Koji je model strukture atoma Rutherford predložio. Neki povijesni i moderni modeli atoma

Povijesni modeli1 atoma odražavaju razine znanja koje odgovaraju određenom razdoblju u razvoju znanosti.

Prvu fazu u razvoju atomskih modela karakterizirao je nedostatak eksperimentalnih podataka o njegovoj strukturi.

Objašnjavajući fenomene mikrokozmosa, znanstvenici su tražili analogije u makrokozmosu, oslanjajući se na zakone klasične mehanike.

J. Dalton, tvorac kemijskog atomizma (1803), pretpostavio je da atomi istog kemijski element su iste sferične najmanje, pa prema tome, nedjeljive čestice.

Francuski fizičar Jean Baptiste Perrin (1901.) predložio je model koji je zapravo anticipirao "planetarni" model. Prema ovom modelu, u središtu atoma nalazi se pozitivno nabijena jezgra, oko koje se po određenim orbitama kreću negativno nabijeni elektroni, poput planeta oko Sunca. Perrinov model nije privukao pozornost znanstvenika, jer je dao samo kvalitativnu, ali ne i kvantitativnu karakteristiku atoma (na slici 7. to je prikazano neskladom između naboja atomske jezgre i broja elektrona).

Godine 1902. engleski fizičar William Thomson (Kelvin) razvio je ideju o atomu kao pozitivno nabijenoj sfernoj čestici, unutar koje negativno nabijeni elektroni osciliraju (zrače i apsorbiraju energiju). Kelvin je skrenuo pozornost na činjenicu da je broj elektrona jednak pozitivnom naboju sfere, stoga, općenito, atom nema električni naboj (slika 7.).

Godinu dana kasnije, njemački fizičar Philipp Lenard predložio je model prema kojem je atom šuplja kugla, unutar koje se nalaze električni dipoli (dinamidi). Volumen koji zauzimaju ti dipoli mnogo je manji od volumena sfere, a glavni dio atoma je prazan.

Prema zamisli japanskog fizičara Gontaroa (Hantaro) Nagaoke (1904.), pozitivno nabijena jezgra nalazi se u središtu atoma, a elektroni se kreću u prostoru oko jezgre u ravnim prstenovima koji nalikuju prstenovima planeta Saturn (ovo model je nazvan "saturnovskim" atomom). Većina znanstvenika nije obratila pozornost na ideje Nagaoke, iako one u određenoj mjeri imaju nešto zajedničko s modernom idejom atomske orbite.

Niti jedan od razmatranih modela (slika 7.) nije objasnio kako su svojstva kemijskih elemenata povezana sa strukturom njihovih atoma.

Riža. 7. Neki povijesni modeli atoma

Godine 1907. J. J. Thomson predložio je statički model strukture atoma, koji predstavlja atom kao sfernu česticu nabijenu pozitivnim elektricitetom, u kojoj su negativno nabijeni elektroni jednoliko raspoređeni ( model"puding“, slika 7).

Matematički proračuni su pokazali da elektroni u atomu moraju biti smješteni na koncentrično raspoređenim prstenovima. Thomson je učinio vrlo važan zaključak: razlog periodične promjene svojstava kemijskih elemenata povezan je sa značajkama elektronička struktura njihovi atomi. Zahvaljujući tome, Thomsonov model atoma vrlo su cijenili njegovi suvremenici. Međutim, nije objasnio određene pojave, na primjer, raspršivanje α-čestica tijekom njihovog prolaska kroz metalna ploča.

Na temelju svojih ideja o atomu Thomson je izveo formulu za izračun prosječne devijacije α-čestica, a ovaj proračun je pokazao da je vjerojatnost raspršenja takvih čestica pod velikim kutovima blizu nuli. Međutim, eksperimentalno je dokazano da se otprilike jedna od osam tisuća alfa čestica koje padaju na zlatnu foliju otklone pod kutom većim od 90°. To je bilo u suprotnosti s Thomsonovim modelom, koji je pretpostavljao odstupanja samo pod malim kutovima.

Ernest Rutherford, sažimajući eksperimentalne podatke, 1911. predložio je "planetarni" (ponekad nazvan "nuklearni") model strukture atoma, prema kojem je 99,9% mase atoma i njegovog pozitivnog naboja koncentrirani u vrlo maloj jezgri, a negativno nabijeni elektroni, čiji je broj jednak naboju jezgre, kruže oko njega, poput planeta Sunčevog sustava1 (slika 7).

Rutherford je zajedno sa svojim studentima postavio pokuse koji su omogućili istraživanje strukture atoma (slika 8). Struja pozitivno nabijenih čestica (α-čestica) usmjerena je na površinu tanke metalne (zlatne) folije 2 iz izvora radioaktivnog zračenja 1. Na njihovom putu postavljen je fluorescentni zaslon 3 koji je omogućio promatranje smjera daljnjeg kretanja α-čestica.

