2 прямо пропорциональна этому напряжению, т.е. mv²/2 = eV. (Отсюда термин «электрон-вольт» для энергии, приобретаемой частицей с зарядом, равным заряду электрона при ускорении разностью потенциалов 1 В.) Комбинируя это уравнение с выражением для скорости электрона, он нашел отношение заряда к массе:

Эти опыты позволили определить отношение e/m для электрона и дали приближенное значение заряда e. Точно величина e была измерена Р.Милликеном, который в своих опытах добивался, чтобы заряженные капельки масла висели в воздухе между пластинами конденсатора. В настоящее время характеристики электрона известны с большой точностью:

Таким образом, масса электрона значительно меньше массы атома водорода:

Эксперименты Томсона показали, что электроны в электрических разрядах могут возникать из любого вещества. Поскольку все электроны одинаковы, элементы должны различаться лишь числом электронов. Кроме того, малая величина массы электронов указывала на то, что масса атома сосредоточена не в них.

Масс-спектрограф Томсона.

Вскоре и оставшуюся часть атома с положительным зарядом удалось наблюдать с помощью той же, хотя и модифицированной, разрядной трубки, позволившей открыть электрон. Уже первые эксперименты с разрядными трубками показали, что если катод с отверстием помещается посередине трубки, то через «канал» в катоде проходят положительно заряженные частицы, вызывая свечение люминесцентного экрана, расположенного в противоположном от анода конце трубки. Эти положительные «каналовые лучи» тоже отклонялись магнитным полем, но в направлении, противоположном электронам.

Томсон решил измерить массу и заряд этих новых лучей, также используя для отклонения частиц электрическое и магнитное поля. Его прибор для изучения положительных лучей, «масс-спектрограф», схематически изображен на рис. 2. Он отличается от прибора, представленного на рис. 1, тем, что электрическое и магнитное поля отклоняют частицы под прямым углом друг к другу, а потому «нулевое» отклонение получить не удается. Положительно заряженные атомы на пути между анодом и катодом могут потерять один или несколько электронов, и по этой причине могут ускоряться до различных энергий. Атомы одного типа с одинаковыми зарядом и массой, но с некоторым разбросом конечных скоростей, вычертят на люминесцентном экране или фотопластинке кривую линию (отрезок параболы). При наличии атомов с различной массой более тяжелые атомы (с тем же зарядом) будут отклоняться от центральной оси слабее, чем более легкие. На рис. 3 приведена фотография парабол, полученных на масс-спектрографе Томсона. Самая узкая парабола соответствует самому тяжелому однократно ионизованному атому (атому ртути), у которого выбит один электрон. Две самые широкие параболы соответствуют водороду, одна – атомарному H⁺, а другая – молекулярному H₂⁺, причем оба однократно ионизованы. В некоторых случаях теряются два, три и даже четыре заряда, однако атомарный водород никогда не наблюдался ионизованным более чем однократно. Данное обстоятельство было первым указанием на то, что в атоме водорода только один электрон, т.е. это самый простой из атомов.

Другие доказательства сложной структуры атома.

В то самое время, когда Томсон и другие исследователи экспериментировали с катодными лучами, открытие рентгеновского излучения и радиоактивности принесло дополнительные доказательства сложной структуры атома. В 1895 В.Рентген (1845–1923) случайно обнаружил таинственное излучение («Х-лучи»), проникавшее сквозь черную бумагу, которой он оборачивал трубку Крукса при исследовании зеленой люминесцирующей области электрического разряда. Х-лучи вызывали свечение удаленного экрана, покрытого кристаллическим платиноцианидом бария. Рентген выяснил, что различные вещества разной толщины, введенные между экраном и трубкой, ослабляют свечение, но не гасят его полностью. Это свидетельствовало о чрезвычайно высокой проникающей способности Х-лучей. Рентген установил также, что эти лучи распространяются прямолинейно и не отклоняются под действием электрических и магнитных полей. Возникновение такого невидимого проникающего излучения при бомбардировке электронами различных материалов было чем-то совершенно новым. Было известно, что видимый свет от трубок Гейсслера состоит из отдельных «спектральных линий» с определенными длинами волн и, значит, связан с «колебаниями» атомов, имеющими дискретные частоты. Существенная особенность нового излучения, отличавшая его от оптических спектров, помимо высокой проникающей способности, состояла в том, что оптические спектры элементов с последовательно возраставшим числом электронов полностью отличались друг от друга, тогда как спектры X-лучей очень незначительно изменялись от элемента к элементу.

Еще одним открытием, имеющим отношение к строению атома, было то, что атомы некоторых элементов могут спонтанно испускать излучение. Это явление было обнаружено в 1896 А.Беккерелем (1852–1908). Беккерель открыл радиоактивность, используя соли урана в процессе изучения люминесценции солей под действием света и ее связи с люминесценцией стекла в рентгеновской трубке. В одном из опытов наблюдалось почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу и находившейся около урановой соли в полной темноте. Это случайное открытие стимулировало интенсивные поиски других примеров естественной радиоактивности и постановку опытов по определению природы испускаемого излучения. В 1898 П.Кюри (1859–1906) и М.Кюри (1867–1934) обнаружили еще два радиоактивных элемента – полоний и радий. Э.Резерфорд (1871–1937), исследовав проникающую способность излучения урана, показал, что имеются два типа излучений: очень «мягкое» излучение, которое легко поглощается веществом и которое Резерфорд назвал альфа-лучами, и более проникающее излучение, которое он назвал бета-лучами. Бета-лучи оказались тождественными обычным электронам, или «катодным лучам», возникающим в разрядных трубках. Альфа-лучи, как выяснилось, имеют такие же заряд и массу, как и атомы гелия, лишенные двух своих электронов. Третий тип излучения, названный гамма-лучами, оказался сходен с X-лучами, но обладал еще большей проникающей способностью.

Все эти открытия ясно показали, что атом не является «неделимым». Он не только состоит из более мелких частей (электронов и более тяжелых положительных частиц), но эти и другие субчастицы, по-видимому, самопроизвольно испускаются при радиоактивном распаде тяжелых элементов. Кроме того, атомы не только испускают излучение в видимой области с дискретными частотами, но и могут так возбуждаться, что начинают испускать более «жесткое» электромагнитное излучение, а именно X-лучи.

Модель атома Томсона.

Дж.Томсон, внесший огромный вклад в экспериментальное изучение строения атома, стремился найти модель, которая позволила бы объяснить все его известные свойства. Поскольку преобладающая доля массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части, он принял, что атом представляет собой сферическое распределение положительного заряда радиусом примерно 10^–10 м, а на его поверхности находятся электроны, удерживаемые упругими силами, позволяющими им колебаться (рис. 4). Суммарный отрицательный заряд электронов в точности компенсирует положительный заряд, так что атом электрически нейтрален. Электроны находятся на сфере, но могут совершать простые гармонические колебания относительно положения равновесия. Такие колебания могут происходить лишь с определенными частотами, которым соответствуют узкие спектральные линии, наблюдающиеся в газоразрядных трубках. Электроны можно довольно легко выбить с их позиций, в результате чего возникают положительно заряженные «ионы», из которых состоят «каналовые лучи» в опытах с масс-спектрографом. X-лучи соответствуют очень высоким обертонам основных колебаний электронов. Альфа-частицы, возникающие при радиоактивных превращениях, – это часть положительной сферы, выбитая из нее в результате какого-то энергичного разрывания атома.

Однако эта модель вызывала ряд возражений. Одно из них было связано с тем, что, как обнаружили спектроскописты, измерявшие линии испускания, частоты этих линий не являются простыми кратными низшей частоты, как должно быть в случае периодических колебаний заряда. Вместо этого они сближаются с увеличением частоты, как если бы стремились к пределу. Уже в 1885 И.Бальмеру (1825–1898) удалось найти простую эмпирическую формулу, связывающую частоты линий видимой части спектра водорода:

где n – частота, c – скорость света (3Ч10⁸ м/с), n – целое число и R_H – некий постоянный множитель. Согласно этой формуле, в данной серии спектральных линий водорода должны отсутствовать линии с длиной волны l меньше 364,56 нм (или с более высокими частотами), отвечающей n = Ґ. Так оно и оказалось, и это стало серьезным возражением против модели атома Томсона, хотя и делались попытки объяснить расхождение различием упругих возвращающих сил для разных электронов.

Исходя из модели атома Томсона, было также крайне трудно объяснить испускание атомами рентгеновского или гамма-излучения.

Затруднения в модели атома Томсона вызвало и отношение e/m заряда к массе для атомов, потерявших свои электроны («каналовых лучей»). Самый простой атом – атом водорода с одним электроном и сравнительно массивной сферой, несущей один положительный заряд. Значительно раньше, в 1815, У.Праут высказал предположение, что все более тяжелые атомы состоят из атомов водорода, и было бы понятно, если бы масса атома возрастала пропорционально числу электронов. Однако измерения показали, что отношение заряда к массе для разных элементов неодинаково. Например, масса атома неона примерно в 20 раз больше массы атома водорода, тогда как заряд составляет лишь 10 единиц положительного заряда (у атома неона 10 электронов). Дело обстояло так, как если бы положительный заряд имел переменную массу или же электронов было действительно 20, но 10 из них находились внутри сферы.

Опыты Резерфорда по рассеянию.

Затем возникла еще одна трудность. В 1903 Ф.Ленард (1862–1947) ставил опыты с прохождением пучка быстрых электронов сквозь тонкие металлические фольги. В модели атома Томсона почти все пространство заполнено веществом (положительно заряженной частью атома), а потому можно было думать, что сквозь фольгу сможет проникать лишь очень мало электронов. Ленард же обнаружил, что сквозь фольгу проходят почти все электроны. Хотя в эксперименте имелись трудности, связанные с малой массой бомбардирующих частиц, Ленард выдвинул предположение, что масса атома сосредоточена в «динамиде» – его центральной области, значительно меньшей, чем предполагалось.

Решающий эксперимент, совершенно изменивший представления о пространственной структуре атома, был проведен Э.Резерфордом и его сотрудниками Х.Гейгером (1882–1945) и Э.Марсденом (1889–1970). Вместо электронов они использовали альфа-частицы, т.к. благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона) эти частицы не претерпевают заметного отклонения при столкновении с атомными электронами, что позволяет регистрировать только столкновения с положительной частью атома. В качестве источника альфа-частиц был взят радий, а частицы, претерпевавшие рассеяние в тонкой металлической фольге, например золотой, регистрировались по «сцинтилляционным» вспышкам на экране из сульфида цинка, находящемся в затемненной комнате. Схема опыта представлена на рис. 5.

Согласно модели Томсона, практически все альфа-частицы должны оказываться в пределах очень малого угла относительно своего первоначального направления, поскольку большую часть времени они должны были бы проходить в области почти равномерно распределенного положительного заряда. Хотя результаты Резерфорда согласовались с ожидаемым распределением в области малых отклонений, было зарегистрировано очень много отклонений на углы, гораздо большие, чем предсказывала модель атома Томсона. Столь большие отклонения можно было объяснить лишь тем, что положительная «сердцевина» атома значительно меньше размеров его электронной структуры и, следовательно, альфа-частицы могут очень близко подходить к этой малой положительной сердцевине, встречая при этом очень большие кулоновские силы. Опыты Резерфорда убедительно показали, что весь атом, кроме очень малой массивной сердцевины, или «ядра», как и предполагал Ленард, почти полностью пуст. Исходя из полученных им экспериментальных данных, Резерфорд заключил, что диаметр ядра атома золота составляет не более 6Ч10^–15 м – значение, довольно близкое к современному.

