Nuklearni planetarni model definicije strukture atoma. Planetarni model atoma

Planetarni model atoma predložio je E. Rutherford 1910. godine. Prve studije o strukturi atoma napravio je uz pomoć alfa čestica. Na temelju rezultata dobivenih eksperimentima o njihovom raspršenju, Rutherford je pretpostavio da je sav pozitivni naboj atoma koncentriran u sićušnoj jezgri u njegovom središtu. S druge strane, negativno nabijeni elektroni raspoređeni su po cijelom njegovom volumenu.

Malo pozadine

Prvu briljantnu pretpostavku o postojanju atoma dao je starogrčki znanstvenik Demokrit. Od tada, ideja o postojanju atoma, čije kombinacije daju sve tvari oko nas, nije napuštala maštu ljudi iz znanosti. Povremeno su joj se obraćali različiti predstavnici, ali sve do početka 19. stoljeća njihove su konstrukcije bile samo hipoteze, nepotkrijepljene eksperimentalnim podacima.

Konačno, 1804. godine, više od stotinu godina prije nego što se pojavio planetarni model atoma, engleski znanstvenik John Dalton pružio je dokaze za njegovo postojanje i uveo pojam atomske težine, što je bila njegova prva kvantitativna karakteristika. Kao i njegovi prethodnici, zamišljao je atome kao najmanje komadiće materije, poput čvrstih kuglica, koje se ne mogu podijeliti na još manje čestice.

Otkriće elektrona i prvi model atoma

Prošlo je gotovo jedno stoljeće kada je, konačno, krajem 19. stoljeća, također Englez J. J. Thomson, otkrio prvu subatomsku česticu, negativno nabijen elektron. Budući da su atomi električki neutralni, Thomson je mislio da se moraju sastojati od pozitivno nabijene jezgre s elektronima raspršenim po njezinom volumenu. Na temelju raznih eksperimentalnih rezultata, 1898. predložio je svoj model atoma, koji se ponekad naziva "šljive u pudingu", jer je atom u njemu bio predstavljen kao kugla ispunjena nekom pozitivno nabijenom tekućinom, u koju su ugrađeni elektroni, kao " šljive u puding. Polumjer takvog sfernog modela bio je oko 10 -8 cm Ukupni pozitivni naboj tekućine je simetrično i ravnomjerno uravnotežen negativnim nabojima elektrona, kao što je prikazano na donjoj slici.

Ovaj model je na zadovoljavajući način objasnio činjenicu da kada se tvar zagrije, ona počinje emitirati svjetlost. Iako je ovo bio prvi pokušaj da se shvati što je atom, nije uspio zadovoljiti rezultate eksperimenata koje su kasnije proveli Rutherford i drugi. Thomson se 1911. složio da njegov model jednostavno ne može odgovoriti kako i zašto dolazi do raspršenja α-zraka promatranog u eksperimentima. Stoga je napušten, a zamijenjen je savršenijim planetarnim modelom atoma.

Kako je atom uopće uređen?

Ernest Rutherford dao je objašnjenje fenomena radioaktivnosti koji ga je doveo Nobelova nagrada, no njegov najznačajniji doprinos znanosti došao je kasnije, kada je ustanovio da se atom sastoji od guste jezgre okružene orbitama elektrona, kao što je Sunce okruženo orbitama planeta.

Prema planetarnom modelu atoma, većina njegove mase koncentrirana je u sićušnoj (u usporedbi s veličinom cijelog atoma) jezgri. Elektroni se kreću oko jezgre, putujući nevjerojatnim brzinama, ali većina volumena atoma je prazan prostor.

Veličina jezgre je toliko mala da je njen promjer 100 000 puta manji od promjera atoma. Promjer jezgre Rutherford je procijenio na 10 -13 cm, za razliku od veličine atoma - 10-8 cm.Izvan jezgre, elektroni kruže oko nje s velike brzine, što rezultira centrifugalnim silama koje uravnotežuju elektrostatske sile privlačenja između protona i elektrona.

Rutherfordovi pokusi

planetarni model Atom je nastao 1911., nakon poznatog eksperimenta sa zlatnom folijom, koji je omogućio dobivanje nekih temeljnih podataka o njegovoj strukturi. Rutherfordov put do otkrića atomska jezgra je dobar primjer uloga kreativnosti u znanosti. Njegova potraga započela je još 1899. kada je otkrio da određeni elementi emitiraju pozitivno nabijene čestice koje mogu prodrijeti kroz sve. On je te čestice nazvao alfa (α) česticama (sada znamo da su to bile jezgre helija). Poput svih dobrih znanstvenika, Rutherford je bio znatiželjan. Pitao se mogu li se pomoću alfa čestica saznati struktura atoma. Rutherford je odlučio usmjeriti snop alfa čestica na list vrlo tanke zlatne folije. Odabrao je zlato jer može proizvesti listove tanke od 0,00004 cm. Iza lista zlatne folije postavio je zaslon koji je svijetlio kada su ga pogodile alfa čestice. Koristio se za detekciju alfa čestica nakon što su prošle kroz foliju. Mali prorez na ekranu omogućio je snopu alfa čestica da dopre do folije nakon izlaska iz izvora. Neki od njih moraju proći kroz foliju i nastaviti se kretati u istom smjeru, dok se drugi dio mora odbiti od folije i reflektirati pod oštrim kutovima. Shemu eksperimenta možete vidjeti na slici ispod.