Riža. 8. Rutherfordovo iskustvo

Utvrđeno je da je većina α-čestica prošla kroz foliju, praktički bez promjene smjera. Samo su se pojedine čestice (prosječno jedna od deset tisuća) skretale i letjele gotovo u suprotnom smjeru. Zaključeno je da je većina mase atoma koncentrirana u pozitivno nabijenoj jezgri, zbog čega su α-čestice tako snažno otklone (slika 9.).

Riža. 9. Rasipanje α-čestica atomskom jezgrom

Elektroni koji se kreću u atomu, u skladu sa zakonima elektromagnetizma, moraju zračiti energiju i, gubeći je, biti privučeni suprotno nabijenoj jezgri i stoga "pasti" na nju. To bi trebalo dovesti do nestanka atoma, ali kako se to nije dogodilo, zaključeno je da je ovaj model neadekvatan.

Početkom 20. stoljeća njemački fizičar Max Planck i teoretski fizičar Albert Einstein stvorili su kvantnu teoriju svjetlosti. Prema ovoj teoriji, energija zračenja, poput svjetlosti, emitira se i apsorbira ne kontinuirano, već u zasebnim dijelovima (kvantima). Štoviše, vrijednost kvanta energije nije ista za različita zračenja i proporcionalna je frekvenciji oscilacija elektromagnetskog vala: E = hν, gdje je h – Planckova konstanta jednaka 6,6266 10 -34 J s, ν je frekvencija zračenja. Ovu energiju nose čestice svjetlosti - fotona.

U pokušaju da umjetno spoji zakone klasične mehanike i kvantne teorije, danski fizičar Niels Bohr je 1913. dopunio Rutherfordov model atoma s dva postulata o postupnoj (diskretnoj) promjeni energije elektrona u atomu. Bohr je vjerovao da se elektron u atomu vodika može nalaziti samo na dobro definiranom stacionarne orbite, čiji su radijusi međusobno povezani kao kvadrati prirodni brojevi (1 2: 2 2: 3 2: ... :p 2). Elektroni se kreću okolo atomska jezgra u stacionarnim orbitama. Atom je u stabilnom stanju, bez upijanja ili emitiranja energije – to je prvi Bohrov postulat. Prema drugom postulatu, do emisije energije dolazi samo kada se elektron pomakne na orbitu bliže atomskoj jezgri. Kad se elektron pomakne na udaljeniju orbitu, atom apsorbira energiju. Ovaj model je 1916. poboljšao njemački teoretski fizičar Arnold Sommerfeld, koji je ukazao na kretanje elektrona duž eliptične orbite.

planetarni model, zbog svoje vidljivosti i Bohrovih postulata, Dugo vrijeme koristi se za objašnjenje atomskih i molekularnih pojava. Međutim, pokazalo se da se gibanje elektrona u atomu, stabilnost i svojstva atoma, za razliku od gibanja planeta i stabilnosti Sunčevog sustava, ne mogu opisati zakonima klasične mehanike. Ova mehanika temelji se na Newtonovim zakonima, a predmet njenog proučavanja je kretanje makroskopskih tijela, izvedeno brzinama koje su male u odnosu na brzinu svjetlosti. Za opisivanje strukture atoma potrebno je primijeniti koncepte kvantne (valne) mehanike o dualnoj korpuskularno-valnoj prirodi mikročestica, koje su 1920-ih formulirali teoretski fizičari: Francuz Louis de Broglie, Nijemci Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger, Englez Paul Dirac i drugi.

Louis de Broglie je 1924. iznio hipotezu da elektron ima valna svojstva (prvi princip kvantne mehanike) i predložio formulu za izračunavanje njegove valne duljine. Stabilnost atoma objašnjava se činjenicom da se elektroni u njemu ne kreću po orbitama, već u određenim područjima prostora oko jezgre, koja se nazivaju atomske orbitale. Elektron zauzima gotovo cijeli volumen atoma i ne može "pasti na jezgru" koja se nalazi u njegovom središtu.

Godine 1926. Schrödinger je, nastavljajući razvoj ideja L. de Brogliea o valnim svojstvima elektrona, empirijski odabrao matematičku jednadžbu sličnu jednadžbi vibracija strune, koja se može koristiti za izračunavanje energije vezanja elektrona u atomu pri različite razine energije. Ova je jednadžba postala osnovna jednadžba kvantne mehanike.

Otkriće valnih svojstava elektrona pokazalo je da je širenje znanja o makrokozmosu na objekte mikrokozmosa protuzakonito. Heisenberg je 1927. ustanovio da je nemoguće odrediti točan položaj elektrona u prostoru određenom brzinom, stoga su ideje o gibanju elektrona u atomu vjerojatnosne prirode (drugi princip kvantne mehanike).

Kvantno mehanički model atoma (1926.) opisuje stanje atoma u terminima matematičke funkcije i nema geometrijski izraz (slika 10). Takav model ne razmatra dinamičku prirodu strukture atoma i pitanje veličine elektrona kao čestice. Vjeruje se da elektroni zauzimaju određene energetske razine i emitiraju ili apsorbiraju energiju tijekom prijelaza na druge razine. Na sl. 10 energetskih razina prikazano je shematski kao koncentrični prstenovi smješteni na različitim udaljenostima od atomske jezgre. Strelice pokazuju prijelaze elektrona između razine energije i emisija fotona koja prati te prijelaze. Shema je prikazana kvalitativno i ne odražava stvarne udaljenosti između energetskih razina, koje se mogu razlikovati jedna od druge desetke puta.

