Схема движения электронов

После открытия электрона стало ясно, что атом представляет собой сложное образование, и многие ученые занялись его строением. К началу нашего века уже было открыто явление радиоактивности. Именно оно помогло выяснить структуру атомов химических элементов. Стало известно, что в атоме существует ядро, занимающее очень небольшой объем и обладающее положительным электрическим зарядом. Из этого открытия возникла планетарная модель атома. Ее предложил в 1911 году замечательный английский физик Эрнст Резерфорд. В этой модели атома в центре атома находится положительно заряженное атомное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. В своих экспериментах Резерфорд показал, что движение электронов вокруг ядра совершается под действием электрических, кулоновских сил. Теория Резерфорда предсказала и размеры атомных ядер. Эти теоретические предсказания затем подтвердились экспериментально. Однако непонятным в теории Резерфорда оставался вопрос: почему атомы так устойчивы? Почему отрицательно заряженные электроны не падают на положительное ядро? Ведь вращаясь вокруг ядра, электрон, по правилам классической механики, должен все время терять энергию, а это в свою очередь должно приводить к уменьшению расстояния между электроном и ядром – так что в конце концов электрон просто обязан упасть на ядро. К сожалению, объяснить факт устойчивости атомного ядра классическая физика не может.

В 1913 г. великий датский физик Нильс Бор открыл закон квантования энергии. Суть закона, сформулированного Бором, заключается в следующем: оказывается, что изменение энергии атома не может происходить непрерывно, а только скачком. Всегда и всюду энергия взаимодействующих атомов меняется определенными порциями, квантами (иначе еще говорят, что значения энергии в атоме дискретны). Для каждого атома кванты энергии имеют свою, отличную от других последовательность значений или уровней. В атоме есть и наинизший уровень энергии, так называемый нулевой. Энергия атома не может быть меньше этого значения. Такому состоянию в атоме соответствует наименьшее расстояние, на котором электрон может находиться от ядра.

Если в результате скачка энергия атома увеличилась, то атом поглотил энергию, а если уменьшилась, то он излучил энергию. Это утверждение также выражает смысл закона квантования энергии.

Закону квантования энергии подчиняются атомы в любой системе и состоящей из одного атома, и из десятков тысяч атомов. Точно так же квантуется и энергия электронов, входящих в атомы.

Уровни энергии имеют свои обозначения, а правилами квантовой механики устанавливается число электронов и порядок, в котором они могут располагаться. Так, самый ближний к ядру уровень энергии содержит 2 электрона и называется К-уровнем, второй – L-уровень, содержащий 8 электронов, третий – М-уровень, который имеет 18 электронов... Но для химии важнее, пожалуй, то, что химические элементы одной подгруппы (расположенные в периодической системе друг под другом, например Li, Na, К, Cs, Rb, Fr) имеют одинаковое число электронов на верхнем, самом удаленном от ядра энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, они слабее других связаны с ядром и поэтому очень подвижны; именно эти электроны принимают участие в образовании химических связей и в химических реакциях.

Вспомним таблицу химических элементов Д. И. Менделеева. В ней каждый элемент занимает определенное место, имеет свой порядковый номер. После открытия закона квантования энергии и экспериментального подтверждения справедливости модели атома Резерфорда – Бора стал понятен физический смысл порядкового номера: оказывается, порядковый номер элемента соответствует значению положительного заряда ядра, а так как атом в целом нейтрален, то число электронов, вращающихся вокруг ядра, также должно соответствовать порядковому номеру.


Полезное чтиво:
Движение электронов вокруг ядра
Электроны и ядра атомов
Атомы химических элементов
О химических процессах
Как образуются молекулы
Строение молекулы из атомов