Što se dogodilo u Rutherfordovom eksperimentu?

Na temelju J. J. Thomsonovog modela atoma, Rutherford je pretpostavio da će čvrsta područja pozitivnog naboja koja ispunjavaju cijeli volumen atoma zlata odstupati ili savijati putanje svih alfa čestica dok prolaze kroz foliju.

Međutim, velika većina alfa čestica prošla je kroz zlatnu foliju kao da je nije bilo. Činilo se kao da prolaze kroz prazan prostor. Tek poneki od njih skrene s pravog puta, kako se u početku mislilo. Ispod je dijagram broja čestica raspršenih u odgovarajućem smjeru u odnosu na kut raspršenja.

Iznenađujuće, mali postotak čestica se odbio od floreta, poput košarkaške lopte koja se odbija od table. Rutherford je shvatio da su ta odstupanja rezultat izravnog sudara između alfa čestica i pozitivno nabijenih komponenti atoma.

Jezgra zauzima središnje mjesto

Na temelju zanemarivog postotka alfa čestica reflektiranih od folije možemo zaključiti da je sav pozitivni naboj i gotovo sva masa atoma koncentrirana u jednom malom području, a ostatak atoma je uglavnom prazan prostor. Rutherford je područje koncentriranog pozitivnog naboja nazvao jezgrom. Predvidio je i ubrzo otkrio da sadrži pozitivno nabijene čestice koje je nazvao protoni. Rutherford je predvidio postojanje neutralnih atomskih čestica zvanih neutroni, ali ih nije uspio otkriti. Međutim, nekoliko godina kasnije otkrio ih je njegov učenik James Chadwick. Donja slika prikazuje strukturu jezgre atoma urana.

Atomi se sastoje od pozitivno nabijenih teških jezgri okruženih negativno nabijenim iznimno lakim česticama-elektronima koji rotiraju oko njih, i to takvim brzinama da mehaničke centrifugalne sile jednostavno uravnotežuju njihovo elektrostatsko privlačenje prema jezgri, te je s tim u vezi navodno osigurana stabilnost atoma.

Nedostaci ovog modela

Rutherfordova glavna ideja bila je povezana s idejom male atomske jezgre. Pretpostavka o orbitama elektrona bila je čista pretpostavka. Nije točno znao gdje i kako elektroni kruže oko jezgre. Stoga Rutherfordov planetarni model ne objašnjava raspodjelu elektrona u orbitama.

Osim toga, stabilnost Rutherfordovog atoma bila je moguća samo uz neprekidno kretanje elektrona u orbitama bez gubitka kinetičke energije. Ali elektrodinamički proračuni pokazali su da kretanje elektrona duž bilo koje krivuljaste putanje, praćeno promjenom smjera vektora brzine i pojavom odgovarajućeg ubrzanja, neizbježno prati emisija elektromagnetske energije. U tom slučaju, prema zakonu održanja energije, kinetička energija elektrona mora se vrlo brzo potrošiti na zračenje, te mora pasti na jezgru, kao što je shematski prikazano na donjoj slici.

Ali to se ne događa, jer su atomi stabilne formacije. Pojavila se tipična znanstvena kontradikcija između modela fenomena i eksperimentalnih podataka.

Od Rutherforda do Nielsa Bohra

Sljedeći veliki korak naprijed u povijesti atoma dogodio se 1913. godine, kada je danski znanstvenik Niels Bohr objavio opis detaljnijeg modela atoma. Jasnije je odredila mjesta gdje bi elektroni mogli biti. Iako će kasniji znanstvenici razviti sofisticiranije atomske dizajne, Bohrov planetarni model atoma bio je u osnovi točan, a veći dio toga je i danas prihvaćen. Imao je mnogo korisnih primjena, na primjer, koristi se za objašnjenje svojstava raznih kemijskih elemenata, prirode njihovog spektra zračenja i strukture atoma. Planetarni model i Bohrov model bile su najvažnije prekretnice koje su označile nastanak novog pravca u fizici – fizike mikrosvijeta. Bohr je 1922. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku za svoj doprinos našem razumijevanju strukture atoma.

Što je novo Bohr donio u model atoma?

Dok je još bio mladić, Bohr je radio u Rutherfordovom laboratoriju u Engleskoj. Budući da je koncept elektrona bio slabo razvijen u Rutherfordovom modelu, Bohr se usredotočio na njih. Kao rezultat toga, planetarni model atoma značajno je poboljšan. Bohrovi postulati, koje je formulirao u svom članku "O strukturi atoma i molekula", objavljenom 1913. godine, glase:

1. Elektroni se mogu kretati oko jezgre samo na fiksnim udaljenostima od nje, određenim količinom energije koju imaju. Te fiksne razine nazvao je energetskim razinama ili elektronskim ljuskama. Bohr ih je zamislio kao koncentrične sfere, s jezgrom u središtu svake. U tom slučaju, elektroni s nižom energijom naći će se na nižim razinama, bliže jezgri. Oni koji imaju više energije naći će se na više visoke razine, daleko od jezgre.