Godine 1931. američki znanstvenik Gilbert White prvi je predložio grafički prikaz atomskih orbitala i "orbitalni" model atoma (slika 10.). Modeli atomskih orbitala koriste se za odraz koncepta "gustoće elektrona" i za demonstriranje raspodjele negativnog naboja oko jezgre u atomu ili sustava atomskih jezgri u molekuli.

Riža. 10. Povijesni i moderni modeli atom

Godine 1963. američki umjetnik, kipar i inženjer Kenneth Snelson predložio je "prstenasti model" elektronskih ljuski atoma (slika 10.), koji objašnjava kvantitativnu raspodjelu elektrona u atomu preko stabilnih elektronskih ljuski. Svaki elektron modelira prstenasti magnet (ili zatvoreni krug s električnom strujom koja ima magnetski moment). Prstenasti magneti se međusobno privlače i od prstenova formiraju simetrične oblike - ringhedra. Prisutnost dva pola u magnetima nameće ograničenje moguće opcije sklopovi prstenova. Modeli stabilnih elektronskih ljuski su najsimetričnije figure prstenova, sastavljene uzimajući u obzir prisutnost njihovih magnetskih svojstava.

Prisutnost spina u elektronu (vidi odjeljak 5) jedan je od glavnih razloga za stvaranje stabilnih elektronskih ljuski u atomu. Elektroni tvore parove sa suprotnim spinovima. Prstenasti model elektronskog para, ili ispunjena atomska orbitala, dva su prstena smještena u paralelnim ravninama na suprotnim stranama atomske jezgre. Kada se više od jednog para elektrona nalazi u blizini jezgre atoma, prstenovi-elektroni su prisiljeni međusobno se orijentirati, tvoreći elektronsku ljusku. U ovom slučaju, blisko raspoređeni prstenovi imaju različite smjerove magneta linije sile, što je označeno različite boje prstenovi koji predstavljaju elektrone.

Eksperiment modela pokazuje da je najstabilniji od svih mogućih modela s prstenastim licima model s 8 prstenova. Geometrijski, model je formiran na način kao da je atom u obliku kugle podijeljen na 8 dijelova (podijeljenih tri puta na pola) i u svaki dio stavljen po jedan prsten-elektron. U prstenastim modelima koriste se prstenovi dvije boje: crvena i plava, koji odražavaju pozitivno i negativno značenje spin elektrona.

"Model s valovima" (slika 10) sličan je modelu "prstenastog" s tom razlikom što je svaki elektron atoma predstavljen prstenom "valnog" prstena, koji sadrži cijeli broj valova (npr. predložio L. de Broglie).

Interakcija elektrona elektronske ljuske na ovom modelu atoma prikazana je podudarnošću dodirnih točaka plavog i crvenog "valnog" prstena s čvorovima stajaćih valova.

Modeli atoma imaju pravo na postojanje i granice primjene. Svaki model atoma je aproksimacija koja u pojednostavljenom obliku odražava određeni dio znanja o atomu. No niti jedan od modela ne odražava u potpunosti svojstva atoma ili njegovih sastavnih čestica.

Mnogi modeli danas su samo od povijesnog interesa. Kada su gradili modele objekata mikrosvijeta, znanstvenici su se oslanjali na ono što se može izravno promatrati. Tako su se pojavili modeli Perrina i Rutherforda (analogija sa strukturom Sunčevog sustava), Nagaoke (neka vrsta planeta Saturna), Thomsona ("puding od grožđica"). Neke su ideje odbačene (Lenardov dinamički model), druge su nakon nekog vremena ponovno preispitane, ali na novoj, višoj razini. teorijska razina: modeli Perrina i Kelvina razvijeni su u modelima Rutherforda i Thomsona. Ideje o strukturi atoma neprestano se poboljšavaju. Koliko je moderni – “kvantno-mehanički” model točan – vrijeme će pokazati. Zato je na vrhu spirale nacrtan upitnik koji simbolizira put spoznaje (slika 7).

Postali su važan korak u razvoju fizike. Rutherfordov model bio je od velike važnosti. Atom kao sustav i čestice koje ga čine proučavan je točnije i detaljnije. To je dovelo do uspješnog razvoja takve znanosti kao što je nuklearna fizika.

Drevne ideje o strukturi materije

Pretpostavka da su okolna tijela sastavljena od najsitnijih čestica nastala je u antičko doba. Mislioci toga vremena predstavljali su atom kao najmanju i nedjeljivu česticu bilo koje tvari. Tvrdili su da u svemiru ne postoji ništa manje od atoma. Takva su stajališta imali veliki starogrčki znanstvenici i filozofi - Demokrit, Lukrecije, Epikur. Hipoteze ovih mislilaca danas su objedinjene pod nazivom "antički atomizam".

