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Création d'un modèle planétaire de l'atome. Encyclopédie scolaire

L'idée que les atomes sont les plus petites particules de matière est apparue pour la première fois au La Grèce ancienne. Cependant, ce n'est qu'à la fin du XVIIIe siècle, grâce aux travaux de scientifiques tels que A. Lavoisier, M. V. Lomonosov et quelques autres, qu'il a été prouvé que les atomes existent réellement. Cependant, à cette époque, personne ne se demandait quelle était leur structure interne. Les scientifiques considéraient encore les atomes comme les "briques" indivisibles qui composent toute la matière.

Tentatives d'explication de la structure de l'atome

Qui a proposé le modèle nucléaire en premier lieu aux scientifiques ? La première tentative de créer un modèle de ces particules appartenait à J. Thomson. Cependant, cela ne peut pas être qualifié de réussi au sens plein du terme. Après tout, Thomson croyait que l'atome est un système sphérique et électriquement neutre. Dans le même temps, le scientifique a supposé que la charge positive était répartie uniformément sur le volume de cette boule et qu'à l'intérieur de celle-ci se trouvait un noyau chargé négativement. Toutes les tentatives du scientifique pour expliquer la structure interne de l'atome ont échoué. Ernest Rutherford est celui qui a proposé le modèle nucléaire de la structure de l'atome quelques années après que Thomson ait avancé sa théorie.

Historique de la recherche

Grâce à l'étude de l'électrolyse en 1833, Faraday a pu établir que le courant dans la solution d'électrolyte est un flux de particules chargées, ou ions. Sur la base de ces études, il a pu déterminer la charge minimale d'un ion. Le chimiste domestique D. I. Mendeleev a également joué un rôle important dans le développement de cette direction en physique. C'est lui qui a le premier soulevé dans les milieux scientifiques la question que tous les atomes puissent avoir la même nature. Nous voyons qu'avant que le modèle nucléaire de Rutherford de la structure de l'atome ne soit proposé pour la première fois, divers scientifiques ont réalisé un grand nombre de expériences non moins importantes. Ils ont avancé la théorie atomistique de la structure de la matière.

Premières expériences

Rutherford est un scientifique vraiment brillant, car ses découvertes ont bouleversé l'idée de la structure de la matière. En 1911, il a pu mettre en place une expérience avec laquelle les chercheurs ont pu se pencher sur les profondeurs mystérieuses de l'atome, pour se faire une idée de sa structure interne. Les premières expériences ont été réalisées par le scientifique avec le soutien d'autres chercheurs, mais le rôle principal dans la découverte appartenait toujours à Rutherford.

Expérience

En utilisant des sources naturelles de rayonnement radioactif, Rutherford a pu construire un canon qui émettait un flux de particules alpha. C'était une boîte en plomb, à l'intérieur de laquelle se trouvait une substance radioactive. Le canon avait une fente à travers laquelle toutes les particules alpha frappaient l'écran de plomb. Ils ne pouvaient voler que par la fente. Plusieurs autres écrans se dressaient sur le chemin de ce faisceau de particules radioactives.

Ils ont séparé les particules qui s'écartaient de la direction précédemment définie. Un coup strictement focalisé a touché la cible. Comme cible, Rutherford a utilisé feuille minceà partir de feuille d'or. Après que les particules aient heurté cette feuille, elles ont continué leur mouvement et ont finalement heurté l'écran fluorescent, qui a été installé derrière cette cible. Lorsque des particules alpha frappaient cet écran, des flashs étaient enregistrés, grâce auxquels le scientifique pouvait juger combien de particules s'écartaient de la direction d'origine lors de la collision avec la feuille et quelle était l'ampleur de cet écart.

Différences avec les expériences précédentes

Les écoliers et les étudiants qui s'intéressent à ceux qui ont proposé le modèle nucléaire de la structure de l'atome doivent savoir que des expériences similaires ont été menées en physique avant Rutherford. Leur idée principaleétait de collecter autant d'informations que possible sur la structure de l'atome à partir des déviations des particules par rapport à la trajectoire d'origine. Toutes ces études ont conduit à l'accumulation d'un certain nombre d'informations scientifiques, ont suscité une réflexion sur structure interne les plus petites particules.