2. Ako elektron apsorbira neku (prilično određenu za danu razinu) količinu energije, tada će skočiti na sljedeću, višu energetsku razinu. Suprotno tome, ako izgubi istu količinu energije, vratit će se na svoju početnu razinu. Međutim, elektron ne može postojati na dvije energetske razine.

Ova ideja je ilustrirana slikom.

Energetski dijelovi za elektrone

Bohrov model atoma zapravo je kombinacija dva razne ideje: Rutherfordov atomski model s elektronima koji kruže oko jezgre (zapravo, to je Bohr-Rutherfordov planetarni model atoma), te ideje njemačkog znanstvenika Maxa Plancka o kvantizaciji energije materije, objavljene 1901. godine. Kvantum (u plural- kvant) je minimalna količina energije koju neka tvar može apsorbirati ili emitirati. To je svojevrsni korak diskretizacije za količinu energije.

Ako se energija uspoređuje s vodom i želite je dodati materiji u obliku čaše, ne možete jednostavno sipati vodu u neprekidnom mlazu. Umjesto toga, možete ga dodati u malim količinama, poput žličice. Bohr je vjerovao da ako elektroni mogu apsorbirati ili gubiti samo fiksne količine energije, onda bi trebali mijenjati svoju energiju samo za te fiksne količine. Stoga, oni mogu zauzimati samo fiksne energetske razine oko jezgre koje odgovaraju kvantiziranim prirastima njihove energije.

Tako iz Bohrovog modela izrasta kvantni pristup objašnjenju strukture atoma. Planetarni model i Bohrov model bili su svojevrsni koraci iz klasične fizike u kvantnu fiziku, koja je glavno oruđe u fizici mikrokozmosa, uključujući i atomsku fiziku.

Planetarni model atoma

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

Planetarni model atoma, ili Rutherfordov model, - povijesni model strukturu atoma, koju je predložio Ernest Rutherford kao rezultat eksperimenta s raspršenjem alfa čestica. Prema tom 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 predodžbama o strukturi atoma, uzimajući u obzir činjenicu da je kretanje elektrona kvantne prirode i da nije opisano zakonima klasične mehanike. Povijesno gledano, Rutherfordov planetarni model naslijedio je "model pudinga od šljiva" Josepha Johna Thomsona, koji pretpostavlja da su negativno nabijeni elektroni smješteni unutar pozitivno nabijenog atoma.

Rutherford je 1911. predložio novi model za strukturu atoma kao zaključak iz eksperimenta o raspršenju alfa čestica na zlatnoj foliji, provedenog pod njegovim vodstvom. Ovim rasipanjem, neočekivano veliki broj alfa čestice bile su raspršene pod velikim kutovima, što je ukazivalo da centar raspršenja ima mala veličina i sadrži značajan električni naboj. Rutherfordovi proračuni pokazali su da središte raspršenja, pozitivno ili negativno nabijeno, mora biti najmanje 3000 puta manje od veličine atoma, koja je u to vrijeme već bila poznata i procijenjena na oko 10 -10 m. Budući da su elektroni već bili poznati na tog vremena, a njihova masa i naboj su određeni, tada je središte raspršenja, koje je kasnije nazvano jezgrom, moralo imati suprotan naboj od elektrona. Rutherford nije povezao količinu naboja s atomskim brojem. Ovaj zaključak je donesen 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 kao planet oko Sunca, tada je njihovo kretanje ubrzano, pa su prema zakonima klasične elektrodinamike trebali zračiti Elektromagnetski valovi, gube energiju i padaju na jezgru. Sljedeći korak u razvoju planetarnog modela bio je Bohrov model, koji je postulirao druge, različite od klasičnih, zakone gibanja elektrona. U potpunosti je proturječja elektrodinamike uspjela riješiti kvantna mehanika.

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

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 (Z nuklearni naboj), gdje je negativno nabijen 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 etalon (etalon) za serijsku ili masovnu reprodukciju (M. auto, M. odjeća i dr. .). ), kao i vrstu, marku bilo kojeg ... ...

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

GRAĐA ATOMA- (vidjeti) izgrađen od elementarne čestice tri tipa (vidi), (vidi) i (vidi), tvoreći stabilan sustav. Proton i neutron dio su atoma (vidi), formiraju se elektroni elektronska ljuska. U jezgri djeluju sile (vidi), zahvaljujući kojima ... ... Velika politehnička enciklopedija

Atom- Ovaj izraz ima i druga značenja, pogledajte Atom (značenja). Atom helija Atom (od drugog grčkog ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871. 1937.), engleski fizičar, jedan od tvoraca teorije o radioaktivnosti i građi atoma, utemelj. znanstvena škola, strani dopisni član Ruske akademije znanosti (1922.) i počasni član Akademije znanosti SSSR-a (1925.). Rođen na Novom Zelandu, nakon što je diplomirao ... ... enciklopedijski rječnik

Άτομο

tjelešce- Atom helija Atom (drugi grčki ἄτομος nedjeljiv) najmanji dio kemijski element, 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 (drugi 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. Ocjena 11 (15 tablica), . Edukativni album od 15 listova. Transformator. Elektromagnetska indukcija u Moderna tehnologija. Elektronske svjetiljke. Katodna cijev. Poluvodiči. poluvodička dioda. Tranzistor.…

Predložen je jedan od prvih modela strukture atoma J. Thomson 1904. Atom je predstavljen kao "more pozitivnog elektriciteta" s elektronima koji osciliraju u njemu. Ukupni negativni naboj elektrona električki neutralnog atoma izjednačen je s njegovim ukupnim pozitivnim nabojem.