Srednjovjekovne predstave

Prošla su vremena antike, a u srednjem vijeku bilo je i znanstvenika koji su iznosili različite pretpostavke o strukturi tvari. Međutim, prevlast religioznih filozofskih stajališta i moć crkve u tom razdoblju povijesti su u korijenu ugušili sve pokušaje i težnje ljudskog uma za materijalističkim znanstvenim zaključcima i otkrićima. Kao što znate, srednjovjekovna inkvizicija se ponašala vrlo neprijateljski prema predstavnicima znanstvenog svijeta tog vremena. Ostaje reći da su tadašnji bistri umovi imali ideju koja je došla od antike o nedjeljivosti atoma.

Istraživanja u 18. i 19. stoljeću

18. stoljeće obilježila su ozbiljna otkrića na području elementarne strukture materije. Uglavnom zahvaljujući naporima znanstvenika poput Antoinea Lavoisiera, Mikhaila Lomonosova i neovisno jedan o drugom, uspjeli su dokazati da atomi stvarno postoje. Ali pitanje o njima unutarnja struktura ostao otvoren. Takvim je obilježen kraj 18. stoljeća značajan događaj u znanstveni svijet, kao što je D. I. Mendeljejev otkrio periodični sustav kemijskih elemenata. To je bio uistinu snažan proboj tog vremena i podigao je veo nad shvaćanjem da svi atomi imaju jedinstvenu prirodu, da su međusobno povezani. Kasnije, u 19. stoljeću, još jedan važan korak prema razotkrivanju strukture atoma bio je dokaz da bilo koji od njih sadrži elektron. Rad znanstvenika ovog razdoblja pripremio je plodno tlo za otkrića 20. stoljeća.

Thomsonovi eksperimenti

Engleski fizičar John Thomson dokazao je 1897. da sastav atoma uključuje elektrone s negativnim nabojem. U ovoj fazi konačno su uništene lažne ideje da je atom granica djeljivosti bilo koje tvari. Kako je Thomson uspio dokazati postojanje elektrona? Znanstvenik je u svojim eksperimentima stavio elektrode u vrlo razrijeđene plinove i prošao struja. Rezultat su bile katodne zrake. Thomson je pažljivo proučavao njihove značajke i otkrio da su to tok nabijenih čestica koje se kreću velikom brzinom. Znanstvenik je uspio izračunati masu ovih čestica i njihov naboj. Također je otkrio da se ne mogu pretvoriti u neutralne čestice jer električno punjenje je temelj njihove prirode. Takvi su bili i Thomson i tvorac prvog svjetskog modela strukture atoma. Prema njoj, atom je gomila pozitivno nabijene tvari, u kojoj su negativno nabijeni elektroni ravnomjerno raspoređeni. Ova struktura objašnjava opću neutralnost atoma, budući da suprotni naboji međusobno uravnotežuju. Eksperimenti Johna Thomsona postali su neprocjenjivi za daljnje proučavanje strukture atoma. Međutim, mnoga pitanja ostala su bez odgovora.

Rutherfordovo istraživanje

Thomson je otkrio postojanje elektrona, ali nije uspio pronaći pozitivno nabijene čestice u atomu. ispravio je ovaj nesporazum 1911. Tijekom pokusa, proučavajući aktivnost alfa čestica u plinovima, otkrio je da u atomu postoje pozitivno nabijene čestice. Rutherford je vidio da kada zrake prolaze kroz plin ili kroz tanku metalnu ploču, mali broj čestica oštro odstupa od putanje gibanja. Doslovno su bačeni nazad. Znanstvenik je pretpostavio da je takvo ponašanje posljedica sudara s pozitivno nabijenim česticama. Takvi eksperimenti omogućili su fizičaru da stvori Rutherfordov model strukture atoma.

planetarni model

Sada su se ideje znanstvenika donekle razlikovale od pretpostavki Johna Thomsona. Njihovi modeli atoma također su postali drugačiji. omogućio mu da stvori potpuno novu teoriju na ovom području. Otkrića znanstvenika bila su odlučujuća za daljnji razvoj fizika. Rutherfordov model opisuje atom kao jezgru smještenu u središtu i elektrone koji se kreću oko nje. Jezgra ima pozitivan naboj, a elektroni negativni. Rutherfordov model atoma pretpostavio je rotaciju elektrona oko jezgre po određenim putanjama – orbitama. Otkriće znanstvenika pomoglo je objasniti razlog odstupanja alfa čestica i postalo poticaj za razvoj nuklearne teorije atoma. U Rutherfordovom modelu atoma postoji analogija s kretanjem planeta Sunčevog sustava oko Sunca. Ovo je vrlo točna i živopisna usporedba. Stoga je Rutherfordov model, u kojem se atom giba oko jezgre u orbiti, nazvan planetarnim.

