Строение атома: модели

Зачем нужны модели атома

Если в задачах по физике путаются электронная оболочка, ядро, заряд и энергетические уровни, проблема обычно не в формулах, а в картинке атома в голове. Разберём, как менялись модели атома и что каждая из них объясняет. После этого станет проще решать задания ОГЭ и ЕГЭ, отличать ядерную модель от квантовой и понимать, почему электрон нельзя представить маленькой планетой.

Атом электрически нейтрален, если число положительных зарядов протонов равно числу отрицательных зарядов электронов. В центре находится ядро, а вокруг него располагаются электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, потому что масса протона и нейтрона примерно в 1840 раз больше массы электрона.

Заряд электрона: qₑ = −1,6 × 10⁻¹⁹ Кл
Заряд протона: qₚ = +1,6 × 10⁻¹⁹ Кл
Масса электрона: mₑ ≈ 9,1 × 10⁻³¹ кг

Модель — это упрощённое описание объекта. Она не обязана повторять атом во всех деталях, но должна помогать объяснять наблюдаемые явления: электрические свойства вещества, спектры излучения и устойчивость атома.

Первые представления и ядерная модель

В начале XX века атом иногда представляли как положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны. Такая модель объясняла нейтральность атома, но не показывала, где сосредоточена масса и почему положительный заряд распределён именно так.

Опыт Резерфорда с рассеянием α-частиц изменил представления об атоме. Большинство частиц проходило через тонкую золотую фольгу почти прямо, но некоторые отклонялись на большие углы. Отсюда сделали вывод: внутри атома есть очень маленькое плотное ядро с положительным зарядом, а основное пространство атома почти пустое.

Ядерная модель состоит из положительного ядра и электронов, движущихся вокруг него. Она убедительно объясняет результаты опыта Резерфорда, но сталкивается с трудностью классической физики: движущийся по криволинейной траектории электрон должен излучать энергию, терять скорость и падать на ядро. Реальные атомы устойчивы, значит, классическое описание недостаточно.

Постулаты Бора и энергетические уровни

Нильс Бор дополнил ядерную модель квантовыми постулатами. Электрон может находиться только на определённых стационарных орбитах, которым соответствуют разрешённые значения энергии. На такой орбите электрон не излучает энергию, поэтому атом остаётся устойчивым.

Излучение или поглощение происходит только при переходе электрона между уровнями. Если электрон переходит с более высокого уровня на более низкий, атом испускает фотон. При переходе вверх фотон поглощается.

\( E_{\text{ф}} = hν \)
\( \Delta E = E_2 - E_1 = hν \)
\( c = \lambda ν \)
h ≈ 6,63 × 10⁻³⁴ Дж·с

Энергия фотона измеряется в джоулях, частота — в герцах, длина волны — в метрах. Чем больше разность энергий уровней, тем больше частота излучения и тем меньше его длина волны. Модель Бора хорошо объясняет линейчатый спектр водорода, но для сложных атомов оказывается неполной.

При решении задач внимательно определяй направление перехода. Переход вниз означает излучение, переход вверх — поглощение. Это одна из самых частых проверок в заданиях о спектрах.

Квантовая модель атома

Современная квантовая модель не задаёт электрону точную круговую орбиту. Нельзя одновременно абсолютно точно знать его координату и импульс. Поэтому говорят об электронном облаке — области пространства, где вероятность обнаружить электрон достаточно велика.

Состояние электрона описывается энергетическим уровнем и орбиталью. Орбиталь не является дорожкой движения: это вероятностная область определённой формы. Электроны заполняют уровни и подуровни в соответствии с правилами квантовой физики, а одинаковые электроны в одном атоме не могут полностью совпадать по своему набору квантовых характеристик.

Модель	Главная идея	Что объясняет
Резерфорда	Маленькое положительное ядро	Рассеяние α-частиц
Бора	Разрешённые уровни энергии	Устойчивость и спектр водорода
Квантовая	Электронное облако и вероятность	Строение сложных атомов

Для школы важно не рисовать облако как чёткую границу. У него нет края, за который электрон никогда не выходит. Вероятность просто уменьшается с расстоянием от ядра.

Закрепить различия между моделями можно в личном кабинете с бесплатной практикой: после теории сразу проверь, узнаёшь ли ты модель по её признакам.

Типовая задача о фотоне

Разберём задачу, где электрон переходит с уровня с энергией −3,4 эВ на уровень с энергией −13,6 эВ. Нужно найти энергию испущенного фотона. Отрицательные значения показывают, что электрон связан с ядром. При переходе на более низкий уровень энергия фотона равна модулю разности энергий.

Дано:
E₁ = −3,4 эВ
E₂ = −13,6 эВ
Найти: Eф и ν

Решение:
Eф = |E₂ − E₁| = |−13,6 − (−3,4)| = 10,2 эВ
1 эВ = 1,6 × 10⁻¹⁹ Дж
\( E_{\text{ф}} = 10,2 \times 1,6 \times 10^-^1^9 \approx 1,63 \times 10^-^1^8 \text{Дж} \)
ν = Eф / h ≈ 1,63 × 10⁻¹⁸ / 6,63 × 10⁻³⁴ ≈ 2,46 × 10¹⁵ Гц

Ответ: энергия фотона примерно 1,63 × 10⁻¹⁸ Дж, частота излучения примерно 2,46 × 10¹⁵ Гц.

Что запомнить

Ядерная модель Резерфорда утверждает, что почти вся масса и положительный заряд находятся в маленьком ядре, а атом в основном пуст. Модель Бора добавляет разрешённые энергетические уровни и переходы с излучением или поглощением фотонов. Квантовая модель заменяет точные орбиты электронными облаками и описывает положение электрона через вероятность.

В задачах проверяй три вещи: какая модель упоминается, происходит ли переход вверх или вниз, и согласованы ли единицы измерения. Для фотона используй Eф = hν, а для связи частоты и длины волны — c = λν.

Следующий шаг простой: зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно, чтобы проверить, какие признаки моделей уже запомнились. Если готовишься к экзамену, полезные подборки есть также на страницах ОГЭ и ЕГЭ.