Резерфорду удалось, упрощенно рассматривая ядро как точечный центр рассеяния, на основе только электростатики и механики Ньютона вывести формулу для углового распределения рассеянных частиц. Между альфа-частицей с массой M и зарядом 2e, где e – заряд электрона, и ядром с зарядом Ze, где Z – атомный номер элемента, из которого состоит рассеивающее вещество, действует сила электростатического отталкивания 2Ze²/r², где r – расстояние между зарядами. Угол j, на который происходит рассеяние, зависит от параметра столкновения p, т.е. минимального расстояния, на котором частица прошла бы мимо ядра, если бы не отклонилась.

Как видно из рис. 6, наибольшему углу отклонения отвечает наименьший параметр столкновения. Доля альфа-частиц, отклоняющихся на угол j и более, дается выражением

где n – число атомов в 1 см³, t – толщина фольги, M и v – масса и скорость альфа-частицы и Z – заряд ядра. Этот закон рассеяния Резерфорда чаще записывают в виде доли частиц df, которая рассеивается в телесный угол dw в интервале углов от j до j + dj:

Эти выражения получили количественное подтверждение для широкого диапазона углов и разных рассеивающих материалов и позволили измерить заряд ядра.

Резерфордовская, или ядерная, модель атома, вытеснив томсоновскую модель, явилась важным этапом на пути создания квантовой механики. Детальные эксперименты, выполненные Гейгером и Марсденом в 1913, не оставили и тени сомнения в том, что картина атома с малым массивным ядром в центре электронной структуры значительно больших размеров верна не только качественно, но и количественно. Некоторые детали, перенесенные из томсоновской модели, такие, как существование в ядре электронов, позднее также были отброшены.

Квантовая теория Бора.

Н.Бор (1885–1962) работал в 1912–1913 у Резерфорда, когда тот проводил опыты по рассеянию, и вернулся в 1913 в Копенгаген с множеством новых идей. Требовал своего объяснения ряд явлений, помимо только что открытых в «ядерных» экспериментах по рассеянию. Теперь, когда была отвергнута томсоновская модель атома, узкие, дискретные спектральные линии в излучении разрядных трубок и эмпирические закономерности в их частотах казались еще менее понятными.

Был и другой атомный эффект, открытый в 1887 Г.Герцем (1857–1894), а именно фотоэффект. Суть его в том, что свет, падающий на свежеочищенную поверхность металла, выбивает из нее электроны, если частота света достаточно высока. Для каждого металла имеется своя пороговая частота. Опыты показали, что тормозящее электростатическое поле, уменьшающее до нуля ток фотоэлектронов, не зависит от интенсивности света, но зависит от его длины волны. Электромагнитная теория, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны, оказалась не в состоянии объяснить это, поскольку по этой теории для испускания электрона с любой скоростью атому нужно только достаточно долго поглощать энергию. В 1905 А.Эйнштейн (1879–1955) предложил объяснение фотоэффекта, которое полностью согласовалось с экспериментальными данными, но требовало коренного пересмотра существовавшей концепции света как волнового процесса. Эйнштейн предположил, что свет переносит энергию порциями, которые называются фотонами или квантами света, причем их энергия дается выражением E = hn, где n – частота света, а h – «постоянная Планка», равная 6,626Ч10^–34 ДжЧс. Попадая на поверхность металла, фотон передает всю свою энергию электрону. Поскольку электрон связан с поверхностью электростатическими силами, ему для вылета необходима энергия W («работа выхода»), а остальная часть полученной электроном энергии превращается в его кинетическую энергию, т.е. hn = W + ¹/₂mv². Гипотеза Эйнштейна объясняла, почему кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света, а число испускаемых электронов – от его интенсивности.

Как часто происходит с научными открытиями, оказалось, что гипотеза «квантов» Эйнштейна имеет в своей основе более раннюю теорию. М.Планк (1858–1947) первым привлек идею квантования для объяснения наблюдаемого спектрального состава излучения нагретых тел. Ему удалось объяснить спектр, предположив, что гармонические осцилляторы поглощают и излучают лишь дискретные порции энергии hn.

Бор блестяще применил квантовую гипотезу к описанию орбит электронов в атомах и их излучения. Он отбросил идею о том, что электроны ведут себя подобно осцилляторам, а вместо этого представил динамику атома в виде движения электронов по орбитам вокруг ядра, наподобие движения планет по орбитам вокруг Солнца. Сила электростатического притяжения электрона ядром является центростремительной силой, заставляющей электрон двигаться по круговой орбите радиуса r со скоростью v. В общем случае ядра с зарядом Ze имеем

В таком силовом поле (когда сила обратно пропорциональна расстоянию до центра притяжения) кинетическая энергия движения всегда равна – 1/2 потенциальной энергии:

а полная энергия, т. е. сумма кинетической и потенциальной энергий, равна:

Эти соотношения следуют из обычных законов механики и электростатики. Бор, в дополнение к ним, сформулировал следующие постулаты, составляющие основу квантовой теории атома.

I. Разрешены только такие круговые орбиты, для которых момент импульса равен целому числу в единицах постоянной Планка, деленной на 2p. (Момент импульса тела l, движущегося по круговой орбите, равен произведению его массы m на скорость v и радиус орбиты r.) Таким образом,

II. Хотя, согласно электромагнитной теории, любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна испускать излучение, электроны не испускают излучения, двигаясь по своим орбитам внутри атома. Излучение возникает только при переходе электрона с одной квантованной орбиты на другую.

III. Частота этого излучения определяется изменением полной энергии, т.е. разностью энергий атома в начальном и конечном состояниях:

hn = E₂ – E₁.

Эти условия квантования энергии приводят к дискретным орбитам электронов. Решая уравнение (2) относительно скорости и подставляя в (4), получаем

или, если ввести «боровский радиус» a₀ = h²/4p2me² » 5,29Ч10^–11 м,

На рис. 7 изображены первые шесть орбит электронов в атоме водорода, соответствующие теории Бора. Показаны также переходы, сопровождающиеся испусканием дискретных спектральных линий. Каждая серия спектральных линий носит имя ее открывателя; из всех серий лишь часть серии Бальмера лежит в видимой области спектра.

На рис. 8 показано, как выглядят линии серии Бальмера на фотопластинке спектрографа. Нетрудно видеть, что линии сгущаются вблизи границы серии.

Энергии состояний атома, отвечающих каждому целому значению n, также квантованы:

Используя третий постулат Бора и соотношение с = ln между скоростью, длиной волны и частотой, можно теперь объяснить эмпирическую формулу, найденную Бальмером для его серии линий:

просто как частный случай формулы Бора. С ее помощью можно вычислить «постоянную Ридберга» R_H :

Значение R_H, найденное Бальмером, составляло 10967776 м^–1; используя имевшиеся в то время значения m, e, c и h, Бор получил R_H = 1,03Ч10⁷ м^–1. Современное значение R_H составляет 10979708 м^–1. Таким образом, соответствие теории Бора с экспериментом достаточно хорошее. Расхождение в величине R_H объясняется неточностью значений фундаментальных констант m, e, c, h, которыми пользовался Бор, а также необходимостью учета ряда поправок, главной из которых является поправка на движение ядра (см. ниже).

Таким образом, Бор своей теорией с самого начала добился значительного успеха, дав не только качественное, но и количественное объяснение линиям водородного спектра и применив представления Планка и Эйнштейна о квантах в теории оптических спектров.

В 1914 Дж.Франк (1882–1964) и Г.Герц (1887–1975) экспериментально подтвердили правильность представления о квантовании энергетических уровней, бомбардируя атомы паров ртути электронами с известной энергией. Они измеряли энергию, теряемую электронами при рассеянии на атомах ртути. Электроны с энергией ниже определенного порогового значения вообще не передавали энергию атомам ртути; но, как только энергия электронов оказывалась достаточной для возбуждения перехода атома ртути на ближайший уровень с более высокой энергией, электроны интенсивно передавали свою энергию. Это было убедительным доказательством существования квантованных энергетических уровней.

Теория Бора позволила объяснить и происхождение рентгеновского излучения (X-лучей): это излучение испускается в результате выбивания (бомбардирующим атом электроном) электрона с внутренней орбиты атома: на освободившееся место переходят электроны с внешних оболочек атома. Поскольку энергия при этом изменяется значительно больше, чем при оптическом переходе, рентгеновское излучение оказывается более коротковолновым, нежели видимый свет, и более проникающим. Теория Бора объяснила не только линии Бальмера, наблюдаемые в видимой части спектра, но и другие серии линий в ультрафиолетовой (серию Лаймана) и инфракрасной (серию Пашена) области, которые были обнаружены с помощью фотографических методов.

Хотя масса M ядра водорода (протона) значительно больше массы электрона, движущегося по орбите в атоме, было бы неправильным считать, что в этой «динамической» модели атома протон покоится. Как указал А.Зоммерфельд (1868–1951), в силу законов сохранения энергии и импульса ядро и электрон должны вращаться относительно общего центра масс с одинаковой угловой скоростью (при этом ядро расположено гораздо ближе к центру масс). Влияние этого движения ядра на энергию электронных состояний можно учесть, просто заменив массу электрона m «приведенной массой»

где M – масса ядра рассматриваемого атома. В случае водорода величина m меньше m на 1/1837. Однако точность спектроскопических измерений такова, что такая поправка заметно улучшает согласие теории с экспериментом.

Эффектной демонстрацией возможностей модифицированной теории Бора для атома водорода явилось открытие «тяжелого водорода» (дейтерия) ²Н. Масса ядра дейтерия почти вдвое превышает массу протона, и хотя дейтерий составляет всего 1/4500 часть обычного газообразного водорода, его наличие проявляется на фотоснимках спектра, сделанных с высоким разрешением, в виде очень слабых линий, сдвинутых относительно основных линий из-за различия в величине m. После того как Ф.Астон (1977–1945) обнаружил в 1931 очевидное расхождение в значениях атомной массы водорода, Р.Бёрдж (1887–1980) и Д.Менцель выдвинули гипотезу о существовании двух разновидностей водорода с разными массами изотопов. В 1932 Г.Юри (1893–1981), Дж.Мерфи и Ф.Брикведде (1903–1989) провели серию экспериментов, в которых спектр водорода фотографировался с помощью вогнутой дифракционной решетки радиусом 6,4 м. Они обнаружили слабые дейтериевые линии там, где их предсказывали (длина волны, отвечающая линии H_a , была смещена на 179,3 нм), и, взяв образцы, обогащенные тяжелым изотопом, получили не вызывающие сомнения яркие линии.

Зоммерфельд развил далее теорию Бора, указав на то, что круговые орбиты – это лишь частный случай и что постулаты Бора могут быть введены и в случае эллиптических орбит. (При движении по эллиптической орбите скорость наряду с азимутальной имеет и радиальную составляющую. При этом движение происходит в одной плоскости, а центр притяжения располагается в одном из фокусов.) Таким образом, на обобщенный импульс p_i налагаются два условия квантования, связанные с «периодическими координатами» q_i. (Область изменения периодических координат повторяется с определенным периодом; например, угловое положение электрона относительно ядра представляет собой периодическую координату.) В общем случае

Таким образом, для того чтобы орбита существовала, интеграл от импульса по координате за период должен быть равен целому числу постоянных Планка. При движении по эллиптической орбите существуют два независимых уравнения

где p_j – азимутальный, а p_r – радиальный импульс. (Радиальный импульс p_rравен произведению массы на радиальную скорость, которая в случае круговой орбиты равна нулю.) Классическая механика движения по эллиптическим орбитам, справедливая для описания движения планет, была хорошо известна, и, следовательно, ее можно было непосредственно использовать в случае атомных орбит. Согласно механике Ньютона, переход от эллиптической орбиты к круговой не сопровождается изменением энергии уровня, поскольку в случае эллипса энергия зависит только от большой полуоси эллипса, которая в свою очередь зависит лишь от

Таким образом, число n («главное квантовое число») отвечает одной и той же энергии для некоего набора эллиптических орбит, включающего в себя и круговую, для которой n_Y = 0.