Djela Nielsa Bohra

Dvije godine kasnije, danski fizičar Niels Bohr pokušao je kombinirati ideje o strukturi atoma s kvantnim svojstvima. svjetlosni tok. nuklearni model Rutherfordov atom znanstvenici su stavili kao osnovu njegovog nova teorija. Prema Bohru, atomi se okreću oko jezgre po kružnim orbitama. Takva putanja gibanja dovodi do ubrzanja elektrona. Osim toga, Coulomb interakcija ovih čestica sa središtem atoma je popraćena stvaranjem i potrošnjom energije za održavanje prostornog elektromagnetsko polje zbog kretanja elektrona. U takvim uvjetima, negativno nabijene čestice moraju jednog dana pasti na jezgru. Ali to se ne događa, što ukazuje na veću stabilnost atoma kao sustava. Niels Bohr je shvatio da zakoni klasične termodinamike opisani Maxwellovim jednadžbama ne djeluju u intraatomskim uvjetima. Stoga si je znanstvenik postavio zadatak da izvede nove obrasce koji bi vrijedili u svijetu elementarne čestice.

Borovi postulati

Uglavnom zbog činjenice da je postojao Rutherfordov model, da su atom i njegove komponente bili dobro proučeni, Niels Bohr je mogao pristupiti stvaranju svojih postulata. Prvi od njih kaže da atom ima pri čemu ne mijenja svoju energiju, dok se elektroni kreću po putanjama ne mijenjajući svoju putanju. Prema drugom postulatu, kada se elektron kreće s jedne orbite na drugu, energija se oslobađa ili apsorbira. Ona je jednaka razlici između energija prethodnog i naknadnog stanja atoma. U tom slučaju, ako elektron skoči na orbitu bliže jezgri, tada dolazi do zračenja i obrnuto. Unatoč činjenici da kretanje elektrona malo nalikuje orbitalnoj putanji koja se nalazi strogo u krugu, Bohrovo otkriće pružilo je izvrsno objašnjenje za postojanje linijskog spektra. Otprilike u isto vrijeme, fizičari Hertz i Frank, koji su živjeli u Njemačkoj , potvrdio je teoriju Nielsa Bohra o postojanju stacionarnih, stabilnih stanja atoma i mogućnosti promjene vrijednosti atomske energije.

Suradnja dvaju znanstvenika

Usput, Rutherford Dugo vrijeme nisu mogli utvrditi Znanstvenici Marsden i Geiger pokušali su ponovno provjeriti izjave Ernesta Rutherforda i, kao rezultat detaljnih i pažljivih eksperimenata i proračuna, došli do zaključka da je jezgra najvažnija karakteristika atoma, a sav njegov naboj koncentriran je u njemu. Kasnije je dokazano da je vrijednost naboja jezgre brojčano jednaka rednom broju elementa u periodični sustav elementi D. I. Mendeljejeva. Zanimljivo je da je Niels Bohr ubrzo upoznao Rutherforda i u potpunosti se složio s njegovim stavovima. Nakon toga, znanstvenici su dugo radili zajedno u istom laboratoriju. Rutherfordov model, atom kao sustav koji se sastoji od elementarnih nabijenih čestica – sve je to Niels Bohr smatrao poštenim i zauvijek ostavio po strani elektronički model. zgloba znanstvena djelatnost znanstvenici je bio vrlo uspješan i urodio je plodom. Svaki od njih se upustio u proučavanje svojstava elementarnih čestica i napravio značajna otkrića za znanost. Kasnije je Rutherford otkrio i dokazao mogućnost nuklearne razgradnje, no to je tema za drugi članak.

Detalji Kategorija: Fizika atoma i atomske jezgre Objavljeno 10.3.2016. 18:27 Pregleda: 4106

Drevni grčki i staroindijski znanstvenici i filozofi vjerovali su da se sve tvari oko nas sastoje od sitnih čestica koje se ne dijele.

Bili su sigurni da ne postoji ništa na svijetu što bi bilo manje od ovih čestica koje su zvali atoma . I doista, kasnije su postojanje atoma dokazali poznati znanstvenici kao što su Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton. Atom se smatrao nedjeljivim sve do kraja 19. - početka 20. stoljeća, kada se pokazalo da to nije tako.

Otkriće elektrona. Thomsonov model atoma

Joseph John Thomson

Godine 1897. engleski fizičar Joseph John Thomson, eksperimentalno proučavajući ponašanje katodnih zraka u magnetskim i električna polja, otkrio da su te zrake tok negativno nabijenih čestica. Brzina kretanja ovih čestica bila je ispod brzine svjetlosti. Stoga su imali masu. Odakle su došli? Znanstvenik je sugerirao da su te čestice dio atoma. Nazvao ih je tjelešca . Kasnije su pozvani elektrona . Tako je otkriće elektrona okončalo teoriju o nedjeljivosti atoma.

Thomsonov model atoma

Thomson je predložio prvi elektronski model atoma. Prema njemu, atom je kugla unutar koje se nalazi nabijena tvar, čiji je pozitivni naboj ravnomjerno raspoređen po volumenu. I u ovoj tvari, poput grožđica u lepinji, umiješani su elektroni. Općenito, atom je električno neutralan. Ovaj model nazvan je "model pudinga od šljiva".

