1.1. Відкриття субатомних частинок.

Електрон був першою субатомною частинкою, що була відкрита. В 1897 році Джозеф Джон Томсон відкрив електрон і визначив його питомий заряд та відносну масу.

Заряд: е =1,602*10-19 Кл., mе = 9,110*10-28г.

Після відкриття електрона Томсон запропонував модель атома в якій електрони знаходяться всередині атома. Ця модель отримала назву “сливовий періг” і була дуже далека від реального стану речей. Вона відображала тільки кількісний склад атома, але не положення електронів та ядра в атомі.

Протон був другим в черзі відкритих частинок.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

В 1899р. Ернест Резерфорд відкрив радіоактивне a- і b-випромінення.

Е. Резерфорд народився в Новій Зеландії 1871р. в двадцять сім років став професором фізики в Університеті Мак-Гілла в Монреалі. В 1907р. Резерфорд переїхав до Англії. В 1908 р. ним отримана Нобелівська премія за дослідження радіоактивності. В 1914 р. за англійським звичаєм був посвячений в рицарі, а в 1931 р. отримав звання пера. Помер в 1937 р. Резерфорд, без сумніву, є одним з видатніших вчених ХХст.

В 1910 р. учні Резерфорда Ханс Гейгер і Ернест Марсден провели експеримент, який дозволив пояснити існування ядра в атомі. Вони бомбардували тонкі листки золотої фольги a-частинками. Після цього досліду Резерфорд передбачив існування і природу протона.

Нейтрон. Експериментально був відкритий у 1932 р. Дж. Чедвіком, але його існування було передбачене Резерфордом, ще в 1920 р. Нейтрон не має заряду, чому і завдячує своєю назвою.

Після відкриття субатомних частинок Резерфорд запропонував свою модель будови атома

1.2. Модель атома Резерфорда.

При вивченні α-часток Резерфорд, виходячи з моделі Томсона, підрахував, що розсіювання α-часток не може давати великих кутів відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.

7 березня 1911 року Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь “Розсіювання α і β-променів і будова атома”. У доповіді він, зокрема, говорив: “Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, що складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої α і β-частки, коли вони проходять на близькій відстані від центра атома, отримують великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала”. Бомбардування золотої фольги α-частинками проводили на такому пристрої.

Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, що Резерфорд поклав рівним ±Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. “Точне значення заряду центрального ядра не було визначено,- писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду”. З наступних досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, що почали перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро, як стійку частину атома, що несе в собі майже всю масу атома й позитивним зарядом (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним). При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.

Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: ”Із самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом .”

Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора, у яких вчення про будову атома нерозривно пов’язується з вченням про походження спектрів.

Бор (Bohr) Нільс Хенрік Давид (1885-1962)

Лінійні спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими газами чи парами. Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Більшість металів дає дуже складні спектри, що містять величезне число ліній (у заліза до 5000), але зустрічаються і порівняно прості спектри. Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.

Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи “Про серійний спектр водню” і “Про квантову теорію випромінювання в структурі атома”. У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.

У 1936 році Бор виступив зі статтею “Захоплення нейтрона і будова ядра”, у якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказується краплинною моделлю, поки на початку 1939 р. не був відкритий розподіл урану.

Теорія Бора — це історично перша теорія, що на основі „квазікласичного підходу” описала „дискретну структуру” енергетичного спектру воднеподібних атомів. Нільс Бор запропонував видозмінити класичну механіку шляхом введення сталої Планка . Він припустив, що не всі рухи, допустимі в класичній механіці реалізуються в атомних системах, а лише деякі, можна сказати „вибрані”. Стосовно енергії атома гіпотеза Бора (або, як її називали, постулат Бора) означала, що енергія атома може приймати лише дискретні, квантовані значення:

Слід відзначити, що постулат Бора є правильним до сьогодні, не зважаючи на поступ науки, оскільки він є прямим вираженням експериментальних фактів. Постулат Бора суперечив класичній теорії випромінювання, оскільки за нею атом повинен випромінювати неперервно, і тому його енергія може приймати будь-які значення енергії, що лежать між дозволеними рівнями енергії. Таким чином Бор вперше при підході до атомної проблеми став на квантову точку зору, згідно з якою, енергія випромінюється квантами світла. Тоді, шляхом об'єднання закону збереження енергії з постулатом Бора ми отримаємо написаний вперше Бором закон, що зв”язував частоти , котрі може випромінювати, та поглинати атом (спектр атому), із квантовими рівнями , властивими для даного атома, тобто

Це рівняння є не що інше, як закон збереження енергії при випромінюванні та поглинанні світла, і в першій теорії Бора виступав, як один із постулатів його теорії („правило частот” Бора). Розділивши останнє рівняння на постійну Планка отримаємо частоти, що поглинаються чи випромінюються квантовими системами. Більше того, вони можуть бути подані у вигляді різниці двох частот:

Ці частоти називаються „спектральними термами”.

