3. Строение атома

Дж. Дж. Томсон 1856-1940	Эрнест Резерфорд 1871-1937	Нильс Бор 1885-1962

    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 = 2πr_n,   n = 1, 2, 3...

     Разным разрешённым орбитам n соответствуют разные энергии электронов E_n

 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».

 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 m_p – масса протона.
    Магнитные моменты атома измеряются в магнетонах Бора

где m_e –  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