Rutherfordovo iskustvo

Ispitati Thomsonovu hipotezu i točnije odrediti strukturu atoma E. Rutherford organizirao niz eksperimenata o raspršenju α -čestice tanke metalne ploče - folija. Godine 1910. Rutherfordovi studenti Hans Geiger i Ernest Marsden izvodio pokuse bombardiranja α - čestice tankih metalnih ploča. Utvrdili su da većina α -čestice prolaze kroz foliju ne mijenjajući svoju putanju. I to nije bilo iznenađujuće, ako prihvatimo ispravnost Thomsonovog modela atoma.

Izvor α - zračenje je postavljeno u olovnu kocku u kojoj je izbušen kanal, tako da je moguće dobiti protok α -čestice koje lete u određenom smjeru. Alfa čestice su dvostruko ionizirani atomi helija ( Ne 2+). Imaju pozitivan naboj od +2 i masu gotovo 7350 puta veću od mase elektrona. Udarac u zaslon obložen cink sulfidom, α -čestice su uzrokovale njegovo svijetljenje, a povećalom su se mogli vidjeti i izbrojati pojedinačni bljeskovi koji se pojavljuju na ekranu kada svaki α -čestice. Između izvora zračenja i zaslona postavljena je folija. Po bljeskovima na ekranu moglo se prosuditi o raspršenosti α - čestice, tj. o njihovom odstupanju od prvobitnog smjera pri prolasku kroz metalni sloj.

Pokazalo se da većina α -čestice prolaze kroz foliju ne mijenjajući joj smjer, iako je debljina folije odgovarala stotinama tisuća atomskih promjera. Ali neki dijele α -čestice još uvijek odstupaju pod malim kutovima, i to povremeno α -čestice su naglo promijenile smjer kretanja i čak (oko 1 od 100 000) bile odbačene unatrag, kao da su naišle na ogromnu prepreku. Slučajevi takvog oštrog odstupanja α -čestice su se mogle promatrati pomicanjem ekrana s povećalom u luku.

Iz rezultata ovog eksperimenta mogu se izvući sljedeći zaključci:

Postoji neka "prepreka" u atomu, koja se naziva jezgrom.
Jezgra ima pozitivan naboj (inače pozitivno nabijena α čestice se ne bi reflektirale natrag).
Jezgra je vrlo mala u usporedbi s veličinom samog atoma (samo mali dio α -čestice promijenile smjer).
Jezgra ima veću masu od mase α -čestice.

Rutherford je objasnio rezultate pokusa prijedlogom "planetarni" model atoma usporedio sa Sunčevim sustavom. Prema planetarnom modelu, u središtu atoma nalazi se vrlo mala jezgra, čija je veličina otprilike 100.000 puta veća od manje veličine sam atom. Ova jezgra sadrži gotovo cijelu masu atoma i nosi pozitivan naboj. Oko jezgre se kreću elektroni čiji je broj određen nabojem jezgre. Vanjska putanja elektrona određuje vanjske dimenzije atoma. Promjer atoma je oko 10 -8 cm, a promjer jezgre je oko 10 -13 ÷10 -12 cm.

Što je veći naboj atomske jezgre, to će se jače odbiti od nje α -čestica, to će češće biti slučajeva jakih odstupanja α -čestice koje prolaze kroz metalni sloj, iz prvobitnog smjera kretanja. Stoga, pokusi raspršenja α -čestice omogućuju ne samo otkrivanje postojanja atomske jezgre, već i određivanje njezina naboja. Već iz Rutherfordovih pokusa proizlazi da je naboj jezgre (izražen u jedinicama naboja elektrona) brojčano jednak rednom broju elementa u periodnom sustavu. Potvrđeno je G. Moseley, koji je 1913. godine uspostavio jednostavnu vezu između valnih duljina pojedinih linija rendgenskog spektra nekog elementa i njegovog rednog broja, te D. Chadwick, koji je 1920. s velikom točnošću odredio naboje atomskih jezgri niza elemenata raspršivanjem α -čestice.

Bio instaliran fizičko značenje redni broj elementa u periodnom sustavu: pokazalo se da je redni broj najvažnija konstanta elementa, izražavajući pozitivan naboj jezgre njegovog atoma. Iz električne neutralnosti atoma proizlazi da je broj elektrona koji rotiraju oko jezgre jednak rednom broju elementa.