Измерения, проведенные с более высоким разрешением, показали существование «тонкой структуры» спектральных линий (одна широкая «линия» в действительности состоит из нескольких линий). Частично это было связано с тем, как было показано Зоммерфельдом, что электроны движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света и, следовательно, вместо механики Ньютона следует использовать релятивистскую механику Эйнштейна. В результате в энергиях эллиптических орбит возникает небольшое различие, поскольку скорости меняются в зависимости от эсцентриситета. Поправка может быть выражена через квантовые числа n и n_j:

где величина

есть так называемая постоянная тонкой структуры, или постоянная Зоммерфельда. Существование этих небольших поправок, зависящих от эллиптичности орбиты, значительно увеличивает число возможных переходов. Чтобы учесть отсутствие некоторых из предсказанных спектральных линий, пришлось ввести «правила отбора», допускающие изменение азимутального квантового числа n_j только на +1 или -1.

Таким образом, квантовая теория Бора, дополненная более точной механикой орбитального движения Зоммерфельда, оказалась способной объяснить широкий круг явлений. Стало понятным существование серий спектральных линий водорода, наличие их тонкой структуры, характеристики неупругого рассеяния электронов в газах и изотопическое смещение спектральных линий. Кроме того, удалось точно вычислить потенциал ионизации водорода (энергию, необходимую для выбивания электрона из атома).

Однако трудности все же остались. Теория Бора давала хорошие результаты в случае одноэлектронных атомов типа водорода, однократно ионизованного гелия, дважды ионизованного лития, а также, например, натрия (благодаря тому, что в атоме натрия есть один слабо связанный электрон, котрый в основном и определяет как спектр, так и химические свойства натрия), но она плохо описывала обычный атом гелия с двумя электронами и другие многоэлектронные атомы. Неудачными оказались также попытки Бора объяснить хорошо известные изменения химических и физических свойств при переходе от атома к атому. Наконец, и постулаты Бора, например, квантование момента импульса на электронных орбитах, выглядели совершенно произвольными.

Дело в том, что в то время были неизвестны два положения, без которых понять строение сложных атомов невозможно, – принцип запрета Паули и существование у электрона спина. Эти положения наряду с созданием новой механики, названной волновой, или квантовой, были необходимы для полного понимания строения атома.

Квантовая механика атома.

Недостатки теории Бора, основанной на механике классических частиц с дополнением в виде квантовых постулатов, высветили фундаментальную проблему правильного описания движения электронов на малых расстояниях, например, внутри атома. Опираясь на то, что свет имеет как корпускулярные, так и волновые свойства (в некторых явлениях, например, при фотоэффекте, он ведет себя как поток частиц, а в некоторых, например, при интерференции, как волна), Л.де Бройль (1892–1987) в 1923 выдвинул гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм свойствен также и веществу. Поскольку квантовая теория приписывает световым фотонам при фотоэффекте корпускулярное поведение, можно допустить, что электроны в атомах могут вести себя на своих «орбитах» подобно волнам. Де Бройль пришел к выводу, что с движением любого вида частиц можно «ассоциировать» распространение волны, если приписать частице с массой m и скоростью v длину волны

l = h/mv.

Экспериментальным подтверждением волновых свойств частиц явилось открытое в 1927 К.Дэвиссоном (1881–1958) и Л.Джермером (1896–1971) явление дифракции электронов. Угловое распределение электронов при отражении пучка электронов от поверхности кристалла можно объяснить лишь на основе волновых представлений, причем наблюдалось согласие с постулированным де Бройлем соотношением между длиной волны и скоростью.

Разработка квантовой механики В.Гейзенбергом (1901–1976), Э.Шрёдингером (1887–1961) и другими теоретиками в период, последовавший за высказанной де Бройлем гипотезой, привела к прояснению ситуации с теорией Бора. Например, в теории Бора условие «стационарных состояний»

mvЧ2pr = nh

носило характер произвольного требования. Теперь же оно выступает как требование, чтобы на периодической орбите электрона укладывалось целое число длин волн де Бройля. Разрешенными оказываются именно те орбиты, которые удовлетворяют этому требованию.

При решении волнового уравнения Шрёдингера для атома водорода естественным образом возникают три квантовых числа, обычно обозначаемые символами n, l и m_l. Здесь n – целое число, принимающее любые значения, большие 0, которое называется главным квантовым числом электрона. Оно соответствует числу n, обозначавшему различные боровские орбиты. Число l (орбитальное квантовое число) тоже целое и может принимать любые значения от 0 до (n – 1). Оно характеризует орбитальный момент импульса электрона и тесно связано с n_j в модели Бора. Из решения волнового уравнения следует, что разрешены только значения орбитального момента импульса электрона, равные:

При максимально допустимое значение l равно нулю, и, следовательно, орбитальный момент импульса электрона тоже должен быть равен нулю.

Третье квантовое число m_l называется «магнитным квантовым числом» и играет важную роль, когда атом находится в магнитном поле H. В этом случае квантуется не только орбитальный момент импульса p_j, но и его проекция на направление магнитного поля. Проекция квантового числа l на направление поля H также должна быть целым числом, m_l. Таким образом, m_l может принимать (2l + 1) значений: +l, (l – 1), (l – 2),…, –(l – 1), –l. В рамках модели Бора это соответствует заданию угла q наклона плоскости электронной орбиты относительно направления магнитного поля, как показано на рис. 9:

cosq = m_l/l.

Если l = 3, то существует (2l + 1), т.е. 7 различных дискретных значений угла, которые могут составлять боровские орбиты с направлением H (рис. 9,б).

Еще одно следствие правил квантования m_l состоит в том, что магнитный момент m может принимать значения

m = leh/4pmc = lm,

где величина m0, так называемый магнетон Бора, равна 9,27Ч10^–24 Дж/Тл. Изменение энергии электрона, обусловленное взаимодействием его момента с магнитным полем, равно:

DE = m0Hm_l.

Таким образом, магнитное поле приводит к расщеплению уровней и увеличению числа переходов и спектральных линий, т.е. к эффекту Зеемана.

Спин электрона и принцип запрета Паули.

В то время, когда формировались идеи квантовой механики, для объяснения характеристик линейчатых спектров атомов была выдвинута гипотеза спина электрона. Спектроскопия более высокого разрешения показала, что многие линии представляют собой дублеты, которые не удается объяснить, исходя из орбитального движения электронов. Особенно показательный пример – дублет желтых линий натрия 589,0 и 589,6 нм, который четко разделяется даже простыми спектрометрическими приборами.

Для объяснения частого появления дублетов в линейчатых спектрах Дж.Уленбек (1900–1988) и С.Гаудсмит (1902–1978) выдвинули в 1925 предположение, что электрон имеет собственный момент импульса, или спин, т. е. его можно представить себе вращающимся вокруг собственной оси одновременно с вращением по орбите вокруг ядра, аналогично вращению Земли при ее движении вокруг Солнца. Спин характеризуется еще одним квантовым числом, s. Поскольку вектор спинового момента импульса имеет (2s + 1) различных ориентаций, а наблюдаемая кратность энергетических уровней равна двум, имеем (2s + 1) = 2, или s = 1/2. Проекции вектора s на некое выделенное направление (направление внешнего магнитного поля) характеризуются спиновым магнитным квантовым числом m_s, которое может быть равно либо +1/2, либо -1/2. Вращающийся вокруг собственной оси электрон подобен крошечному магниту с магнитным моментом

В конечном итоге получается 4 независимых квантовых числа, характеризующих состояние электрона в атоме:

n – главное квантовое число;

l – орбитальное квантовое число;

m_l – орбитальное магнитное квантовое число;

m_s – спиновое магнитное квантовое число.

Хотя квантовая механика позволяет, если заданы квантовые числа, определить энергию состояния и пространственное распределение электронной плотности вероятностей (заменяющее орбиты в модели Бора), для фиксации числа электронов в каждом состоянии требуются дальнейшие предположения.

В 1925 В.Паули (1900–1958) сформулировал «принцип запрета», который сразу внес ясность в очень многие атомные явления. Он предложил простое правило: в каждом отдельном квантовом состоянии может находиться только один электрон. Это означает, что набор чисел, отвечающих данным n, l и m_l, зависит от n. Например, при n = 1 возможно лишь l = 0; следовательно, m_l = 0 и единственное различие состояний связано с m_s = +1/2 и -1/2. В таблице приведены возможности, отвечающие различным n. Отметим, что в первой «оболочке» (n = 1) имеются 2 электрона, в следующей оболочке (n = 2) имеется 8 электронов, образующих две подоболочки, и т. д. Максимальное число электронов в подоболочке равно 2(2l + 1), а максимальное число подоболочек составляет n. Для каждого n полностью заполненная оболочка содержит 2n² электронов.

Соответствие принципа Паули эксперименту было подтверждено огромным числом спектроскопических наблюдений, а также многочисленными данными электронной теории металлов, физики ядерных процессов, низкотемпературных явлений. Это один из наиболее фундаментальных объединяющих принципов физики, открывший путь к пониманию электронной структуры сложных атомов. Правда, принципом Паули определяется лишь возможность заполнения различных электронных оболочек, а для проверки фактического заполнения тех или иных состояний необходимы данные, полученные на основе оптических и рентгеновских спектров. Но в атомах вплоть до аргона с Z = 18 каждый дополнительный электрон просто добавляется в низшую из незаполненных подоболочек. Отступления от этого порядка наблюдаются у более сложных атомов, оболочки которых частично перекрываются. Квантовая механика объясняет это отступление тем, что в первую очередь заполняются состояния с самой низкой энергией.

Детальный анализ электронной структуры и распределения электронов с точки зрения квантовой механики и принципа Паули в более тяжелых атомах весьма сложен. Для состояния 1s (n = 1, l = 0) возможно только сферически симметричное распределение (причем наиболее вероятным оказывается положение электрона в центре атома). В состоянии 2p (n = 2, l = 1) момент импульса электрона уже не равен нулю, и поэтому масимум плотности находится на ненулевом расстоянии от ядра. Распределение электронной плотности зависит от квантового числа m_l в соответствии с требованием квантования компонент момента импульса вдоль направления магнитного поля.

Периодическая система элементов.

Число электронов, находящихся в оболочках нейтрального атома, равное числу протонов в его ядре, называется атомным номером элемента. Периодическая система элементов, предложенная в 1869 Д.И.Менделеевым (1834–1907) – это таблица, в которой элементы располагаются в порядке возрастания атомного номера и распределяются по периодам так, что атомы со сходными химическими свойствами попадают в одну и ту же группу. Например, группа, содержащая гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, составляет группу инертных газов; это атомы с заполненными электронными оболочками, а из заполненной оболочки почти так же трудно удалить электрон, как и добавить в нее лишний. Кроме того, эти газы – одноатомные, их молекулы представляют собой один атом (см. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ).

Химические свойства атомов в значительной степени определяются внешними электронами. Простой характер таблицы вплоть до аргона (атомный номер которого Z = 18) обусловлен тем, что при добавлении очередного электрона вплоть до Z = 18 последовательно заполняется низшая подоболочка. Значительное же усложнение таблицы после Z = 18 объясняется усложнением последовательности заполнения подоболочек. Для случая, когда имеется большое число электронов, точные решения уравнений квантовой механики получить не удается, и используются приближенные методы. Одно из приближений состоит в том, что атом с единственным электроном сверх заполненной оболочки, такой, как натрий, Z = 11, рассматривается как «одноэлектронный» атом. И действительно, упрощенная теория Бора (модифицированная с учетом значения n = 3 для состояния электрона) дает довольно точные значения для энергии уровней (но не для расщепления линий).