No pokazalo se da je Thomsonov model pogrešan, što je i dokazano britanski fizičar Sir Ernest Rutherford.

Rutherfordovo iskustvo

Ernest Rutherford

Kako je atom zapravo uređen? Rutherford je na to pitanje dao odgovor nakon svog eksperimenta, provedenog 1909. godine zajedno s njemačkim fizičarem Hansom Geigerom i novozelandskim fizičarem Ernstom Marsdenom.

Rutherfordovo iskustvo

Svrha eksperimenta bila je proučavanje atoma uz pomoć alfa čestica, čiji je fokusirani snop, leteći velikom brzinom, bio usmjeren na najtanju zlatnu foliju. Iza folije se nalazio luminiscentni ekran. Kad su se čestice sudarale s njim, pojavili su se bljeskovi koji su se mogli promatrati pod mikroskopom.

Ako je Thomson u pravu, a atom je sastavljen od oblaka elektrona, tada bi čestice trebale lako proletjeti kroz foliju bez da se sklone. Budući da je masa alfa čestice premašila masu elektrona za oko 8000 puta, elektron nije mogao djelovati na nju i skrenuti njezinu putanju pod velikim kutom, kao što kamenčić od 10 g ne bi mogao promijeniti putanju automobila u pokretu.

No u praksi je sve ispalo drugačije. Većina čestica je zapravo proletjela kroz foliju, praktički ne odstupajući niti odstupajući za mali kut. No neke su čestice prilično značajno skrenule ili su se čak odbile, kao da im je na putu bila neka prepreka. Kao što je sam Rutherford rekao, bilo je nevjerojatno kao da se projektil od 15 inča odbio od komada maramice.

Što je uzrokovalo da neke alfa čestice toliko promijene smjer? Znanstvenik je sugerirao da je razlog tome dio atoma, koncentriran u vrlo malom volumenu i koji ima pozitivan naboj. Nazvao ju je jezgra atoma.

Rutherfordov planetarni model atoma

Rutherfordov model atoma

Rutherford je došao do zaključka da se atom sastoji od guste pozitivno nabijene jezgre smještene u središtu atoma i elektrona koji imaju negativan naboj. Gotovo sva masa atoma koncentrirana je u jezgri. Općenito, atom je neutralan. Pozitivni naboj jezgre jednak je zbroju negativnih naboja svih elektrona u atomu. Ali elektroni nisu ugrađeni u jezgru, kao u Thomsonovom modelu, već se okreću oko nje kao što se planeti okreću oko Sunca. Rotacija elektrona događa se pod djelovanjem Coulombove sile koja na njih djeluje iz jezgre. Brzina rotacije elektrona je ogromna. Iznad površine jezgre tvore svojevrsni oblak. Svaki atom ima svoj elektronski oblak, negativno nabijen. Iz tog razloga se ne "lijepe zajedno", već se međusobno odbijaju.

Zbog svoje sličnosti sa Sunčevim sustavom, Rutherfordov model nazvan je planetarnim.

Zašto atom postoji

Međutim, Rutherfordov model atoma nije uspio objasniti zašto je atom tako stabilan. Uostalom, prema zakonima klasične fizike, elektron, koji se rotira u orbiti, kreće se ubrzano, dakle, zrači Elektromagnetski valovi i gubi energiju. Na kraju ta energija mora nestati, a elektron mora pasti u jezgru. Da je to slučaj, atom bi mogao postojati samo 10 -8 s. Ali zašto se to ne događa?

Razlog za ovaj fenomen kasnije je objasnio danski fizičar Niels Bohr. Predložio je da se elektroni u atomu kreću samo po fiksnim orbitama, koje se nazivaju "dopuštene orbite". Budući da su na njima, ne zrače energiju. A emisija ili apsorpcija energije događa se samo kada se elektron kreće iz jedne dopuštene orbite u drugu. Ako je ovo prijelaz iz udaljene orbite u orbitu bliže jezgri, tada se energija zrači i obrnuto. Zračenje se javlja u porcijama, koje se tzv kvanti.

Iako model koji je opisao Rutherford nije mogao objasniti stabilnost atoma, omogućio je značajan napredak u proučavanju njegove strukture.

Planetarni model atoma

Planetarni model atoma: jezgra (crveno) i elektroni (zeleno)

Planetarni model atoma, ili Rutherfordov model, - povijesni model strukture atoma, koji je predložio Ernest Rutherford kao rezultat eksperimenta s raspršivanjem alfa čestica. Prema ovom modelu, atom se sastoji od male pozitivno nabijene jezgre, u kojoj je koncentrirana gotovo sva masa atoma, oko koje se kreću elektroni, baš kao što se planeti kreću oko Sunca. Planetarni model atoma odgovara suvremenim idejama o strukturi atoma, uzimajući u obzir činjenicu da je kretanje elektrona kvantne prirode i nije opisano zakonima klasične mehanike. Povijesno gledano, Rutherfordov planetarni model naslijedio je "model pudinga od šljiva" Josepha Johna Thomsona koji postulira da su negativno nabijeni elektroni smješteni unutar pozitivno nabijenog atoma.