Ovo otkriće dalo je novo opravdanje za raspored elemenata u periodnom sustavu. Istovremeno je otklonio prividnu kontradikciju u Mendeljejevljevom sustavu - položaj nekih elemenata s većom atomskom masom ispred elemenata s manjom atomskom masom (telur i jod, argon i kalij, kobalt i nikal). Pokazalo se da tu nema proturječja, budući da je mjesto elementa u sustavu određeno nabojem atomske jezgre. Eksperimentalno je utvrđeno da je naboj jezgre atoma telura 52, a atoma joda 53; dakle telur, unatoč velikom atomska masa, mora stajati na jod. Slično tome, naboji jezgri argona i kalija, nikla i kobalta u potpunosti odgovaraju slijedu rasporeda ovih elemenata u sustavu.

Dakle, naboj atomske jezgre glavna je veličina o kojoj ovise svojstva elementa i njegov položaj u periodnom sustavu. Zato periodični zakon Mendeljejev trenutno se može formulirati na sljedeći način:

Svojstva elemenata i jednostavnih i složene tvari su u periodičnoj ovisnosti o naboju jezgre atoma elemenata

Određivanje serijskih brojeva elemenata prema nabojima jezgri njihovih atoma omogućilo je utvrđivanje ukupni broj mjesta u periodnom sustavu između vodika, koji ima redni broj 1, i urana (atomski broj 92), koji se u to vrijeme smatrao posljednjim članom periodnog sustava elemenata. Kada je nastala teorija o građi atoma, mjesta 43, 61, 72, 75, 85 i 87 ostala su nepopunjena, što je ukazivalo na mogućnost postojanja još neotkrivenih elemenata. I doista, 1922. godine otkriven je element hafnij, koji je zauzeo mjesto 72; zatim 1925. - renij, koji je zauzeo 75. Elementi koji bi trebali zauzeti preostala četiri slobodna mjesta u tablici pokazali su se radioaktivnima i nisu pronađeni u prirodi, već su dobiveni umjetnim putem. Novi elementi nazvani su tehnecij (broj 43), prometij (61), astat (85) i francij (87). Trenutačno su popunjene sve ćelije periodnog sustava između vodika i urana. Međutim, ona periodni sustav nije dovršen.

Atomski spektri

Planetarni model bio je veliki korak u teoriji strukture atoma. Međutim, u nekim je aspektima proturječio dobro utvrđenim činjenicama. Razmotrimo dvije takve kontradikcije.

Prvo, Rutherfordova teorija nije mogla objasniti stabilnost atoma. Elektron koji se okreće oko pozitivno nabijene jezgre mora, poput oscilirajućeg električno punjenje, emitirati elektromagnetska energija u obliku svjetlosnih valova. Ali emitiranjem svjetlosti elektron gubi dio svoje energije, što dovodi do neravnoteže između centrifugalne sile povezane s rotacijom elektrona i sile elektrostatskog privlačenja elektrona prema jezgri. Da bi se uspostavila ravnoteža, elektron se mora približiti jezgri. Tako će se elektron, neprestano zračeći elektromagnetsku energiju i krećući se spiralno, približiti jezgri. Nakon što je iscrpio svu svoju energiju, mora "pasti" na jezgru i atom će prestati postojati. Ovaj zaključak je u suprotnosti stvarna svojstva atomi, koji su stabilne tvorevine, i mogu postojati bez uništenja iznimno dugo vremena.

Drugo, Rutherfordov model doveo je do netočnih zaključaka o prirodi atomskih spektara. Kada se svjetlost koju emitira vruće kruto ili tekuće tijelo propusti kroz staklenu ili kvarcnu prizmu, na ekranu postavljenom iza prizme opaža se takozvani kontinuirani spektar čiji je vidljivi dio obojena traka koja sadrži sve boje duga. Ova pojava se objašnjava činjenicom da zračenje vruće krutine odn tekuće tijelo sastoji se od elektromagnetskih valova različitih frekvencija. Valovi različitih frekvencija prizmom se nejednako lome i padaju na nju razna mjesta zaslon. Frekvencijska konstelacija elektromagnetska radijacija, koju emitira tvar, a naziva se emisijski spektar. S druge strane, tvari apsorbiraju zračenje određenih frekvencija. Ukupnost potonjeg naziva se apsorpcijski spektar tvari.

Za dobivanje spektra, umjesto prizme, možete koristiti difrakcijsku rešetku. Potonji je staklena ploča, na čijoj se površini nanose tanki paralelni potezi na vrlo maloj udaljenosti jedan od drugog (do 1500 poteza po 1 mm). Prolazeći kroz takvu rešetku, svjetlost se razgrađuje i formira spektar sličan onom koji se dobiva korištenjem prizme. Difrakcija je svojstvena svakom valnom gibanju i služi kao jedan od glavnih dokaza valne prirode svjetlosti.

Kada se zagrijava, tvar emitira zrake (zračenje). Ako zračenje ima jednu valnu duljinu, onda se naziva monokromatskim. U većini slučajeva zračenje karakterizira nekoliko valnih duljina. Kada se zračenje razloži na monokromatske komponente, dobiva se spektar zračenja, gdje su njegove pojedine komponente izražene spektralnim linijama.

Spektri dobiveni zračenjem slobodnih ili slabo vezanih atoma (npr. u plinovima ili parama) nazivaju se atomski spektri.