Дальнейшее исследование структуры атомов.

В настоящее время электронная структура атомов в принципе получила свое объяснение, хотя свойства многоэлектронных атомов удается рассчитать лишь приближенно. Квантовая механика объясняет все известные свойства отдельных атомов. Активно изучается взаимодействие атомов, особенно в твердых телах. Строению атомного ядра посвящена статья.

Строение атома

3. Строение атома     В результате открытия в 1911 г. Э. Резерфордом атомного ядра образовалась новая концепция строения материи: атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра, окруженного электронными оболочками. Положительный заряд атомного ядра определяет суммарное число электронов в атомных оболочках. В целом атом является электрически нейтральной системой.     Планетарная модель атома, созданная Резерфордом, встретила полное недоумение, так как она противоречила казавшимся тогда незыблемыми основам физики. Нужно было как-то объяснить, почему вращающиеся вокруг ядра электроны не излучают энергию и не падают на атомные ядра. Большое значение в развитии представлений о строении атома сыграла модель Н. Бора, которая представляла собой введение квантовых условий в модель Резерфорда, построенную на основе классических представлений. В 1913 г. Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты. Н. Бор, 1913 г.: «Квантовая теория строения атомов. 1. Среди мыслимых состояний движения атомной системы имеется ряд так называемых стационарных состояний, относительно которых предполагается, что движение частиц в этих состояниях, подчиняясь в значительном объеме классическим механическим законам, отличается, однако, своеобразной механически необъяснимой устойчивостью, в результате которой следует, что всякое остаточное изменение движения системы должно состоять в полном переходе из одного состояния в другое. 2. В самих стационарных состояниях, в противоречие с классической электромагнитной теорией, излучения не происходит, однако процесс перехода между двумя стационарными состояниями может сопровождаться электромагнитным излучением, обладающим теми же свойствами, как излучение, посылаемое на основании классической теории электрической частицей, совершающей гармонические колебания с постоянной частотой. Эта частота ν не находится, однако, в простом отношении к движению частиц атома и определяется условием hν = E’ – E» где h – постоянная Планка, E’ и E» – значение атомной энергии в двух стационарных состояниях, образующих начальное и конечное состоянии процесса излучения. Обратно, освещение атома электромагнитными волнами этой частоты может привести к процессу поглощения, переводящее атом из конечного состояния в начальное».     Электрон согласно модели Н. Бора в атоме водорода вращается вокруг ядра по классическим траекториям, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля nλ = 2πrn,   n = 1, 2, 3…      Разным разрешённым орбитам n соответствуют разные энергии электронов En  n = 1, 2, 3…     Радиус первой боровской орбиты атома водорода r1 ≈ 0. 53·10-8см. Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур. Э. Резерфорд, 1914 г.: «Из рассмотрения атомов водорода и гелия, где водород имеет один электрон, а гелий – два, очевидно, что число электронов не может быть всегда точно равно половине атомного веса. Это приводит к интересному предположению, которое высказал Ван-де-Брок, что число единиц заряда ядра, а, следовательно, число внешних электронов, должно быть равно номеру места, которое занимает элемент по порядку возрастания атомного веса. С этой точки зрения заряды ядер водорода, гелия и углерода должны быть соответственно равны 1, 2, 6 и т.д. для других элементов, если только мы не пропускаем каких-либо элементов. Эта точка зрения была принята Бором в его теории простых атомов и молекул». Электрический заряд атомного ядра в единицах электрического заряда (q = 1.6·10—19 Кл) определяет число электронов в атоме, определяет место химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева.  Размеры атома составляют несколько ангстрем (1 Å = 10–8 см).      Химические свойства атомов, способность атомов образовывать различные химические соединения – молекулы определяются внешней электронной оболочкой атома и зависят от числа электронов в ней. Э. Резерфорд впервые использовал ядерные реакции  под действием α‑частиц для изучения свойств атомного ядра. Следующим шагом в познании строения материи стало открытие в 1919 г. протона Э. Резерфордом и в 1932 г. нейтрона Дж. Чадвиком. Оказалось, что на уровне 10–12 см вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Число протонов в атомном ядре Z определяет заряд атомного ядра. Суммарное число протонов Z и нейтронов N определяет массовое число A атомного ядра  Z + N = A. Атомные ядра обладают магнитными моментами, которые измеряются в ядерных магнетонах где mp – масса протона.     Магнитные моменты атома измеряются в магнетонах Бора где me –  масса электрона. Магнитные момента атомов в тысячи раз больше магнитных моментов ядер. Таблица 1 Характеристики протона, нейтрона и электрона Характеристика Протон Нейтрон Электрон Масса mс2, МэВ 938.272 939.565 0.511 Электрический заряд (в единицах элементарного заряда) +1 0 -1 Спин J (в единицах ћ) 1/2 1/2 1/2 Чётность +1 +1 +1 Статистика Ферми-Дирака Магнитный момент (для нуклонов – в ядерных магнетонах, для электрона – в магнетонах Бора) +2. 79 –1.91 +1.001 Время жизни > 1032 лет 885.7±0.8 с > 4.6·1026 лет Тип распада стабилен n → p + e− + стабилен  Протон, нейтрон и электрон являются фермионами, имеют спин J = 1/2 и подчиняются принципу Паули. Нейтрон имеет массу на 1.3 МэВ больше, чем протон, поэтому в свободном состоянии он распадается на протон p, электрон e− и электронное антинейтрино

Урок 24. строение атома. опыты резерфорда — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок №24. Строение атома. Опыты Резерфорда

На уроке рассматриваются: понятия атомное ядро, опыты Резерфорда, планетарная модель строения атома; сравниваются модели атома Томсона и Резерфорда, даны некоторые сведения о фактах, подтверждающих сложное строение атома, о работах учёных по созданию модели строения атома.

Атомное ядро — тело малых размеров, в котором сконцентрирована почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Размеры ядра: диаметр порядка 10^-12—10^-13 см (у разных ядер диаметры различны).

Размер атома: примерно 10^-8 см, т. е. от 10 до 100 тысяч раз превышает размеры ядра.

Планетарная модель атома Резерфорда: в целом атом нейтрален, в центре атома расположено положительно заряжённое ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, электроны движутся по орбитам вокруг ядра, заряд ядра, как и число электронов в атоме, равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

Ядро атома водорода названо протоном и рассматривается как элементарная частица.

Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза больше массы электрона.

Частота излучений атома водорода составляет ряд серий: серия Бальмера, серия Лаймана, серия Пашена и другие, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энергетических состояний.

Обязательная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 279 – 283.
2. Степанова Г.Н. (сост.) Сборник задач по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений.5-е изд., доп. — М.: «Просвещение», 1999 — С. 221-222
3. Анциферов Л.И., Физика: электродинамика и квантовая физика. 11кл. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Мнемозина, 2001. – С. 270-274.
4. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 155 – 156.
5. Кикоин А. К. За пределы таблицы //Квант. — 1991. — № 1. — С. 38,39,42-44

Основное содержание урока

Долгое время, физика накапливала факты о свойстве вещества для полного представления о строении атома. И только в XIX веке изучение атомического строения вещества существенно сдвинулось с точки покоя.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

Важным свидетельством сложной структуры атомов явились исследования спектров, излучаемые веществом, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века в излучении атома водорода были открыты спектральные линии в видимой части спектра.

Идеи электронной структуры атома теоретически и гипотетически формулировались учёными. В 1896 году Хендрик Лоренц создал электронную теорию о том, что электроны являются частью атома. Эту гипотезу в 1897 году подтвердили эксперименты Джозефа Джона Томсона. Им был сформулирован вывод о том, что существуют частицы с наименьшим отрицательным зарядом — электроны и они являются частью атомов.

По мысли Томсона, положительный заряд занимает весь объём атома и распределён он в этом сферическом объёме равномерно. У более сложных атомов в положительно заряжённом шаре есть несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюма играют электроны. Распространённый термин этой модели — «Пудинг с изюмом» или «Булочка с изюмом».

Таким образом, к началу XX века учёные сделали вывод о том, что атомы материи имеют сложную внутреннюю структуру. Они являются электрически нейтральными системами, а носителями отрицательного заряда атомов являются лёгкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Однако модель атома Томсона находилась в полном противоречии с экспериментами по изучению распределения положительных зарядов.

Электрон – наименьшая электроотрицательная заряжённая элементарная частица

Масса покоя электрона m_e = 9,1·10^-31кг;

— отношение заряда электрона к его массе.

Немецкий физик Филипп фон Ленард в 1903 году проводил опыты, в которых пучок быстрых электронов легко проходил через тонкую металлическую фольгу. На основании этого Ленард предположил, что атом состоит из нейтральных частиц или нейтральных дуплетов с совмещённым положительным и отрицательным зарядами, рассредоточенными в атоме, где большая площадь представляет собой пустоту.

В 1904 году японский физик Хентаро Нагаока выдвинул гипотезу о том, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного кольцами из большого числа электронов, колебания которых и являются причиной испускания атомных спектров, по аналогии с теорией устойчивости колец Сатурна.

Но в физике уже более 200 лет существует главное правило: окончательный выбор между гипотезами может быть сделан только на основе опыта. Эксперименты, проведенные в первый раз Эрнестом Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании структуры атома.

30.08.1871 г. – 19.10.1937 г.

Эрнест Резерфорд

Британский физик новозеландского происхождения

Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года

Для экспериментального изучения распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд в 1906 г. предложил применить зондирование атома α-частицами, скорость которых составляет 1/15 скорости света.

Эти частицы возникают при распаде, например, радия и некоторых других радиоактивных элементов. Сами же α-частицы – это ионизированные атомы гелия, положительный заряд гелия в два раза больше заряда электрона ₊₂He. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжёлых элементов (золото, медь и др.). Если бы электроны были равномерно распределены по всему объёму атома (по модели атома Томсона), электроны не могли бы заметно изменять траекторию α –частиц, так как размеры и масса электронов в 8000 раз меньше массы α-частиц. Точно так же камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может изменить его скорость.

Изменение направления движения α-частиц может вызвать только массивная часть атома, при этом положительно заряжённая. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух. Радиоактивный препарат, помещался внутри свинцового цилиндра, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу из тяжёлого металла. После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать в микроскоп.

Чтобы обнаружить отклонение α-частиц на большие углы Резерфорд окружил фольгу экранами. Сотрудники Резерфорда вели счёт α-частиц, попадающих в регистрирующее устройство при отклонении их на от первоначального направления на определённый угол φ (фи). Данные из серии опытов, за определённый период времени, приведены в таблице:

Отсюда можно сделать вывод: такое поведение α-частиц возможно только в том случае, если они упруго взаимодействуют с массивным положительно заряжённым телом малых по сравнению с атомом размеров.

Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием α-частиц, он сам не верил в положительный результат. Он сравнил такой эффект с 15-дюймовым снарядом, как если бы его выстрелили в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы и нанёс обратный удар.

Резерфорд понял, что α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра.

Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10^-12—10^-13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10^-8 см, то есть от 10 до 100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра.

Планетарная модель атома Резерфорда: в целом атом нейтрален, в центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равны порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Электроны движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца.

Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

Закон Кулона:

q_α — заряд α-частицы;

q — положительный заряд атома;

r — его радиус;

— коэффициент пропорциональности.

Ядро атома водорода имеет положительный заряд, который по модулю равен заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза больше массы электрона.

Размер атома водорода — это радиус орбиты его электрона

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию α-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением. Ускоренно движущийся заряд должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Атом должен прекратить свое существование. В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны

В начале XX века было уже известно, что вещество излучает свет конкретных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах — спектральных линиях, все линии имеют конечную длину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном состоянии). Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода.