Déjà au début du 20e siècle, les scientifiques savaient que l'atome contient des électrons qui ont une charge négative. Mais parmi la majorité des chercheurs, l'opinion dominante était que l'atome de l'intérieur ressemble plus à une grille remplie de particules chargées négativement. De telles expériences ont permis d'obtenir de nombreuses informations - par exemple, pour déterminer les dimensions géométriques des atomes.

génie deviner

Rutherford a remarqué qu'aucun de ses prédécesseurs n'avait jamais essayé de déterminer si les particules alpha pouvaient s'écarter à de très grands angles de leur trajectoire. L'ancien modèle, parfois appelé "pudding aux raisins secs" parmi les scientifiques (car selon ce modèle, les électrons dans l'atome sont répartis comme des raisins secs dans le pudding), ne permettait tout simplement pas l'existence de composants structurels denses à l'intérieur de l'atome. Aucun des scientifiques n'a même pris la peine d'envisager cette option. Le chercheur a demandé à son élève de rééquiper l'installation de manière à ce que les grands écarts de particules par rapport à la trajectoire soient également enregistrés - uniquement pour exclure une telle possibilité. Imaginez la surprise du scientifique et de son élève lorsqu'il s'est avéré que certaines particules se séparent à un angle de 180 o.

Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un atome ?

Nous avons appris qui a proposé le modèle nucléaire de la structure de l'atome et quelle était l'expérience de ce scientifique. A cette époque, l'expérience de Rutherford était une véritable percée. Il a été forcé de conclure qu'à l'intérieur de l'atome, la majeure partie de la masse est enfermée dans une substance très dense. Schème modèle nucléaire La structure de l'atome est extrêmement simple : à l'intérieur se trouve un noyau chargé positivement.

D'autres particules, appelées électrons, gravitent autour de ce noyau. Le reste est de plusieurs ordres de grandeur moins dense. L'arrangement des électrons à l'intérieur d'un atome n'est pas chaotique - les particules sont disposées par ordre croissant d'énergie. Le chercheur a appelé les parties internes des atomes noyaux. Les noms que le scientifique a introduits sont toujours utilisés en science.

Comment préparer le cours ?

Les écoliers qui s'intéressent à ceux qui ont suggéré le modèle nucléaire de la structure de l'atome peuvent montrer des connaissances supplémentaires dans la leçon. Par exemple, vous pouvez dire comment Rutherford, longtemps après ses expériences, aimait donner une analogie à sa découverte. Le pays sud-africain est passé en contrebande avec des armes pour les rebelles, qui sont enfermées dans des balles de coton. Comment les douaniers peuvent-ils déterminer exactement où se trouvent les fournitures dangereuses si tout le train est rempli de ces balles ? Le douanier peut commencer à tirer sur les balles, et où les balles ricocheront, et il y a une arme. Rutherford a souligné que c'est ainsi que sa découverte a été faite.

Les étudiants qui se préparent à répondre sur ce sujet dans la leçon, il est conseillé de préparer des réponses aux questions suivantes:

1. Qui a proposé le modèle nucléaire de la structure de l'atome ?

2. Quel était le sens de l'expérience ?

3. Différence du modèle nucléaire par rapport aux autres modèles.

Signification de la théorie de Rutherford

Les conclusions radicales que Rutherford tira de ses expériences firent douter nombre de ses contemporains de la validité de ce modèle. Même Rutherford lui-même n'a pas fait exception - il n'a publié les résultats de ses recherches que deux ans après la découverte. Prenant comme base les idées classiques sur la façon dont les microparticules se déplacent, il a proposé un modèle planétaire nucléaire de la structure de l'atome. En général, l'atome a une charge neutre. Les électrons se déplacent autour du noyau, tout comme les planètes tournent autour du soleil. Ce mouvement est dû aux forces de Coulomb. À l'heure actuelle, le modèle de Rutherford a subi des améliorations importantes, mais la découverte du scientifique ne perd pas sa pertinence aujourd'hui.