Zračenje koje emitiraju čvrste tvari ili tekućine uvijek daje kontinuirani spektar. Zračenje koje emitiraju vrući plinovi i pare, za razliku od zračenja čvrste tvari i tekućine, sadrži samo određene valne duljine. Stoga se umjesto kontinuirane trake na ekranu dobiva niz odvojenih obojenih linija odvojenih tamnim prazninama. Broj i mjesto ovih linija ovisi o prirodi vrućeg plina ili pare. Dakle, para kalija daje - spektar koji se sastoji od tri linije - dvije crvene i jedne ljubičaste; postoji nekoliko crvenih, žutih i zelenih linija u spektru para kalcija itd.

Zračenje koje emitiraju čvrste tvari ili tekućine uvijek daje kontinuirani spektar. Zračenje koje emitiraju vrući plinovi i pare, za razliku od zračenja čvrstih tijela i tekućina, sadrži samo određene valne duljine. Stoga se umjesto kontinuirane trake na ekranu dobiva niz odvojenih obojenih linija odvojenih tamnim prazninama. Broj i mjesto ovih linija ovisi o prirodi vrućeg plina ili pare. Dakle, para kalija daje spektar koji se sastoji od tri linije - dvije crvene i jedne ljubičaste; postoji nekoliko crvenih, žutih i zelenih linija u spektru para kalcija itd.

Takvi se spektri nazivaju linijski spektri. Utvrđeno je da svjetlost koju emitiraju atomi plinova ima linijski spektar, u kojem se spektralne linije mogu kombinirati u nizu.

U svakoj seriji raspored linija odgovara određenom uzorku. Frekvencije pojedinih linija mogu se opisati Balmerova formula:

Činjenica da atomi svakog elementa daju potpuno određeni spektar svojstven samo tom elementu, a intenzitet odgovarajućih spektralnih linija je što veći, više sadržaja Element u uzorku naširoko se koristi za određivanje kvalitativnog i kvantitativnog sastava tvari i materijala. Ova metoda istraživanja tzv spektralna analiza.

Pokazalo se da planetarni model strukture atoma ne može objasniti linijski emisijski spektar atoma vodika, a još više kombinaciju spektralnih linija u nizu. Elektron koji se okreće oko jezgre mora se približavati jezgri, neprestano mijenjajući brzinu svog kretanja. Frekvencija svjetlosti koju emitira određena je frekvencijom njegove rotacije i stoga se mora neprestano mijenjati. To znači da spektar zračenja atoma mora biti kontinuiran, kontinuiran. Prema ovom modelu, frekvencija zračenja atoma mora biti jednaka frekvenciji mehaničkih vibracija ili biti njen višekratnik, što nije u skladu s Balmerovom formulom. Stoga Rutherfordova teorija nije mogla objasniti niti postojanje stabilnih atoma niti prisutnost njihovih linijskih spektara.

kvantna teorija svjetlosti

Godine 1900 M. Plank pokazao je da se sposobnost zagrijanog tijela da emitira zračenje može ispravno kvantitativno opisati samo uz pretpostavku da energiju zračenja tijela emitiraju i apsorbiraju ne kontinuirano, već diskretno, tj. u zasebnim porcijama – kvantima. U isto vrijeme, energija E svaki takav dio povezan je s frekvencijom zračenja relacijom tzv Planckove jednadžbe:

Planck se dugo vremena vjerovao je da je emisija i apsorpcija svjetlosti kvantima svojstvo tijela koja zrače, a ne samog zračenja, koje može imati bilo kakvu energiju i stoga se može kontinuirano apsorbirati. Međutim, 1905. god Einstein, analizirajući pojavu fotoelektričnog efekta, došao je do zaključka da elektromagnetska (zračeća) energija postoji samo u obliku kvanta i da je, prema tome, zračenje tok nedjeljivih materijalnih "čestica" (fotona), čija je energija odlučan Planckova jednadžba.

fotoelektrični efekt Emisija elektrona metala pod djelovanjem svjetlosti koja pada na njega naziva se. Ovaj fenomen je detaljno proučavan 1888-1890. A. G. Stoletov. Ako postavu stavite u vakuum i nanesete na ploču M negativan potencijal, tada se u strujnom krugu neće primijetiti struja, budući da u prostoru između ploče i rešetke nema nabijenih čestica koje mogu nositi struja. Ali kada je ploča osvijetljena izvorom svjetlosti, galvanometar detektira pojavu struje (zvane fotostruja), čiji su nositelji elektroni koje svjetlost izvlači iz metala.

Pokazalo se da se pri promjeni intenziteta svjetlosti mijenja samo broj elektrona koje emitira metal, tj. jakost fotostruje. Ali maksimalna kinetička energija svakog elektrona emitiranog iz metala ne ovisi o intenzitetu osvjetljenja, već se mijenja samo kada se promijeni frekvencija svjetlosti koja pada na metal. Upravo s povećanjem valne duljine (tj. smanjenjem frekvencije) energija elektrona koje emitira metal opada, a zatim, na valnoj duljini određenoj za svaki metal, fotoelektrični efekt nestaje i ne pojavljuje se čak ni pri vrlo visok intenzitet svjetlosti. Dakle, kada se osvijetli crvenim ili narančastim svjetlom, natrij ne pokazuje fotoelektrični učinak i počinje emitirati elektrone samo na valnoj duljini manjoj od 590 nm (žuto svjetlo); u litiju se fotoelektrični učinak detektira na još nižim valne duljine, počevši od 516 nm ( zeleno svjetlo); a izvlačenje elektrona iz platine pod djelovanjem vidljive svjetlosti uopće se ne događa i počinje tek kad se platina obasja ultraljubičastim zrakama.

