Современная модель атома

Современная модель атома — квантово-механическая, она возникла в результате развития представлений о строении вещества и учёта принципов квантовой механики. Эта модель является дальнейшим развитием планетарной модели Резерфорда — Бора, но существенно отличается от неё благодаря учёту корпускулярно-волновых свойств электронов и принципа неопределённости Гейзенберга.

Основные положения современной модели атома

  1. Состав атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него. Ядро, в свою очередь, образовано протонами (положительно заряженными частицами) и нейтронами (не имеющими заряда). Протоны и нейтроны называют нуклонами.
  1. Свойства электронов. Согласно идее Луи де Бройля (1924 г.), электрон обладает двойственными корпускулярно-волновыми свойствами — одновременно свойствами частицы и волны. Это означает, что электрон имеет массу (как частица), но его движение и взаимодействие с другими частицами подчиняются волновым закономерностям, проявляющимся в интерференции и дифракции.
  1. Отсутствие определённых орбит. В отличие от модели Бора, в квантово-механической модели нет строго определённых орбит, по которым движутся электроны. Принцип неопределённости Гейзенберга утверждает, что невозможно одновременно с одинаковой точностью определить координаты и импульс (момент количества движения) электрона. Поэтому нельзя говорить о конкретных траекториях его движения.
  1. Электронное облако (орбиталь). Электроны образуют вокруг ядра электронное облако — область пространства, где наиболее вероятно их нахождение. Форма и размер этой области зависят от энергии электрона и его квантового состояния. Орбитали описываются с помощью волновой функции $\Psi$, решение для которой даёт уравнение Шрёдингера (1926 г.). Величина $|\Psi|^2$ соответствует вероятности обнаружения электрона в различных точках околоядерного пространства.
  2. Квантовые числа. Состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

* главное квантовое число $n$ — определяет общий запас энергии электрона и удалённость от ядра;
* побочное (орбитальное) квантовое число $l$ — характеризует форму орбитали и орбитальный момент количества движения электрона;
* магнитное квантовое число — определяет ориентацию орбитали в пространстве;
* спиновое квантовое число — описывает собственный момент импульса электрона (спин).

  1. Химические свойства. Они определяются конфигурацией электронной оболочки атома и описываются с помощью квантовой механики.
  2. Заряд атома. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, атом электрически нейтрален. В противном случае он становится ионом — положительно или отрицательно заряженным.
  3. Субатомное строение. В стандартной модели элементарных частиц протоны и нейтроны состоят из кварков — элементарных частиц с дробным электрическим зарядом. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.

Сравнение с предыдущими моделями

Модель Основные идеи Недостатки
Сферическая модель Дальтона (1803 г.) Атом — неразделимая сфера Не учитывала сложность строения атома
Модель «пудинг с изюмом» Томсона (1904 г.) Атом — положительно заряженный шар с вкрапленными электронами Не объясняла эксперименты с рассеянием $alpha$-частиц
Планетарная модель Резерфорда (1911 г.) Ядро с электронами на орбитах, как планеты вокруг Солнца Не объясняла устойчивость атома и линейчатый спектр
Квантовая модель Бора (1913 г.) Электроны движутся по стационарным орбитам, излучение происходит при переходе между ними Не объясняла многие свойства атомов и имела противоречия
Квантово-механическая модель Учёт волновых свойств электронов, принципа неопределённости, описание через квантовые числа Наиболее точная и универсальная на сегодняшний день

Таким образом, современная модель атома позволяет объяснить широкий спектр экспериментальных данных, включая спектры атомов, химические связи и другие явления, которые не могли быть поняты в рамках классических представлений.

На Оглавление