Modèle planétaire de l'atome

Modèle planétaire d'un atome : noyau (rouge) et électrons (vert)

Modèle planétaire de l'atome, ou Modèle Rutherford, - modèle historique structure de l'atome, proposée par Ernest Rutherford à la suite d'une expérience de diffusion de particules alpha. Selon ce modèle, l'atome est constitué d'un petit noyau chargé positivement, dans lequel presque toute la masse de l'atome est concentrée, autour duquel les électrons se déplacent, tout comme les planètes se déplacent autour du soleil. Le modèle planétaire de l'atome correspond aux idées modernes sur la structure de l'atome, en tenant compte du fait que le mouvement des électrons est de nature quantique et n'est pas décrit par les lois de la mécanique classique. Historiquement, le modèle planétaire de Rutherford a succédé au "modèle de pudding aux prunes" de Joseph John Thomson, qui postule que des électrons chargés négativement sont placés à l'intérieur d'un atome chargé positivement.

Rutherford a proposé un nouveau modèle pour la structure de l'atome en 1911 comme conclusion d'une expérience sur la diffusion de particules alpha sur une feuille d'or, réalisée sous sa direction. Au cours de cette diffusion, un nombre étonnamment élevé de particules alpha ont été diffusées à de grands angles, ce qui indique que le centre de diffusion a petite taille et il contient une importante charge électrique. Les calculs de Rutherford ont montré qu'un centre de diffusion, chargé positivement ou négativement, doit être au moins 3000 fois taille plus petite un atome, qui à cette époque était déjà connu et estimé à environ 10 -10 M. Puisqu'à cette époque les électrons étaient déjà connus et que leur masse et leur charge étaient déterminées, le centre de diffusion, qui fut plus tard appelé le noyau, doit avaient une charge opposée aux électrons. Rutherford n'a pas lié le montant de la charge au numéro atomique. Cette conclusion a été faite plus tard. Et Rutherford lui-même a suggéré que la charge est proportionnelle à la masse atomique.

désavantage modèle planétaireétait son incompatibilité avec les lois de la physique classique. Si les électrons se déplacent autour du noyau comme une planète autour du Soleil, alors leur mouvement est accéléré et, par conséquent, selon les lois de l'électrodynamique classique, ils auraient dû rayonner ondes électromagnétiques, perdre de l'énergie et tomber sur le tronc. L'étape suivante dans le développement du modèle planétaire fut le modèle de Bohr, postulant d'autres lois, différentes des lois classiques, du mouvement des électrons. Complètement les contradictions de l'électrodynamique ont pu résoudre la mécanique quantique.


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Voyez ce qu'est le "modèle planétaire de l'atome" dans d'autres dictionnaires :

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Livres

Les premières informations sur le complexe la structure de l'atome ont été obtenus dans l'étude des processus de passage courant électriqueà travers les liquides. Dans les années trente du XIXème siècle. expériences physicien exceptionnel M. Faraday a été amené à l'idée que l'électricité existe sous forme de charges unitaires séparées.

La découverte de la désintégration spontanée des atomes de certains éléments, appelée radioactivité, était une preuve directe de la complexité de la structure de l'atome. En 1902, les scientifiques anglais Ernest Rutherford et Frederick Soddy ont prouvé que lors de la désintégration radioactive, un atome d'uranium se transforme en deux atomes - un atome de thorium et un atome d'hélium. Cela signifiait que les atomes ne sont pas des particules immuables et indestructibles.

Modèle de Rutherford de l'atome

En étudiant le passage d'un faisceau étroit de particules alpha à travers de fines couches de matière, Rutherford a découvert que la plupart des particules alpha traversaient une feuille métallique composée de plusieurs milliers de couches d'atomes sans s'écarter de la direction d'origine, sans subir de dispersion, comme s'il y avait aucun obstacle sur leur chemin, aucun obstacle. Cependant, certaines particules ont été déviées à de grands angles, ayant subi l'action de forces importantes.