Rutherford je 1911. predložio novi model strukture atoma kao zaključak iz eksperimenta raspršenja alfa čestica na zlatnoj foliji, provedenog pod njegovim vodstvom. S ovim raspršivanjem, neočekivano veliki broj alfa čestice bile su raspršene pod velikim kutovima, što je ukazivalo da centar raspršenja ima mala veličina a sadrži značajan električni naboj. Rutherfordovi izračuni pokazali su da centar raspršenja, pozitivno ili negativno nabijen, mora biti najmanje 3000 puta manja veličina atom, koji je u to vrijeme već bio poznat i procijenjen na oko 10 -10 m. Budući da su tada već bili poznati elektroni, te određena njihova masa i naboj, središte raspršenja, koje je kasnije nazvano jezgrom, mora imaju suprotan naboj od elektrona. Rutherford nije povezao količinu naboja s atomskim brojem. Ovaj zaključak donesen je kasnije. I sam Rutherford je sugerirao da je naboj proporcionalan atomskoj masi.

Nedostatak planetarnog modela bila je njegova nekompatibilnost sa zakonima klasične fizike. Ako se elektroni gibaju oko jezgre poput planeta oko Sunca, tada je njihovo kretanje ubrzano, pa bi, prema zakonima klasične elektrodinamike, trebali zračiti elektromagnetske valove, gubiti energiju i padati na jezgru. Sljedeći korak u razvoju planetarnog modela bio je Bohrov model, koji je postulirao druge, različite od klasičnih, zakone gibanja elektrona. U potpunosti proturječja elektrodinamike mogla je riješiti kvantna mehanika.

Zaklada Wikimedia. 2010 .

• Planetarij Eise Eisingi
• planetarna fantazija

Pogledajte što je "Planetarni model atoma" u drugim rječnicima:

planetarni model atoma- planetinis atomo modelis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. model planetarnog atoma vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. planetarni model atoma, f pranc. modele planétaire de l'atome, m … Fizikos terminų žodynas

Bohrov model atoma- Bohrov model atoma sličnog vodiku (naboj jezgre Z), gdje je negativno nabijeni elektron zatvoren u atomsku ljusku koja okružuje malu, pozitivno nabijenu atomsku jezgru ... Wikipedia

Model (u znanosti)- Model (franc. modèle, tal. modello, od lat. modulus mjera, mjera, uzorak, norma), 1) uzorak koji služi kao standard (standard) za serijsku ili masovnu reprodukciju (M. auto, M. odjeća i sl. . ), kao i vrstu, marku bilo kojeg ... ...

Model- I model (model) Walter (24. siječnja 1891., Gentin, istočna Pruska, 21. travnja 1945., blizu Duisburga), nacistički njemački general feldmaršal (1944.). U vojsci od 1909., sudjelovao u 1. svjetskom ratu 1914. 18. Od studenog 1940. zapovijedao je 3. tenkom ... ... Velika sovjetska enciklopedija

STRUKTURA ATOMA- (vidi) je izgrađen od elementarnih čestica tri vrste (vidi), (vidi) i (vidi), tvoreći stabilan sustav. Proton i neutron su dio atoma (vidi), elektroni tvore elektronsku ljusku. U jezgri djeluju sile (vidi), zahvaljujući kojima ... ... Velika politehnička enciklopedija

Atom- Ovaj izraz ima druga značenja, vidi Atom (značenja). Atom helija Atom (iz drugog grčkog ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871. 1937.), engleski fizičar, jedan od tvoraca teorije radioaktivnosti i strukture atoma, utemeljitelj znanstvena škola, inozemni dopisni član Ruske akademije znanosti (1922.) i počasni član Akademije znanosti SSSR-a (1925.). Rođen na Novom Zelandu, nakon diplomiranja na ... ... enciklopedijski rječnik

Άτομο

tjelešce- Atom helija Atom (još jedan grčki ἄτομος nedjeljiv) je najmanji dio kemijskog elementa, koji je nositelj njegovih svojstava. Atom se sastoji od atomske jezgre i elektronskog oblaka koji ga okružuje. Jezgra atoma sastoji se od pozitivno nabijenih protona i ... ... Wikipedia

tjelešca- Atom helija Atom (još jedan grčki ἄτομος nedjeljiv) je najmanji dio kemijskog elementa, koji je nositelj njegovih svojstava. Atom se sastoji od atomske jezgre i elektronskog oblaka koji ga okružuje. Jezgra atoma sastoji se od pozitivno nabijenih protona i ... ... Wikipedia

knjige

• Set stolova. Fizika. 11. razred (15 tablica), . Edukativni album od 15 listova. Transformator. Elektromagnetska indukcija u Moderna tehnologija. Elektronske svjetiljke. Katodna cijev. Poluvodiči. poluvodička dioda. Tranzistor.…

Predavanje: Planetarni model atoma

Struktura atoma

Najtočniji način određivanja strukture bilo koje tvari je spektralna analiza. Zračenje svakog atoma elementa isključivo je individualno. Međutim, prije nego što shvatimo kako se događa spektralna analiza, shvatimo kakvu strukturu ima atom bilo kojeg elementa.