Ще задовго від Бора чисто експериментальним шляхом Рітцем було встановлено , що частоти спектру випромінювання/поглинання атомів можуть бути подані у вигляді різниці термів („комбінаційний принцип” Рітца). Тому останні вирази можна розглядати як математичну форму емпіричного принципу Рітца.В комбінаційному принципі Рітца ми зустрічаємося з ще одним протиріччям між класичною теорією та дослідом. Якщо електрон знаходиться в атомі, то він здійснює періодичний або квазіперіодичний рух. В найпростішому випадку одномірного руху його координата може бути розкладена в ряд Фур‘є:

,де , а - частота основного тону, - частота - го обертону. Інтенсивність випромінювання частоти визначається амплітудою - го обертону, тобто величиною . Частоти, відповідно до класичного підходу, можуть бути розташовані в рядок

Таким же чином можуть бути розташовані і відповідні їм інтенсивності випромінювання або амплітуди . Це є загальний наслідок класичної теорії, що протирічить емпіричному правилу Рітца, так як відповідно до цього принципу, частоти, що спостерігаються в експериментах завжди визначаються двома числами та (номера термів), так що в рядок розташовуються не частоти, а терми (), частоти ж розташовуються в квадратну нескінченну матрицю...

Бор припустив, що рух електрону в атомі підкоряється законам класичної механіки, тому тут можливе використання класичної кеплеревої задачі. Тому повна енергія такої системи буде:

,де - велика піввісь еліпсу. За третім законом Кеплера радіус зв’язаний з періодом обертання співвідношенням:

,Друге співвідношення дає нам правило квантування:

Далі, за визначенням,

звідки знаходимо:Із останніх співвідношень знаходимо радіуси орбіт для дискретних енергій:

При та (перша орбіта атома водню) отримуємо Борівський радіус:

м

Борівський масштаб для енергії:

Борівська циклічна частота:

У 30-і роки нашого століття теорія Бутлерова знайшла фізична квантово-механічне обгрунтування. Згідно сучасним уявленням структура молекул - це просторова і енергетична впорядкованість квантово-механічної системи, що складається з атомних ядер і електронів.

Структурна хімія охоплює і неорганічні матеріали. У структурній неорганічної хімії можна виділити два перспективні напрямки:

• синтез кристалів з максимальним наближенням до ідеальної решітці для отримання матеріалів з високими технічними показниками: максимальної міцністю, термічною стійкістю, довговічністю в експлуатації та ін;

• створення кристалів із заздалегідь запрограмованими дефектами для виробництва матеріалів з заданими електричними, магнітними, оптичними та іншими властивостями.

Дослідження останнього часу спрямовані на розробку ефективних технологій синтезу не тільки органічних, але і неорганічних матеріалів.

Різноманіття хімічних систем.

Системою у хімії прийнято називати розглядається речовина або сукупність речовин. При цьому системі протиставляється зовнішнє середовище-речовини, що оточують систему. Зазвичай система фізично відокремлена від середовища.

Розрізняють гомогенні і гетерогенні системи. Гомогенної називається система, що складається з однієї фази, гетерогенної-система, що складається з декількох фаз. Фазою називається частина системи, відокремлена від інших її частин поверхнею розділу, при переході через яку властивості змінюються стрибком.

Прикладом гомогенної системи може служити будь-яка газова суміш (всі гази при не дуже високих тисках необмежено розчиняються один в одному), хоча б суміш азоту з киснем. Іншим прикладом гомогенної системи може служити розчин декількох речовин в одному розчиннику, наприклад розчин хлориду натрію, сульфату магнію, азоту і кисню у воді. У кожному з цих двох випадків система складається тільки з однієї фази, з газової фази в першому прикладі і з водного розчину у другому. В якості прикладів гетерогенних систем можна навести такі системи: вода з льодом, насичений розчин з осадом, вугілля і сірка в атмосфері повітря. У останньому випадку система складається з трьох фаз: двох твердих і однієї газової.