Basé sur les résultats d'expériences pour observer la diffusion des particules alpha dans la matière Rutherford a proposé un modèle planétaire de la structure de l'atome. Selon ce modèle la structure de l'atome est similaire à la structure du système solaire. Au centre de chaque atome se trouve noyau chargé positivement de rayon ≈ 10 -10 m, comme les planètes, elles circulent électrons chargés négativement. Presque toute la masse est concentrée dans le noyau atomique. Les particules alpha peuvent traverser des milliers de couches d'atomes sans se disperser, car la majeure partie de l'espace à l'intérieur des atomes est vide et les collisions avec des électrons légers n'ont presque aucun effet sur le mouvement d'une particule alpha lourde. La diffusion des particules alpha se produit lors de collisions avec des noyaux atomiques.

Le modèle atomique de Rutherford n'a pas réussi à expliquer toutes les propriétés des atomes.

Selon les lois de la physique classique, un atome composé d'un noyau chargé positivement et d'électrons sur des orbites circulaires doit émettre des ondes électromagnétiques. Le rayonnement des ondes électromagnétiques devrait entraîner une diminution de l'énergie potentielle dans le système noyau-électron, une diminution progressive du rayon de l'orbite de l'électron et la chute de l'électron sur le noyau. Cependant, les atomes n'émettent généralement pas d'ondes électromagnétiques, les électrons ne tombent pas sur les noyaux atomiques, c'est-à-dire que les atomes sont stables.

Postulats quantiques de N. Bohr

Expliquer la stabilité des atomes Niels Bohr proposé d'abandonner les idées et les lois classiques habituelles lors de l'explication des propriétés des atomes.

Les propriétés de base des atomes reçoivent une explication qualitative cohérente basée sur l'adoption postulats quantiques de N. Bohr.

1. L'électron ne tourne autour du noyau que sur des orbites circulaires strictement définies (stationnaires).

2. Un système atomique ne peut être que dans certains états stationnaires ou quantiques, dont chacun correspond à une certaine énergie E. Un atome ne rayonne pas d'énergie dans des états stationnaires.

État stationnaire de l'atomeà partir de stock minimum l'énergie s'appelle état principal, tous les autres états sont appelés états excités (quantiques). Dans l'état fondamental, un atome peut être infiniment long, la durée de vie d'un atome dans un état excité dure 10 -9 -10 -7 secondes.

3. L'émission ou l'absorption d'énergie ne se produit que lorsqu'un atome passe d'un état stationnaire à un autre. énergie quantique un rayonnement électromagnétique lors de la transition d'un état stationnaire avec de l'énergie E m dans un état d'énergie Fr est égal à la différence entre les énergies d'un atome dans deux états quantiques :

∆E = E m – E n = hv,

où v est la fréquence de rayonnement, h\u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10 -34 J ∙ s.

Modèle quantique de la structure de l'atome

À l'avenir, certaines dispositions de la théorie de N. Bohr ont été complétées et repensées. Le changement le plus significatif a été l'introduction du concept de nuage d'électrons, qui a remplacé le concept d'un électron uniquement en tant que particule. Plus tard, la théorie de Bohr a été remplacée par la théorie quantique, qui prend en compte les propriétés ondulatoires de l'électron et des autres particules élémentaires qui forment l'atome.

base théorie moderne structure de l'atome est un modèle planétaire, complété et amélioré. Selon cette théorie, le noyau d'un atome est constitué de protons (particules chargées positivement) et de neurones (particules non chargées). Et autour du noyau, les électrons (particules chargées négativement) se déplacent selon des trajectoires indéfinies.

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La masse des électrons est plusieurs milliers de fois inférieure à la masse des atomes. Puisque l'atome dans son ensemble est neutre, la majeure partie de l'atome tombe donc sur sa partie chargée positivement.

Pour une étude expérimentale de la distribution d'une charge positive, et donc de la masse à l'intérieur de l'atome, Rutherford proposa en 1906 d'appliquer le sondage de l'atome en utilisant α -particules. Ces particules proviennent de la désintégration du radium et de certains autres éléments. Leur masse est d'environ 8000 fois la masse de l'électron et la charge positive est égale en module à deux fois la charge de l'électron. Ce ne sont que des atomes d'hélium entièrement ionisés. Vitesse α -les particules sont très grosses : c'est 1/15 de la vitesse de la lumière.