Ova svojstva fotoelektričnog efekta potpuno su neobjašnjiva sa stajališta klasične valne teorije svjetlosti, prema kojoj bi učinak trebao biti određen (za određeni metal) samo količinom energije koju metalna površina apsorbira u jedinici vremena, ali ne bi trebao ovisiti o vrsti zračenja koje pada na metal. Međutim, ta ista svojstva dobivaju jednostavno i uvjerljivo objašnjenje ako pretpostavimo da se zračenje sastoji od zasebnih dijelova, fotona, s točno definiranom energijom.

Zapravo, elektron u metalu vezan je za atome metala, tako da se mora potrošiti određena količina energije da bi se izvukao. Ako foton ima potrebnu količinu energije (a energija fotona je određena frekvencijom zračenja), tada će elektron biti izbačen, te će se uočiti fotoelektrični efekt. U procesu interakcije s metalom, foton potpuno predaje svoju energiju elektronu, jer se foton ne može podijeliti na dijelove. Energija fotona će se dijelom potrošiti na kidanje veze između elektrona i metala, a dijelom na prenošenje kinetičke energije gibanja elektronu. Stoga maksimalna kinetička energija elektrona izbačenog iz metala ne može biti veća od razlike između energije fotona i energije vezanja elektrona s atomima metala. Posljedično, s povećanjem broja fotona koji upadnu na površinu metala u jedinici vremena (tj. s povećanjem intenziteta osvjetljenja), povećavat će se samo broj elektrona izbačenih iz metala, što će dovesti do povećanja fotostruja, ali se energija svakog elektrona neće povećati. Ako je energija fotona manja od minimalne energije potrebne za izbacivanje elektrona, fotoelektrični učinak se neće primijetiti za bilo koji broj fotona koji upadnu na metal, tj. pri bilo kojem intenzitetu svjetla.

kvantna teorija svjetlosti, razvijeno Einstein, uspio je objasniti ne samo svojstva fotoelektričnog učinka, već i zakone kemijskog djelovanja svjetlosti, temperaturna ovisnost toplinski kapacitet čvrstih tijela i niz drugih pojava. Pokazalo se iznimno korisnim u razvoju ideja o strukturi atoma i molekula.

Iz kvantne teorije svjetlosti proizlazi da se foton ne može raspasti: on kao cjelina djeluje s metalnim elektronom, izbacujući ga iz ploče; kao cjelina, on također stupa u interakciju sa svjetlosno osjetljivom supstancom fotografskog filma, uzrokujući njegovo potamnjenje na određenom mjestu itd. U tom smislu foton se ponaša kao čestica, tj. pokazuje korpuskularna svojstva. Međutim, foton također ima valna svojstva: to se očituje u valnoj prirodi širenja svjetlosti, u sposobnosti fotona da interferira i difraktira. Foton se razlikuje od čestice u klasičnom smislu pojma po tome što se njegov točan položaj u prostoru, kao i točan položaj bilo kojeg vala, ne može odrediti. No, razlikuje se i od "klasičnog" vala - nemogućnost dijeljenja na dijelove. Kombinirajući korpuskularna i valna svojstva, foton, strogo govoreći, nije ni čestica ni val - on ima korpuskularno-valni dualitet.

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

Starogrčki 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 nazvali atomi . I doista, kasnije su postojanje atoma dokazali poznati znanstvenici kao što su Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton. Atom se smatrao nedjeljivim do potkraj XIX- početak dvadesetog 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 je da su te zrake tok negativno nabijenih čestica. Brzina kretanja tih čestica bila je ispod brzine svjetlosti. Stoga su imali masu. Odakle su došli? Znanstvenik je sugerirao da su te čestice dio atoma. Pozvao ih je tjelešca . Kasnije su pozvani elektroni . Tako je otkriće elektrona stavilo točku na teoriju o nedjeljivosti atoma.

Thomsonov model atoma

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

No Thomsonov model se pokazao pogrešnim, što se i dokazalo britanski fizičar Sir Ernest Rutherford.

Rutherfordovo iskustvo

Ernest Rutherford

Kako je atom zapravo uređen? Rutherford je dao odgovor na to pitanje nakon svog eksperimenta, provedenog 1909. godine zajedno s njemačkim fizičarom Hansom Geigerom i novozelandskim fizičarom 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 nalazio se luminiscentni ekran. Kada su se čestice sudarale s njim, pojavili su se bljeskovi koji su se mogli promatrati pod mikroskopom.

Ako je Thomson u pravu, a atom se sastoji od oblaka elektrona, tada bi čestice trebale lako letjeti kroz foliju bez skretanja. Kako je masa alfa čestice premašivala masu elektrona za oko 8000 puta, elektron nije mogao djelovati na nju i skrenuti svoju putanju pod velikim kutom, kao što kamenčić od 10 g nije mogao promijeniti putanju automobila u pokretu.