Prvu pretpostavku o strukturi atoma iznio je J. Thomson. Ovaj znanstvenik već dugo proučava atome. Štoviše, on je taj koji je vlasnik otkrića elektrona - za koji je dobio Nobelova nagrada. Model koji je Thomson predložio nije imao nikakve veze sa stvarnošću, ali je poslužio kao dovoljno snažan poticaj Rutherfordu da proučava strukturu atoma. Model koji je predložio Thomson nazvan je "puding od grožđica".

Thomson je vjerovao da je atom čvrsta lopta s negativnim električnim nabojem. Kako bi se to nadoknadilo, elektroni se ubacuju u loptu, poput grožđica. Ukratko, naboj elektrona podudara se s nabojem cijele jezgre, što atom čini neutralnim.

Tijekom proučavanja strukture atoma ustanovljeno je da svi atomi u čvrste tvari počiniti oscilatorna kretanja. I, kao što znate, svaka pokretna čestica zrači valove. Zato svaki atom ima svoj spektar. Međutim, te se izjave ni na koji način nisu uklapale u Thomsonov model.

Rutherfordovo iskustvo

Kako bi potvrdio ili opovrgnuo Thomsonov model, Rutherford je predložio eksperiment koji je rezultirao bombardiranjem atoma nekog elementa alfa česticama. Kao rezultat ovog eksperimenta, bilo je važno vidjeti kako će se čestica ponašati.

Alfa čestice su otkrivene kao rezultat radioaktivnog raspada radija. Njihove struje bile su alfa zrake, od kojih je svaka čestica imala pozitivan naboj. Kao rezultat brojnih istraživanja, utvrđeno je da je alfa čestica poput atoma helija, u kojem nema elektrona. Koristeći trenutna saznanja, znamo da je alfa čestica jezgra helija, dok je Rutherford vjerovao da su to ioni helija.

Svaka alfa čestica imala je ogromnu energiju, zbog čega je mogla letjeti na dotične atome s velika brzina. Stoga je glavni rezultat eksperimenta bio odrediti kut otklona čestica.

Za eksperiment je Rutherford koristio tanku zlatnu foliju. U nju je usmjerio alfa čestice velike brzine. Pretpostavio je da će kao rezultat ovog eksperimenta sve čestice proletjeti kroz foliju, i to uz mala odstupanja. No, kako bi to sa sigurnošću doznao, uputio je svoje učenike da provjere ima li velikih odstupanja u tim česticama.

Rezultat eksperimenta iznenadio je apsolutno sve, jer mnoge čestice ne samo da su odstupile za dovoljno veliki kut - neki su kutovi otklona dosegli više od 90 stupnjeva.

Ovi rezultati su iznenadili apsolutno sve, Rutherford je rekao da se osjećao kao da je komad papira stavljen na put projektila, koji nije dopuštao alfa čestici da prodre unutra, zbog čega se ona vratila.

Da je atom stvarno čvrst, onda bi ga morao imati električno polje, što je usporilo česticu. No, snaga polja nije bila dovoljna da je potpuno zaustavi, a kamoli da je gurne natrag. To znači da je Thomsonov model opovrgnut. Tako je Rutherford počeo raditi na novom modelu.

Rutherfordov model

Da bi se dobio ovaj rezultat eksperimenta, potrebno je koncentrirati pozitivni naboj u manjoj količini, što rezultira većim električnim poljem. Prema formuli potencijala polja može se odrediti potrebna veličina pozitivna čestica koja bi mogla odbiti alfa česticu u suprotnom smjeru. Njegov radijus bi trebao biti reda maksimalnog 10 -15 m. Zato je Rutherford predložio planetarni model atoma.

Ovaj model je tako nazvan s razlogom. Činjenica je da se unutar atoma nalazi pozitivno nabijena jezgra, slična Suncu u Sunčevom sustavu. Elektroni se vrte oko jezgre poput planeta. Sunčev sustav je dizajniran na način da se planeti privlače Suncu uz pomoć gravitacijske sile, međutim, ne padaju na površinu Sunca kao rezultat raspoložive brzine koja ih drži u njihovoj orbiti. Ista stvar se događa i s elektronima – Coulombove sile privlače elektrone u jezgru, ali zbog rotacije ne padaju na površinu jezgre.

Jedna Thomsonova pretpostavka pokazala se apsolutno točnom - ukupni naboj elektrona odgovara naboju jezgre. Međutim, kao rezultat snažne interakcije, elektroni mogu biti izbačeni iz svoje orbite, zbog čega se naboj ne kompenzira i atom se pretvara u pozitivno nabijeni ion.

Vrlo važna informacija o strukturi atoma je da je gotovo sva masa atoma koncentrirana u jezgri. Na primjer, atom vodika ima samo jedan elektron, čija je masa više od tisuću i pol puta manja od mase jezgre.