Avec ces particules, Rutherford a bombardé les atomes d'éléments lourds. Les électrons, en raison de leur faible masse, ne peuvent pas modifier sensiblement la trajectoire α -les particules, comme un caillou de plusieurs dizaines de grammes lors d'une collision avec une voiture, ne sont pas capables de modifier sensiblement sa vitesse. Diffusion (changement de direction du mouvement) α -les particules ne peuvent causer que la partie chargée positivement de l'atome. Ainsi, en dispersant α -les particules peuvent déterminer la nature de la distribution de la charge positive et de la masse à l'intérieur de l'atome.

Une préparation radioactive, telle que du radium, a été placée à l'intérieur du cylindre de plomb 1, le long duquel un canal étroit a été foré. empaqueter α -les particules du canal sont tombées sur une feuille mince 2 du matériau à l'étude (or, cuivre, etc.). Après diffusion α -les particules sont tombées sur un écran translucide 3 recouvert de sulfure de zinc. La collision de chaque particule avec l'écran s'accompagnait d'un flash lumineux (scintillation), observable au microscope 4. L'ensemble de l'appareil était placé dans une cuve dont l'air était évacué.

Avec un bon vide à l'intérieur de l'appareil, en l'absence de feuille, un cercle lumineux est apparu sur l'écran, constitué de scintillations provoquées par un faisceau fin α -particules. Mais lorsque la feuille a été placée dans le chemin du faisceau, α -les particules dues à la diffusion étaient réparties sur l'écran en cercle zone plus grande. En modifiant le montage expérimental, Rutherford a essayé de détecter la déviation α -particules aux grands angles. De manière tout à fait inattendue, il s'est avéré qu'un petit nombre α -particules (environ une sur deux mille) déviées à des angles supérieurs à 90°. Plus tard, Rutherford a admis que, après avoir proposé à ses étudiants une expérience pour observer la diffusion α -particules aux grands angles, lui-même ne croyait pas à un résultat positif. "C'est presque aussi incroyable", a déclaré Rutherford, "que si vous aviez tiré un projectile de 15 pouces sur un morceau de papier fin, et que le projectile revenait vers vous et vous frappait." En effet, il était impossible de prédire ce résultat sur la base du modèle de Thomson. Lorsqu'elle est répartie dans tout l'atome, une charge positive ne peut pas créer un champ électrique suffisamment intense capable de renvoyer la particule a. Force maximale la répulsion est déterminée par la loi de Coulomb :

où q α - charge α -particules ; q est la charge positive de l'atome ; r est son rayon ; k - coefficient de proportionnalité. L'intensité du champ électrique d'une balle uniformément chargée est maximale à la surface de la balle et diminue jusqu'à zéro à mesure qu'elle s'approche du centre. Par conséquent, plus le rayon r est petit, plus la force répulsive est grande α -particules.

Détermination de la taille du noyau atomique. Rutherford s'est rendu compte que α - la particule ne peut être rejetée que si la charge positive de l'atome et sa masse sont concentrées dans une toute petite région de l'espace. Rutherford a donc eu l'idée du noyau atomique - un corps de petite taille, dans lequel presque toute la masse et toute la charge positive de l'atome sont concentrées.

Modèle planétaire de l'atome, ou Modèle Rutherford, - le modèle historique de la structure de l'atome, proposé par Ernest Rutherford à la suite d'une expérience de diffusion de particules alpha. Selon ce modèle, l'atome est constitué d'un petit noyau chargé positivement, dans lequel presque toute la masse de l'atome est concentrée, autour duquel les électrons se déplacent, tout comme les planètes se déplacent autour du soleil. Le modèle planétaire de l'atome correspond aux idées modernes sur la structure de l'atome, en tenant compte du fait que le mouvement des électrons est de nature quantique et n'est pas décrit par les lois de la mécanique classique. Historiquement, le modèle planétaire de Rutherford a remplacé le "modèle de pudding aux prunes" de Joseph John Thomson, qui postule que des électrons chargés négativement sont placés à l'intérieur d'un atome chargé positivement.

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