Швейцарский физик и математикИоганн Якоб Бальмер определил, что в видимой части спектра атома водорода имеются четыре линии, соответствующие длинам волн: λ₁ = 434 нм; λ₂ = 486 нм; λ₃ = 410 нм; λ₄ = 656 нм

Частота излучений атома водорода составляет ряд серий, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энергетических состояний, переходов электрона с верхних энергетических уровней на нижние уровни.

На рисунке можно увидеть переходы электрона на другой энергетический уровень, частоты излучения которого находятся в видимой области спектра.

Серию уровней назвали в честь швейцарского учителя Иоганна Бальмера, который ещё в 1885 году основываясь на результатах экспериментов вывел формулу для определения частот видимой части спектра водорода:

где Z – число протонов в атоме или порядковый номер в периодической таблице Менделеева;

n и m (целое число – 1, 2, 3, 4, 5, и так далее) — энергетические уровни, где m > n.

В этой формуле v — не частота, которая измеряется в с^-1, а волновое число, которое равно обратному значению длины волны 1/λ и которое измеряется в м^-1.

R — это постоянная Ридберга (для данного вещества), которая определена из спектральных данных, учитывая, что скорость распространения видимого излучения составляет:

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы. Все выводы об устойчивости атома и спектре, которые излучает атом будут подтверждены Нильсом Бором в 1913 году.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока.

1. Формула Бальмера – Ридберга для водорода приводится в виде:

Коэффициент R_H носит название постоянной Ридберга для водорода и его можно вычислить из данной формулы. Полученный результат равен _______·10⁷ м^-1, если известно, что при переходе атома водорода из четвёртого энергетического состояния во второе происходит излучение с длиной волны 486,13 нм.

Дано:

m = 4

n = 2

R_H — ?

Решение:

Постоянная Ридберга для водорода:

Выведем постоянную Ридберга R_H из формулы Бальмера – Ридберга:

Подставим известные значения в формулу:

Ответ:

2. Рассчитайте на какое наименьшее расстояние α-частица может приблизиться к ядру атома золота, двигаясь по прямой, проходящей через центр ядра. Масса α-частицы, её заряд, скорость движения и заряд ядра золота приведены в таблице:

По закону сохранения энергии максимальная кинетическая энергия α-частицы будет равна максимальной потенциальной энергии взаимодействия частицы с ядром атома золота:

Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия зарядов.

Для определения наименьшего расстояния между α-частицей и ядра атома золота используем формулу взаимодействия заряжённых частиц — закон Кулона:

— коэффициент пропорциональности.

Чтобы определить силу взаимодействия зарядов на кратчайшем расстоянии, запишем II закон Ньютона, устанавливающий зависимость силы от ускорения, для движения тела движущегося по окружности с центростремительным ускорением:

Приравняем выражения для силы взаимодействия двух точечных зарядов:

Отсюда выразим расстояние сближения двух зарядов, считая его радиусом от центра ядра золота до точки сближения с α-частицей:

Подставим числовые значения в полученную формулу:

Ответ:

3.

2.1. Строение атома — Энергетика: история, настоящее и будущее

3.2.1. Строение атома

Все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы — это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства. Молекула состоит из одинаковых (в простом веществе) или разных (в химическом соединении) атомов, объединенных химическими связями.

Атом – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. Все атомы химических элементов имеют одинаковую структуру. Их линейный размер в диаметре составляет примерно 10^-10м. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов, которые размещены на электронных орбитах атома.

Электроны в атоме сгруппированы по оболочкам (слоям), которые принято обозначать буквами К, L, М, N, O, P, Q. Строение электронных оболочек подчинено строгому физическому закону – «в одном атоме не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же энергетическом состоянии». Это состояние определяется тремя параметрами: энергией связи электрона в атоме, характером его вращения вокруг ядра (орбитальным моментом) и вращения вокруг собственной оси (спином). Каждая электронная орбита соответствует вполне конкретному значению энергии связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме. Электроны, получившие дополнительную энергию, могут переходить на орбиту, более удаленную от ядра, или вообще покидать пределы атома. Состояние атома, в котором электроны перешли со свойственной им оболочки на более удаленную от ядра орбиту, является, как правило, неустойчивым. Время его нахождения в таком возбужденном состоянии не превышает 10^-8с. При переходе электрона с удаленной на более близкую к ядру орбиту выделяется энергия.

Ядро – центральная часть атома, состоящая из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обмена квантами так называемого «сильного» взаимодействия. Размеры ядра примерно в 10–100 тысяч раз меньше линейных размеров атома (диаметр ядра порядка 10^-14м). Несмотря на относительно малые размеры ядра, в нем сосредоточена практически вся масса атома, что обусловливает очень высокую плотность ядерного вещества. Масса ядра несколько ниже суммы масс составляющих его протонов и нейтронов в свободном состоянии. Эта разница называется «дефектом массы».

Ядро элемента X принято обозначать как илиX7A, где Z – заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра;A– массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.

Протон – элементарная частица, носящая единичный положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Он является ядром атома простейшего водорода.

Нейтрон – незаряженная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу протона. В свободном состоянии нейтрон – неустойчивая частица и претерпевает превращения. Большая проникающая способность нейтронов объясняется тем, что эти частицы не заряжены. Они свободно пролетают сквозь атомы, не взаимодействуя с их электронами и не задерживаясь в своем движении, если только не сталкиваются с ядрами.

Протон и нейтрон обозначаются соответственно и, где нижние индексы обозначают заряд, а верхние – массу в атомных единицах массы (а. е. м.), которая округляется до единицы. В качестве а. е. м. принята 1/12 часть массы атома углерода. Масса протона и нейтрона в 1840 раз больше массы электрона. Для протонов и нейтронов существует общее название нуклоны. Положительный заряд ядра определяется количеством протонов в нем. Атом любого химического элемента характеризуется двумя главными параметрами: массовым числом и атомным номером элемента в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Массовое число А– суммарное число протонов и нейтронов в ядре данного атома. Атомный номер Z–число протонов, входящих в состав ядра. Исходя из этих определений, число нейтронов в ядре равно N=A–Z.

Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами. В качестве примера можно привести природный уран, который имеет три изотопа:В настоящее время известно около 1500 изотопов. Одни из них устойчивые (стабильные), другие – неустойчивые, радиоактивные.

Заряд и массовое число являются основными характеристиками атомных ядер. Разновидности атомов, характеризующиеся определенным массовым числом и атомным номером, называют нуклидами и обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например:В периодической системе элементы расположены строго последовательно в порядке возрастания заряда ядер их атомов. При этом свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. В каждом периоде системы химических элементов Д.И. Менделеева идет построение нового электронного слоя, а в больших периодах также достройка внутренних слоев. Поэтому число электронных слоев в атоме обычно равно номеру периода, в котором находится соответствующий элемент.

При нормальном состоянии атома количество его электронов, движущихся вокруг ядра, соответствует количеству протонов в ядре, что приводит к нейтрализации суммарных отрицательных зарядов электронов и положительного заряда ядра. В этом состоянии атом является электрически нейтральной системой.

Устойчивость атомных ядер обусловлена ядерными силами притяжения, удерживающими нуклоны в ядре. Особенность их заключается в том, что они достаточно велики на расстояниях, сопоставимых с размерами ядра (в 2–3 раза превосходят силы отталкивания Кулона, действующие между заряженными частицами, входящими в состав ядра). Эта особенность ядерных сил обусловлена энергией связи, которая составляет несколько миллионов электрон-вольт, что от нескольких сотен до нескольких тысяч раз превышает энергию связи электрона в атоме. При этом важно подчеркнуть, что устойчивость ядер атомов обеспечивается лишь при вполне определенных соотношениях протонов и нейтронов. Для легких ядер их число почти одинаково, для тяжелых – доля нейтронов возрастает. Ядра атомов, которые находятся в конце таблицы Менделеева (с атомным номером Z>82), как правило, неустойчивы. При увеличении суммарного числа нуклонов уменьшается сила ядерных притяжений и эффект кулоновских сил отталкивания начинает превалировать. В таких атомах силы ядерных притяжений уже не хватает для обеспечения полной устойчивости ядер, что приводит к процессам их внутренней перестройки (самопроизвольным превращениям), сопровождающимся выделением энергии. Таким образом, у химических элементов с атомным номером (зарядом ядра) Z<83 существуют как стабильные, так и радиоактивные изотопы. У элементов с атомным номером Z>84 имеются лишь радиоактивные изотопы. Такие изотопы называют радионуклидами.

Процесс спонтанного перехода атомного ядра в другое ядро или ядра с испусканием при этом различных частиц называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью.
 

Строение атома. Модель томпсона. Опыты Резерфорда. Планетарная модель

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: планетарная модель атома.

Атомы каждого химического элемента имеют строго индивидуальный линейчатый спектр, присущий только данному элементу и не меняющийся от опыта к опыту. Как это можно объяснить? Как вывести формулу, дающую весь набор частот атомного спектра? Чтобы сделать это, нужно узнать, как устроен атом.

Модель Томсона

Первую модель строения атома придумал английский физик Джозеф Джон Томсон (удостоенный Нобелевской премии за открытие электрона). В конечном счёте она оказалась неверной, но сыграла важную роль, будучи стимулом последующих экспериментальных исследований Резерфорда. Физики называли модель Томсона «пудинг с изюмом».

Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 1).

Рис. 1. Модель атома Томсона

Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны). Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона. Например, для некоторых химических элементов были подобраны формулы, хорошо описывающие их спектры, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали.

Опыты Резерфорда

Верна ли модель Томсона? Как в действительности распределены положительные и отрицательные заряды внутри атома? Чтобы ответить на эти вопросы, нужен был эксперимент, позволяющий проникнуть внутрь атома. Ученик Томсона, знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд предложил с этой целью бомбардировать атом высокоэнергетичными ?-частицами и смотреть, как они будут отклоняться положительным зарядом атома.
Что такое -частицы? Потоки этих частиц — так называемые «альфа-лучи» — были обнаружены при радиоактивном распаде некоторых элементов (например, радия). В результате тщательных исследований, проведённых опять-таки Резерфордом, было установлено, что каждая -частица имеет положительный заряд, равный по модулю удвоенному заряду электрона, и массу, превышающую массу электрона примерно в раз. То есть, -частица оказалась полностью ионизованным (лишённым электронов) атомом гелия.

Резерфорд говорил об -частицах как об ионах гелия; сейчас мы знаем, что это ядра гелия.

Но в те времена об атомных ядрах ещё ничего не знали — о них Резерфорду лишь предстояло догадаться, глядя на результаты своих знаменитых опытов!

Энергия -частиц очень велика — достаточно сказать, что скорость их вылета из радиоактивного образца составляет примерно скорости света. Поэтому интересно было выяснить, на какие углы будут отклоняться столь мощные «снаряды» при рассеянии на отдельных атомах, а точнее — на их положительных зарядах.

Пучок -частиц направлялся на тончайшую золотую фольгу. Как гласит история, Резерфорд не сомневался в том, что углы отклонения должны быть весьма малы: имея столь огромную энергию, -частицы должны проходить сквозь фольгу как нож сквозь масло. Только «для очистки совести», на всякий случай, он попросил учеников посмотреть, не возникает ли рассеяния -частиц на большие углы.

Каково же было всеобщее удивление, когда такие частицы обнаружились! Да, как и следовало ожидать, подавляющая доля -частиц отклонялась несущественно. Но совсем небольшая их часть (примерно одна частица из нескольких тысяч) отклонялась на угол, больший (рис. 2).

Рис. 2. Рассеяние -частиц на атомах

Эти отклонения казались совершенно невероятными. По словам Резерфорда, дело выглядело так, словно артиллерийский снаряд налетел на кусок бумаги и от удара повернул назад.