Ali u praksi je sve ispalo drugačije. Većina čestica zapravo je proletjela kroz foliju, praktički ne odstupajući ili odstupajući za mali kut. Ali neke su čestice prilično značajno skrenule ili se čak odbile, kao da im je na putu bila neka vrsta prepreke. Kako je sam Rutherford rekao, bilo je nevjerojatno kao da se projektil od 15 inča odbije od komada svilenog papira.

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 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 koja se nalazi 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 kruže oko nje kao što planeti kruže 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 neku vrstu oblaka. Svaki atom ima svoj elektronski oblak, negativno nabijen. Iz tog razloga se ne "lijepe", već se međusobno odbijaju.

Zbog svoje sličnosti sa Sunčev sustav Rutherfordov model nazvan je planetarni.

Zašto atom postoji

Međutim, Rutherfordov model atoma nije uspio objasniti zašto je atom tako stabilan. Doista, prema zakonima klasične fizike, elektron, rotirajući u orbiti, kreće se ubrzano, dakle, zrači elektromagnetske valove i gubi energiju. Na kraju, ova energija mora nestati, a elektron mora pasti u jezgru. Kad bi to bio slučaj, atom bi mogao postojati samo 10 -8 s. Ali zašto se to ne događa?

Razlog ove pojave kasnije je objasnio danski fizičar Niels Bohr. Predložio je da se elektroni u atomu kreću samo u fiksnim orbitama, koje se nazivaju "dopuštene orbite". Dok su na njima, ne zrače energijom. A emisija ili apsorpcija energije događa se samo kada se elektron kreće iz jedne dopuštene orbite u drugu. Ako je to prijelaz iz daleke orbite u bližu jezgri, tada se energija zrači i obrnuto. Zračenje se javlja u dijelovima, koji se nazivaju kvanti.

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

Godine 1903. engleski znanstvenik Thomson predložio je model atoma, koji je u šali nazvan "pecivo s grožđicama". Prema njemu, atom je kugla jednolikog pozitivnog naboja, u kojoj su negativno nabijeni elektroni prošarani poput grožđica.

Međutim, daljnja istraživanja atoma pokazala su da je ova teorija neodrživa. A nekoliko godina kasnije, drugi engleski fizičar, Rutherford, proveo je niz eksperimenata. Na temelju rezultata izgradio je hipotezu o strukturi atoma koja je i danas priznata u cijelom svijetu.

Rutherfordovo iskustvo: prijedlog njegovog modela atoma

Rutherford je u svojim eksperimentima propustio snop alfa čestica kroz tanku zlatnu foliju. Zlato je odabrano zbog svoje plastičnosti, koja je omogućila stvaranje vrlo tanke folije, debljine gotovo jednog sloja molekula. Iza folije nalazio se poseban zaslon koji je bio osvijetljen kada je bombardiran alfa česticama koje su padale na njega. Prema Thomsonovoj teoriji, alfa čestice su trebale nesmetano prolaziti kroz foliju, prilično skrećući u stranu. Međutim, pokazalo se da su se neke od čestica tako ponašale, a vrlo mali dio se odbio natrag, kao da udara u nešto.

Odnosno, utvrđeno je da unutar atoma postoji nešto čvrsto i malo, od čega su se alfa čestice odbijale. Tada je Rutherford predložio planetarni model strukture atoma. Rutherfordov planetarni model atoma objasnio je rezultate njegovih eksperimenata i eksperimenata njegovih kolega. Nije u ponudi do danas najbolji model, iako neki aspekti ove teorije još uvijek nisu u skladu s praksom u nekim vrlo uskim područjima znanosti. Ali u osnovi, planetarni model atoma najkorisniji je od svih. Što je ovaj model?

Planetarni model strukture atoma

Kao što naziv implicira, atom se uspoređuje s planetom. U ovom slučaju, planet je jezgra atoma. A elektroni se okreću oko jezgre na prilično velikoj udaljenosti, baš kao što se sateliti okreću oko planeta. Samo je brzina rotacije elektrona stotinama tisuća puta veća od brzine rotacije najbržeg satelita. Stoga, tijekom svoje rotacije, elektron stvara, takoreći, oblak iznad površine jezgre. A postojeći naboji elektrona odbijaju iste naboje koje stvaraju drugi elektroni oko drugih jezgri. Dakle, atomi se ne "lijepe", već se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog.

A kada govorimo o sudaru čestica, mislimo na to da se one približavaju jedna drugoj na dovoljno veliku udaljenost i odbijaju se poljima svojih naboja. Nema izravnog kontakta. Čestice u materiji su općenito vrlo udaljene. Kad bi na bilo koji način bilo moguće zajedno implodirati čestice bilo kojeg tijela, ono bi se smanjilo milijardu puta. Zemlja bi postala manja od jabuke. Dakle, glavni volumen bilo koje tvari, koliko god to čudno zvučalo, zauzima praznina u kojoj se nalaze nabijene čestice koje drže na udaljenosti elektronskim silama interakcije.