Якщо реакція протікає в гомогенної системі, то вона йде в усьому обсязі цієї системи.

Якщо реакція протікає між речовинами, які утворюють гетерогенну систему, то вона може йти тільки на поверхні розділу фаз, що утворюють систему. Швидкість гомогенної реакції та швидкість гетерогенної реакції визначаються різному.

Швидкістю гомогенної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу в одиниці об'єму системи.

Швидкістю гетерогенної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу на одиниці площі поверхні фази.

Неорганічні та органічні сполуки.

З'єднання вуглецю (за винятком деяких найбільш простих) здавна одержали назву органічних з'єднанні, тому що в природі вони зустрічаються майже виключно в організмах хвойних і рослин, беруть участь у життєвих процесах або ж є продуктами життєдіяльності або розпаду організмів. На відміну від органічних сполук, такі речовини, як пісок, глина, різні мінерали, вода, оксиди вуглецю: вугільна кислота, її солі та інші, що зустрічаються в неживої природи, отримали назву неорганічних або мінеральних речовин.

Розподіл речовин на органічні і неорганічні виникло внаслідок своєрідності органічних сполук, що володіють специфічними властивостями. Довгий час вважалося, що Углеродосодержащие речовини, які утворюються в організмах, в принципі неможливо отримувати шляхом синтезу з неорганічних сполук.

Органічна хімія - хімія вуглеводнів та їх похідних. Особливість органічної хімії пов'язана з винятковими властивостями атома вуглецю і його здатністю утворювати хімічні зв'язки і геометричні структури, які мають набагато більшою розмаїтістю, ніж структури і зв'язку інших елементів.

Зв'язок між атомами в молекулах органічних речовин - ковалентний. Цим пояснюється відсутність електролітичних властивостей багатьох органічних речовин.

Органічні сполуки містять прості (одинарні) зв'язки між атомами вуглецю С-С і атомами вуглецю і водню С-Н, які близькі один одному міцності. Тому органічні речовини взаємодіють один з одним з великими труднощами або взагалі взаємодіють.

Органічні речовини, як правило, молекулярної будови, тому вони мають низькі температури плавлення. Всі органічні речовини горючі і легко розкладаються при нагреваніі.Важной особливістю органічних сполук є ізомерія. Цим пояснюється різниця властивостей речовин, що мають однаковий склад і молекулярну масу.

З розвитком синтезу органічних сполук була знищена грань, що відокремлює ці сполуки від неорганічних, проте назва «органічні сполуки» збереглося. Більшість відомих в даний час сполук вуглецю в організмах навіть не зустрічаються, а отримані штучним шляхом.

Фундаментальні взаємодії

Взаємодія - основна причина руху матерії, тому взаємодія притаманне всім матеріальним об'єктам незалежно від їх природного походження та системної організації. Особливості різних взаємодій визначають умови існування та специфіку властивостей матеріальних об'єктів. Усього відомо чотири види взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка.

Гравітаційна взаємодія першим з відомих фундаментальних взаємодій стало предметом дослідження вчених. Воно проявляється у взаємному тяжінні будь-яких матеріальних об'єктів, що мають масу, передається за допомогою гравітаційного поля та визначається законом всесвітнього тяжіння, який був сформульований І. Ньютоном

Закон всесвітнього тяжіння описує падіння матеріальних тіл у полі Землі, рух планет Сонячної системи, зірок і т. п. У міру збільшення маси речовини гравітаційні взаємодії зростають. Гравітаційна взаємодія - найбільш слабка з усіх відомих сучасній науці взаємодій. Тим не менш гравітаційні взаємодії визначають будову всього Всесвіту: утворення всіх космічних систем; існування планет, зірок і галактик. Важлива роль гравітаційної взаємодії визначається його універсальністю: всі тіла, частинки і поля беруть участь у ньому.

Переносниками гравітаційної взаємодії є Гравітон - кванти гравітаційного поля.