А «бумагой» в образном сравнении Резерфорда служил атом, устроенный согласно модели Томсона. Действительно, допустим, что положительный заряд атома «размазан» по всему атому, то есть шару радиусом см. Этот положительный заряд создаёт электрическое поле, тормозящее и отклоняющее -частицы. Вблизи атома потенциал данного поля:

Расчёты, однако, показывают, что такое поле оказывается слишком слабым — его тормозящего действия никак не хватит для того, чтобы остановить -частицу и отбросить её назад!

Таким образом, наличие -частиц, отброшенных фольгой, опровергло модель Томсона. Что же было предложено взамен?

Планетарная модель атома

Чтобы отбросить -частицу, положительный заряд атома должен создавать куда более сильное электрическое поле, чем то, которое получается в модели Томсона. А чтобы создать такое поле, положительный заряд должен быть сосредоточен в области, гораздо меньшей размера атома.

Размер этой области можно вычислить. Если положительный заряд занимает область размером , то вблизи заряда создаётся электрическое поле с потенциалом

Зная кинетическую энергию -частицы, можно найти величину тормозящего потенциала , а затем и размер положительно заряженной области. Вычисления, проведённые Резерфордом, дали следующий результат:

см.

Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 3).

Рис. 3. Планетарная модель атома

В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, словно планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему.

Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион.

Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома.

Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню ( м). Тогда ядро окажется горошиной размером мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине!

Вот таким удивительным объектом оказался атом. Однако планетарная модель атома, объяснив результаты опытов Резерфорда по рассеянию -частиц, оказалась лишь первым шагом на пути к пониманию внутриатомных процессов. А именно, планетарная модель приводила к одному серьёзному противоречию, и преодоление этого противоречия Нильсом Бором положило начало физике атома. Читаем следующий листок!

Главная — Устройство атома -это просто!

В Периодической системе (Таблице) Д. И. Менделеева содержится закон формирования атомов всех химических элементов но не планетарных  (как некогда придумали физики), а полярных (каким атом на самом деле является).

Aтомные ядра формируются дейтронами (ядрами дейтерия, состоящими из протона и нейтрона). Исключение – атом водорода (Н). Порядковый номер элемента указывает сколько дейтронов содержится в его атомном ядре.

На Сайте, начиная с элементов 1 периода и заканчивая элементами 7 периода, можно увидеть, как дейтроны (путем надстройки s-, p-, d-, f-ветвей) формируют атомные  ядра с двумя положительными полюсами, где и сосредоточены электроны. 

Как только ядро атома какого-либо элемента пополняется дейтроном, возникает новый элемент.  Если же к атомному ядру присоединятся дополнительные нейтроны, то возникают изотопы этого элемента. Сколько бы ни было у элемента изотопов у них у всех одинаковое число дейтронов в ядре (подробно см. «Атом – конструкция уникальная»).

В полярной модели атома идеально совмещены законы симметрии, являющейся основой стабильности атома, и асимметрии, являющейся залогом прогресса атома (превращения его в более сложную структуру).

Разумеется, полярная модель атома будет принята не сразу. Ведь устоявшиеся стереотипы невозможно изменить в одночасье. Приведем в связи с этим слова Эрнста Резерфорда: «При своем появлении научная истина проходит три стадии понимания. Сперва говорят, что это абсурдно, затем – в этом что-то есть. Наконец – это давно известно».

Александр Селас

Ученые создают одноатомные устройства для суперзарядки компьютеров

Недавно обнаруженный нано-хамелеон ( Brookesia nana ) — последний претендент на звание самой маленькой рептилии в мире и позвоночное животное-амниот . Самцы этого миниатюрного вида спорта, обитающие в горном районе на севере Мадагаскара . размер тела 13,5 мм, то есть можно удобно стоять на кончике пальца.

Его крошечный соперник — Джарагуанский карликовый геккон ( Sphaerodactylus ariasae ).Эти карманные гекконы — часто изображаются целовались < / a> чеканные портреты президентов прошлых лет — 16 мм от носа до хвоста. Они были обнаружены в 2001 году на Исла-Беата, небольшом лесном острове Карибского бассейна к югу от Доминиканской Республики.

Однако титул самого маленького в мире трудно присвоить из-за полового диморфизма размеров.Как отметил в своем блоге доктор Марк Шерц, герпетолог и биолог-эволюционист, самки нано-хамелеонов значительно крупнее своих собратьев-самцов или самок карликовых гекконов Джарагуа. «В результате, будет ли новый вид считаться самым маленьким амниотом в мире, зависит от того, определяем ли мы это, исходя из размера тела мужчины или женщины или среднего из двух. Оказывается, это довольно распространенная проблема. у других видов с диморфизмом размера, таких как лягушки, « Scherz пишет .

Помимо своего креветочного роста, эти и другие миниатюрные виды имеют еще одну общую черту: они живут на островах. Этот факт может объяснить, почему эволюция подтолкнула их к сокращению в мире, полном гигантской конкуренции.

Больше не всегда лучше

Новозеландский пятнистый киви превратился в маленького размера, чтобы заполнить экологическую нишу. До появления людей в экосистеме острова не было наземных млекопитающих, которые могли бы охотиться на этих нелетающих птиц.

Кредит: Wikimedia Commons

Из-за своей географической изоляции острова могут иметь сильное влияние на эволюцию их обитаемых видов. Массивный дракон Комодо бродит по своему одноименному острову. Змея Барбадоса достаточно тонкая, чтобы проскользнуть через соломинку.И летопись окаменелостей рассказывает историю необычных размеров и украшенных существ, которые обосновались вдали от материка, таких как гоплитомерикс из фауны микротий. Одной из гипотез эволюционных экспериментов на островах является «правило острова». Правило гласит, что после обоснования на острове более мелкие виды будут иметь тенденцию развиваться в негабаритные версии своих материковых предков. Между тем, более крупные виды будут иметь тенденцию эволюционировать в более мелкие разновидности. Эти процессы известны как островной гигантизм и островная карликовость соответственно.Они делают это, чтобы заполнить доступные им экологические ниши, которые часто отличаются от тех, которые они заполняли на материке. Правило было впервые сформулировано эволюционным биологом Ли Ван Валеном и основано на исследовании 1964 года, проведенном маммологом Дж. Бристолом Фостером. это также известно как правило Фостера. С тех пор многие наблюдательные исследования подтвердили правило островов, и есть даже свидетельства того, что новые виды, завезенные на острова, какое-то время будут эволюционировать быстрее, чтобы заполнить имеющиеся ниши.Например, стая перелетных птиц может обнаружить, что отсутствие на острове хищников из числа млекопитающих и рептилий открывает для них нишу наземного обитания, когда-то запрещенную для них. Тогда такие птицы смогут свободно расти, кормиться под навесом и терять способность летать. Это, по-видимому, и является историей происхождения нелетающих птиц Новой Зеландии, включая гигантского моа, который при росте шесть футов является самым высоким птица на учете. Эта мегафауна пользовалась всеми преимуществами того, что она была большой и ответственной: меньше хищников, более широкие ареалы, доступ к большему количеству и разнообразной пище и способность лучше пережить тяжелые времена.Виды наслаждались островной жизнью примерно до 600 лет назад, когда люди прибыли на место происшествия и преследовали их до исчезновения. И наоборот, крупные виды могут посчитать жизнь на острове ограниченной, поскольку там меньше места или еды по сравнению с их питомниками на материке. Из-за этого эволюция может выбрать меньшие размеры тела, поскольку таким телам требуется меньше энергии и, следовательно, меньше ресурсов для выживания и воспроизводства. Это теория миниатюризации карликовых мамонтов Нормандских островов. Как гласит история, в поисках пищи стадо колумбийских мамонтов отправилось в путешествие на суперостров Сантаароазе.Со временем остров оказался отрезанным от материка. Еды стало не хватать, и мамонтам было легче выживать и размножаться, передавая тем самым свои гены Шринки-Динка. Из-за отсутствия крупных хищников такая эволюция оказалась плодотворной, и менее чем за 20 000 лет гигантские колумбийские мамонты превратились в новый вид — карликовых мамонтов (относительно) размером с пинту и ростом 6,5 футов. Правило острова не гласит, что любые виды, выбрасываемые на берег, должны уходить либо в лилипуты, либо в бробдингнаги. В нем только говорится, что если экологическая ниша станет доступной и улучшит выживание и репродуктивный успех, то такое изменение вероятно.

Благодаря тому острову жизни?

Такой ограниченный рост может быть причиной эволюции бантамного карликового геккона Джарагуа. геккон ест крошечных насекомых и может заполнить нишу, недоступную на североамериканском континенте, с его множеством насекомоядных. Фактически, правило островов может объяснить, почему острова так богаты эндемичными видами, особенно Карибский бассейн, который считается точка биоразнообразия .

Конечно, научные правила носят временный характер, и ученые готовы пересмотреть или полностью игнорировать гипотезу, если появятся новые доказательства. В такой новой области, как биогеография, вопрос о том, действительно ли островное правило является «правилом», остается открытым и горячо обсуждаемым вопросом.

Один систематический обзор обнаружил, что эмпирическая поддержка правила острова невысока, в то время как другой анализ утверждает, что правило — это просто распознавание« нескольких паттернов, специфичных для клады ». Авторы последнего делают вывод, что «Вместо правила, эволюция размеров островов, скорее всего, будет определяться биотическими и абиотическими характеристиками различных островов, биологией рассматриваемого вида и случайностью».

Это возвращает нас назад. к недавно обнаруженному нано-хамелеону.Хотя он, кажется, следует правилу островов — Мадагаскар является островом, известным своим богатым биоразнообразием, — есть морщинка.Ближайший родственник вида живет по соседству. Brookesia karchei почти вдвое больше нано-хамелеона, но обитает в тех же горах на материковой части Мадагаскара.

Если нано-хамелеон эволюционировал, чтобы заполнить экологическую нишу, почему те же самые факторы воздействия окружающей среды не уменьшили в миниатюре хамелеона кархей? Если не правило острова, что привело к уменьшению размера нано-хамелеона? Как это часто бывает в науке, однажды на эти вопросы могут ответить дополнительные доказательства.

Устройство Atom | Дискография | Дискоги

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или уточнить у системного администратора.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файлах cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Создан самый маленький в мире блок атомной памяти — ScienceDaily

Более быстрые, компактные, умные и более энергоэффективные микросхемы для всего, от бытовой электроники до больших данных и интеллектуальных вычислений, вскоре могут появиться после инженеров из Техасского университета в Остине создали самое маленькое запоминающее устройство.И в процессе они выяснили физическую динамику, которая открывает возможности плотного хранения памяти для этих крошечных устройств.

Исследование, опубликованное недавно в журнале Nature Nanotechnology , основано на открытии двухлетней давности, когда исследователи создали самое тонкое запоминающее устройство на тот момент. В этой новой работе исследователи еще больше уменьшили размер, уменьшив площадь поперечного сечения до одного квадратного нанометра.

Разобравшись с физикой, которая обеспечивает возможность хранения плотной памяти в этих устройствах, мы смогли сделать их намного меньше.Дефекты или дыры в материале являются ключом к разблокированию возможности хранения в памяти высокой плотности.

«Когда еще один атом металла входит в эту наноразмерную дыру и заполняет ее, он передает материалу часть своей проводимости, и это приводит к изменению или эффекту памяти», — сказал Деджи Акинванде, профессор кафедры электротехники и компьютеров. Инженерное дело.

Хотя они использовали дисульфид молибдена, также известный как MoS2, в качестве основного наноматериала в своем исследовании, исследователи полагают, что это открытие можно применить к сотням связанных атомарно тонких материалов.

Гонка за меньшими чипами и компонентами — это мощность и удобство. С меньшими процессорами вы можете делать более компактные компьютеры и телефоны. Но уменьшение размеров микросхем также снижает их энергопотребление и увеличивает емкость, что означает более быстрые и умные устройства, которые потребляют меньше энергии для работы.

«Результаты, полученные в этой работе, открывают путь для разработки приложений будущего поколения, представляющих интерес для Министерства обороны, таких как сверхплотное хранилище, нейроморфные вычислительные системы, системы радиочастотной связи и многое другое», — сказал Пани Варанаси. программный менеджер для U.S. Army Research Office, профинансировавший исследование.

Первоначальное устройство, получившее название «атомристор» исследовательской группой, было в то время самым тонким запоминающим устройством, когда-либо зарегистрированным, с одним атомным слоем толщиной. Но уменьшение размера запоминающего устройства означает не только его тонкость, но и меньшую площадь поперечного сечения.

«Священный Грааль науки для масштабирования снижается до уровня, когда один атом управляет функцией памяти, и это то, что мы достигли в новом исследовании», — сказал Акинванде.

Устройство

Акинванде относится к категории мемристоров, популярной области исследования памяти, сосредоточенной вокруг электрических компонентов с возможностью изменять сопротивление между двумя его выводами без необходимости в третьем выводе посередине, известном как затвор. Это означает, что они могут быть меньше современных устройств памяти и иметь большую емкость.

Эта версия мемристора, разработанная с использованием передового оборудования в Окриджской национальной лаборатории, обещает производительность около 25 терабит на квадратный сантиметр.Это в 100 раз более высокая плотность памяти на слой по сравнению с имеющимися в продаже устройствами флэш-памяти.

История Источник:

Материалы предоставлены Техасским университетом в Остине . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

MicroAI Atom | ONE Tech

Расширенная платформа AI / ML для

Smart Asset & Machine Optimization

Оптимизируйте производительность и окупаемость ваших критически важных устройств и машин с помощью передовой технологии AI / ML

Улучшить OEE

Используйте прогнозную аналитику для повышения общей эффективности оборудования, снижения затрат на обслуживание и предотвращения дорогостоящих простоев.

Защитить

Защитите свои критически важные активы от кибератак с помощью непрерывного мониторинга всех данных об активах и связанных рабочих процессов — подход к обеспечению безопасности активов на основе ИИ.

Evolve

Технология искусственного интеллекта / машинного обучения, которая обеспечивает обучение без учителя — ваши интеллектуальные активы постоянно развиваются в процессе самообучения и самокоррекции.

Оптимизировать

MicroAI ™ Atom достаточно компактен, чтобы работать на любых микроконтроллерах, предлагая передовые технологии искусственного интеллекта там, где они нужны.

MicroAI ™ Atom представляет новый подход к интеллектуальному управлению активами.

Новая технология, обеспечивающая:

• Гибкость и масштабируемость Развертывание на одном активе (MCU) или масштабирование в рамках всей экосистемы активов
• Скорость и гибкость Данные, обрабатываемые локально, а не в облаке, обеспечивают быструю выборку данных в реальном времени
• Безопасность Видимость состояния активов в реальном времени и самообучение, что позволяет быстро реагировать на угрозы
• Стоимость Обучение модели актива происходит непосредственно на MCU актива — нет необходимости в новом дорогостоящем оборудовании

Какую пользу MicroAI ™ Atom

дает вашей работе?

Посмотрите наше видео, чтобы понять проблемы Индустрии 4. 0, производители, владельцы машин и разработчики по всему миру, ищущие ответ, чтобы оптимизировать и максимизировать производительность машин с точки зрения затрат, долговечности и безопасности.

Посмотреть видео

Посмотрите, как работает MicroAI

^TM Atom

Прототип развертывания

Atom можно развернуть как единое целое на одном устройстве.Экономичная аналитика в режиме реального времени на минимальных размерах. Преимущества включают:

MicroAI ^TM Атом

Особенности, меняющие правила игры:

• Датчик Fusion
• Обнаружение аномалий
• Оповещения в реальном времени
• Пограничные вычисления
• Гарантия соответствия
• Профилактическое обслуживание
• Управление жизненным циклом
• Аналитика
• Управление устройствами
• Удаленный мониторинг

ПОДРОБНЕЕ

MicroAI

^TM Atom
Запуск SDK

Ориентированный на разработчиков подход к обучению ИИ устройств и машин Интернета вещей.Разработчики смогут без лишних затрат встраивать ИИ в один актив Интернета вещей или в несколько отдельных активов. Atom может обучать модели ИИ на любом MCU Cortex M класса.

Загрузить MicroAI ™ Atom

Edge AI — повышение производительности

при развертывании Интернета вещей

«Промышленный Интернет вещей (IIoT), Индустрия 4.0 и решения на базе искусственного интеллекта больше не являются« футуристическими »идеями».

Загрузите нашу бесплатную информационную брошюру по

MicroAI ^TM Atom

Atom

ONE Tech объединяет интеллектуальные средства инфраструктуры в единое оборудование или устройство.

Готовы встроить MicroAI ^TM в свое устройство? Посмотрите, как здесь.

В наших таблицах продуктов содержатся аналитические данные для приложений ИИ корпоративного масштаба.

AUSTIN RACING A • T • O • M УСТРОЙСТВО НАСТРОЙКИ ВСЕ МОДЕЛИ

ВЫБЕРИТЕ УСТРОЙСТВО НАСТРОЙКИ:

KTM 1290 SUPERDUKE 2015 — 2016 A • T • O • M (AKRA MAP УЖЕ УСТАНОВЛЕНА)

KTM 1290 SUPERDUKE 2015 — 2016 A • T • O • M

KTM 1290 SUPERDUKE 2017 — 2019 A • T • O • M (ВКЛЮЧАЕТ УСТРОЙСТВО СЕРВОУСТРОЙСТВА)

KTM 1290 SUPERDUKE 2017 — 2019 A • T • O • M (AKRA MAP УЖЕ УСТАНОВЛЕНА)

KTM 790 DUKE SLIP-ON A • T • O • M (ВКЛЮЧАЕТ МОДИФИКАЦИЮ AIRBOX)

KTM 790 DUKE DE-CAT A • T • O • M (ВКЛЮЧАЕТ МОДИФИКАЦИЮ БЛОКА БЕЗОПАСНОСТИ)

KTM 890 DUKE SLIP-ON A • T • O • M (ВКЛЮЧАЕТ МОДИФИКАЦИЮ AIRBOX)

KTM 890 DUKE DE-CAT A • T • O • M (ВКЛЮЧАЕТ МОДИФИКАЦИЮ ВОЗДУШНОЙ КОРОБКИ)

KTM 390 2017 ВСТРЕЧАЕТСЯ DE-CAT A • T • O • M

Класс устройств нейтральный атом | Cirq | Google Quantum AI

Это руководство представляет собой введение в создание схем, совместимых с устройствами с нейтральным атомом.

Устройства с нейтральным атомом реализуют квантовые вентили одним из двух способов. Один из методов заключается в воздействии микроволн на весь массив кубитов для одновременного воздействия на каждый кубит. Этот метод реализует глобальные вентили $ XY $, выполнение которых занимает до 100 $ микросекунд. В качестве альтернативы мы можем направить лазерный свет на некоторую часть массива. На срабатывание ворот этого типа обычно требуется около 1 $ микросекунды. Этот метод может воздействовать на один или несколько кубитов одновременно до некоторого предела, продиктованного доступной мощностью лазера и системой управления лучом, используемой для адресации кубитов.Каждая категория в собственном наборе гейтов имеет свой собственный лимит, который обсуждается ниже.

  попробуйте:
    импортный цикл
кроме ImportError:
    print ("установка схемы ...")
    ! pip install cirq --quiet
    print ("установленная схема")
  

  из math import pi

импортный цикл
  

Определение

NeutralAtomDevice

Чтобы определить NeutralAtomDevice , мы указываем

• Набор кубитов в устройстве.
• Максимальная продолжительность гейтов и измерений.
• max_parallel_z : Максимальное количество вращений $ Z $ одного кубита, которые могут применяться параллельно.
• max_parallel_xy : Максимальное количество вращений $ XY $ одного кубита, которые могут применяться параллельно.
• max_parallel_c : Максимальное количество атомов, на которые могут воздействовать управляемые ворота одновременно.
  • Обратите внимание, что max_parallel_c должно быть меньше или равно минимуму max_parallel_z и max_parallel_xy .
• control_radius : Максимально допустимое расстояние между атомами, на которое действуют управляемые ворота.

Ниже показан пример определения NeutralAtomDevice .

  "" "Определение NeutralAtomDevice." ""
# Определите миллисекунды и микросекунды для удобства.
мс = длительность цикла (нанос = 10 ** 6)
us = длительность цикла (нанос = 10 ** 3)

# Создать NeutralAtomDevice
нейтральный_атом_device = cirq.NeutralAtomDevice (
    кубиты = cirq.GridQubit.прямоугольник (2, 3),
    Measure_duration = 5 * мс,
    gate_duration = 100 * нас,
    max_parallel_z = 3,
    max_parallel_xy = 3,
    max_parallel_c = 3,
    control_radius = 2
)
  

Обратите внимание, что все приведенные выше аргументы требуются для создания экземпляра NeutralAtomDevice . Приведенный выше пример устройства имеет следующие свойства:

• Устройство определяется на сетке кубитов размером $ 3 \ times 3 $.
• Измерения занимают 5 миллисекунд.
• Gates может занять до 100 $ микросекунд, если мы будем использовать глобальные микроволновые ворота.В противном случае более разумной границей было бы 1 микросекунду.
• Максимум $ 3 $ кубитов может одновременно обрабатываться любой категорией вентилей ( max_parallel_c = 3 ).
• Управляемые шлюзы имеют возможность подключения к следующему ближайшему соседу ( control_radius = 2 ).

Некоторые свойства устройства можно увидеть следующим образом.

  "" "Просмотр некоторых свойств устройства." ""
# Отобразить устройство нейтрального атома.
print ("Устройство нейтрального атома:", устройство_ нейтрального_атома, sep = "\ n")

# Получить соседей кубита.кубит = cirq.GridQubit (0, 1)
print (f "\ nСоседи кубита {кубита}:")
print (нейтральный_атом_устройство.neighbors_of (кубит))
  

Устройство нейтрального атома:
(0, 0) ─── (0, 1) ─── (0, 2)
│ │ │
│ │ │
(1, 0) ─── (1, 1) ─── (1, 2)

Соседи кубита (0, 1):
[cirq.GridQubit (1, 1), cirq.GridQubit (0, 2), cirq.GridQubit (0, 0)]

 

Комплект ворот родной

Шлюзы, поддерживаемые классом NeutralAtomDevice , можно разделить на три категории:

1. Вращение одного кубита вокруг оси $ Z $.
2. Вращение одного кубита вокруг произвольной оси в плоскости $ X $ — $ Y $. В этом руководстве мы называем их воротами $ XY $.
3. Управляемые ворота: CZ, CNOT, CCZ и CCNOT (TOFFOLI).

Для вращения одного кубита разрешен любой угол поворота. Некоторые примеры правильных вращений одного кубита показаны ниже.

  "" "Примеры допустимых однокубитовых вентилей." ""
# Допустимы вращения по оси Z одного кубита на любой угол.
нейтральный_атом_устройство.validate_gate (cirq.rz (пи / 5))

# Допустимы одиночные вращения кубита вокруг оси X-Y под любым углом.
нейтральный_атом_device.validate_gate (
    cirq.PhasedXPowGate (phase_exponent = pi / 3, exponent = pi / 7)
)
  

Вентиль Адамара недействителен, потому что это вращение в плоскости $ X $ — $ Z $ вместо плоскости $ X $ — $ Y $.