Електромагнітна взаємодія також є універсальним і існує між будь-якими тілами в мікро-, макро-і мегамире. Електромагнітна взаємодія обумовлено електричними зарядами і передається за допомогою електричного і магнітного полів. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне - при русі електричних зарядів. Електромагнітна взаємодія описується: законом Кулона, законом Ампера та ін і в узагальненому вигляді - електромагнітної теорією Максвелла, що зв'язує електричне і магнітне поля. Завдяки електромагнітного взаємодії виникають атоми, молекули і відбуваються хімічні реакції. Хімічні реакції є прояв електромагнітних взаємодій і є результатами перерозподілу зв'язків між атомами в молекулах, а також кількості і складу атомів у молекулах різних речовин. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя і т. д. визначаються електромагнітним взаємодією. Переносниками електромагнітного взаємодії є фотони - кванти електромагнітного поля з нульовою масою спокою.

Усередині атомного ядра виявляються сильні і слабкі взаємодії. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Дана взаємодія визначається ядерними силами, що володіють зарядовим незалежністю, короткодіючі, насиченням та іншими властивостями. Сильна взаємодія утримує нуклони (протони і нейтрони) у ядрі і кварки всередині нуклонів і відповідає за стабільність атомних ядер. За допомогою сильної взаємодії вчені пояснили, чому протони ядра атома не розлітаються під дією електромагнітних сил відштовхування. Сильна взаємодія передається глюонами - частинками, «склеюють» кварки, які входять до складу протонів, нейтронів та інших частинок.

Слабка взаємодія також діє тільки в мікросвіті. У цій взаємодії беруть участь всі елементарні частинки, крім фотона. Воно обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, тому його відкриття відбулося слідом за відкриттям радіоактивності. Перша теорія слабкої взаємодії була створена в 1934 р . Е. Фермі і розвинена в 1950-і рр.. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом та іншими вченими. Переносниками слабкої взаємодії прийнято вважати частинки з масою в 100 разів більше маси протонів - проміжні векторні бозони.

Характеристики фундаментальних взаємодій представлені в табл. 1.

Табліца.1

Характеристики фундаментальних взаємодій

З таблиці видно, що гравітаційна взаємодія набагато слабший за інших взаємодій. Радіус його дії необмежений. Воно не відіграє суттєвої ролі в мікропроцесу і в той же час є основним для об'єктів з великими масами. Електромагнітна взаємодія сильніше гравітаційного, хоча радіус його дії також необмежений. Сильні й слабкі взаємодії мають дуже обмежений радіус дії.

Одна з найважливіших завдань сучасного природознавства - створення єдиної теорії фундаментальних взаємодій, що об'єднує різні види взаємодії. Створення подібної теорії означало б також побудова єдиної теорії елементарних частинок.

3. Теплове випромінювання. Народження квантових уявлень

В кінці XX ст. хвильова теорія не могла пояснити і описати теплове випромінювання у всьому діапазоні частот електромагнітних хвиль теплового діапазону. А те, що теплове випромінювання, і зокрема світло, є електромагнітними хвилями, стало науковим фактом. Дати точний опис теплового випромінювання вдалося німецькому фізику Максу Планку.

14 грудня 1900 р . Планк виступив на засіданні Німецького фізичного товариства з доповіддю, в якій виклав свою гіпотезу квантової природи теплового випромінювання і нову формулу випромінювання (формула Планка). Цей день фізики вважають днем ​​народження нової фізики - квантової. Видатний французький математик і фізик А. Пуанкаре писав: «Квантова теорія Планка є, без усякого сумніву, найбільша і найглибша революція, яку натуральна філософія зазнала з часів Ньютона».

Планк встановив, що теплове випромінювання (електромагнітна хвиля) випускається не суцільним потоком, а порціями (квантами). Енергія кожного кванта -

E = hv,

тобто пропорційна частоті електромагнітної хвилі - v. Тут h - постійна Планка, рівна 6,62 · 10 -34 Дж · с.

Збіг розрахунків Планка з досвідченими даними було повним. У 1919 р . М. Планку присвоїли Нобелівську премію.

На основі квантових уявлень А. Ейнштейн у 1905 р . розробив теорію фотоефекту (Нобелівська премія 1922 р .), Поставивши науку перед фактом: світло має і хвильовими і корпускулярним властивостями, він променіє, поширюється і поглинається квантами (порціями). Кванти світла стали називати фотонами.