  "" "Пример недопустимого однокубитового логического элемента." ""
invalid_gate = cirq.H

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_gate (недопустимый_врат)
кроме ValueError как e:
    print (f "Как и ожидалось, {invalid_gate} недействителен!", e)
  

Как и ожидалось, H неверно! Ворота без опоры: Cirq.ЧАС

 

Для управляемых ворот вращение должно быть кратным $ \ pi $ из-за физической реализации ворот. В Cirq это означает, что показатель степени управляемого гейта должен быть целым числом. В следующей ячейке показаны два примера допустимых управляемых ворот.

  "" "Примеры допустимых многокубитовых вентилей." ""
# Допустимы управляемые ворота с целочисленной степенью.
нейтральный_атом_устройство.validate_gate (cirq.CNOT)

# Действуют управляемые ворота НЕ с двумя элементами управления.
нейтральный_атом_устройство.validate_gate (cirq.ТОФФОЛИ)
  

Любой управляемый вентиль с нецелой экспонентой недействителен.

  "" "Пример некорректно управляемых ворот." ""
invalid_gate = cirq.CNOT ** 1.5

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_gate (недопустимый_врат)
кроме ValueError как e:
    print (f "Как и ожидалось, {invalid_gate} недействителен!", e)
  

Как и ожидалось, CNOT ** 1.5 недействителен! управляемые ворота должны иметь целые показатели

 

Допускается несколько элементов управления, если каждая пара атомов (кубитов), на которую воздействует управляемый вентиль, находится достаточно близко друг к другу.Мы можем увидеть это, используя метод validate_operation (или validate_circuit ) следующим образом.

  "" "Примеры допустимых и недействительных многоконтурных ворот." ""
# Этот TOFFOLI действителен, потому что все задействованные кубиты достаточно близки друг к другу.
valid_toffoli = cirq.TOFFOLI.on (cirq.GridQubit (0, 0), cirq.GridQubit (0, 1), cirq.GridQubit (0, 2))
нейтральный_атом_устройство.validate_operation (действительный_тофоли)

# Этот TOFFOLI недействителен, потому что все задействованные кубиты расположены недостаточно близко друг к другу.invalid_toffoli = cirq.TOFFOLI.on (cirq.GridQubit (0, 0), cirq.GridQubit (1, 0), cirq.GridQubit (0, 2))

пытаться:
    нейтральное_атомное_устройство.validate_operation (invalid_toffoli)
кроме ValueError как e:
    print (f "Как и ожидалось, {invalid_toffoli} недействителен!", e)
  

Как и ожидалось, TOFFOLI ((0, 0), (1, 0), (0, 2)) недопустим! Кубиты cirq.GridQubit (1, 0), cirq.GridQubit (0, 2) слишком далеко

 

NeutralAtomDevice в настоящее время не поддерживают шлюзы с более чем двумя элементами управления, хотя это в принципе разрешено физическими реализациями.

  "" "Любые ворота с более чем двумя элементами управления недействительны." ""
invalid_gate = cirq.ControlledGate (cirq.TOFFOLI)

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_gate (недопустимый_врат)
кроме ValueError как e:
    print (f "Как и ожидалось, {invalid_gate} недействителен!", e)
  

Как и ожидалось, CTOFFOLI недействителен! Неподдерживаемый шлюз: cirq.ControlledGate (sub_gate = cirq.TOFFOLI)

 

Наконец, отметим, что продолжительность любой операции может быть определена с помощью метода duration_of .

  "" "Пример получения продолжительности допустимой операции." ""
нейтральный_атом_устройство.duration_of (действительный_тофоли)
  

Cirq.Duration (микр. = 100)
 

Правила моментов и схем

В дополнение к действительным операциям, как описано выше, допустимые моменты на NeutralAtomDevice должны удовлетворять следующим критериям:

1. Только max_parallel_c гейтов той же категории могут быть выполнены одновременно.
2. Все экземпляры ворот одной категории в один и тот же момент должны быть идентичны.
3. Управляемые ворота не могут применяться параллельно с другими типами ворот.
   • Физически это связано с тем, что управляемые ворота используют все типы света, используемые для реализации ворот.
4. Кубиты, на которые параллельно действуют разные управляемые ворота, должны быть дальше друг от друга, чем control_radius .
   • Физически это так, чтобы механизм запутывания не заставлял ворота мешать друг другу.
5. Все измерения должны быть конечными.

Моменты могут быть проверены с помощью метода validate_moment . Ниже приведены некоторые примеры.

  "" "Пример действительного момента с вентилями с одним кубитом." ""
кубиты = отсортировано (нейтральный_атом_устройство.qubits)

# Получите подходящий момент.
valid_moment = cirq.Moment (cirq.Z.on_each (кубиты [: 3]) + cirq.X.on_each (кубиты [3: 6]))

# Показать.
print ("Пример допустимого момента с однокубитными вентилями:", cirq.Circuit (valid_moment), sep = "\ n \ n")

# Убедитесь, что он действителен.нейтральный_атом_устройство.validate_moment (действительный_момент)
  

Пример действительного момента с однокубитными вентилями:

(0, 0): ───Z───

(0, 1): ───Z───

(0, 2): ───Z───

(1, 0): ───X───

(1, 1): ───X───

(1, 2): ───X───

 

Напомним, что мы определили max_parallel_z = 3 в нашем устройстве. Таким образом, если бы мы попытались выполнить 4 $ Z $ гейта одновременно, это было бы недопустимо.

  "" "Пример недопустимого момента с одиночными кубитными вентилями." ""
# Получите неверный момент.
invalid_moment = cirq.Момент (cirq.Z.on_each (кубиты [: 4]))

# Показать.
print ("Пример недопустимого момента с однокубитными вентилями:", cirq.Circuit (invalid_moment), sep = "\ n \ n")

# Раскомментирование вызывает ValueError: слишком много одновременных Z-ворот.
# нейтральный_atom_device.validate_moment (invalid_moment)
  

Пример недопустимого момента с однокубитными вентилями:

(0, 0): ───Z───

(0, 1): ───Z───

(0, 2): ───Z───

(1, 0): ───Z───

 

Это также верно для 4 вентилей $ XY $, поскольку мы установили max_parallel_xy = 3 .{1.5} $ являются допустимыми воротами, они не могут выполняться одновременно, потому что все ворота «одного типа» должны быть идентичны в один и тот же момент.

  "" "Пример недопустимого момента с одиночными кубитными вентилями." ""
# Получите неверный момент.
invalid_moment = cirq.Moment (cirq.Z (кубиты [0]), cirq.Z (кубиты [1]) ** 1.5)

# Показать.
print ("Пример недопустимого момента с однокубитными вентилями:", cirq.Circuit (invalid_moment), sep = "\ n \ n")

# Раскомментирование вызывает ValueError: Неидентичные одновременные Z-ворота. -1───

 

Это верно для всех правил устройства.В качестве другого примера мы можем увидеть, как Cirq отделяет управляемые ворота от других типов ворот (третье правило выше).

  "" "Cirq автоматически удовлетворяет ограничениям устройства при добавлении операций." ""
# Создайте схему для NeutralAtomDevice.
circuit = cirq.Circuit (устройство = нейтральное_атомное устройство)

# Добавить два ворот, которые не могут быть одновременно.
circuit.append ([cirq.Z (кубиты [0]), cirq.CNOT (* кубиты [1: 3])])

# Отобразить схему.
печать (схема)
  

(0, 0): ───Z───────

(0, 1): ─────── @ ───
               │
(0, 2): ────────X───

 

Без каких-либо ограничений устройства операции Z и CNOT могут выполняться в один и тот же момент, но поскольку схема определена на NeutralAtomDevice , CNOT помещается в новый момент.

Упражнение: Несколько управляемых ворот одновременно

Создайте NeutralAtomDevice , которое способно одновременно реализовать два CNOT s. Убедитесь, что эти операции действительно могут выполняться параллельно, вызвав метод validate_moment или показывая, что Cirq вставляет операции в один и тот же момент.

  # Ваш код здесь!
  

Решение

  "" "Пример решения для создания устройства, которое позволяет использовать два CNOT одновременно."" "
# Создать NeutralAtomDevice.
device = cirq.NeutralAtomDevice (
    кубиты = cirq.GridQubit.rect (2, 3),
    Measure_duration = 5 * Cirq.Duration (наноразмер = 10 ** 6),
    gate_duration = 100 * cirq.Duration (nanos = 10 ** 3),
    max_parallel_z = 4,
    max_parallel_xy = 4,
    max_parallel_c = 4,
    control_radius = 1
)
print ("Устройство:")
печать (устройство)

# Создайте схему для NeutralAtomDevice.
схема = цепь Цепь (устройство = устройство)

# Добавить два CNOT, которые могут быть в один и тот же момент.
circuit.append (
    [cirq.CNOT (cirq.GridQubit (0, 0), окружность GridQubit (1, 0)),
     cirq.CNOT (cirq.GridQubit (0, 2), cirq.GridQubit (1, 2))]
)

# Добавить два CNOT, которые не могут быть одновременно.
circuit.append (
    [cirq.CNOT (cirq.GridQubit (0, 0), cirq.GridQubit (1, 0)),
     cirq.CNOT (cirq.GridQubit (0, 1), cirq.GridQubit (1, 1))]
)

# Отобразить схему.
print ("\ nCircuit:")
печать (схема)
  

Устройство:
(0, 0) ─── (0, 1) ─── (0, 2)
│ │ │
│ │ │
(1, 0) ─── (1, 1) ─── (1, 2)

Схема:
           ┌──┐
(0, 0): ──── @ ───── @ ───────
            │ │
(0, 1): ────┼─────┼─── @ ───
            │ │ │
(0, 2): ────┼ @ ────┼───┼───
            ││ │ │
(1, 0): ────X┼────X──────
             │ │
(1, 1): ─────┼─────────X───
             │
(1, 2): ─────X─────────────
           └──┘

 

Обратите внимание, что квадратные скобки над / под схемой показывают, что первые два CNOT находятся в один и тот же момент.

Операции разложения и схемы

Недействительные операции можно разложить на допустимые операции с помощью метода decopose_operation . Например, мы видели выше, что cirq.H был недопустимым вентилем для NeutralAtomDevice . Это можно разложить на допустимые операции следующим образом.

  "" "Пример декомпозиции операции." ""
# Декомпозируйте операцию Адамара.
ops = нейтральное_атомное_устройство.decompose_operation (cirq.H.on (кубиты [0]))

# Отобразить схему.print ("Схема для H на NeutralAtomDevice: \ n")
Cirq.Circuit (ops, устройство = нейтральное_атомное устройство)
  

Схема для H на NeutralAtomDevice:


 

Двухкубитные и другие операции могут быть разложены аналогичным образом, например, FSimGate ниже.

  "" "Другой пример декомпозиции операции." ""
# Разобрать операцию FSimGate.
ops = нейтральное_атомное_устройство.decompose_operation (
    cirq.FSimGate (theta = 0.1, phi = 0.3) .on (cirq.GridQubit (0, 0), cirq.GridQubit (1, 0))
)

# Отобразить схему.
print ("Схема для FSim на NeutralAtomDevice: \ n")
Cirq.Circuit (ops, устройство = нейтральное_атомное устройство)
  

Схема для FSim на NeutralAtomDevice:


 

Примечание: Как и в случае любой предлагаемой архитектуры для квантовых вычислений, несколько исследовательских групп по всему миру работают над устройством, основанным на кубитах нейтральных атомов. У каждой исследовательской группы свой подход, например, использование разных видов атомов или работа с разным числом измерений массивов атомных кубитов.Таким образом, класс NeutralAtomDevice не будет точно отражать все такие устройства.