Milyen modellt javasolt az atom szerkezetére Rutherford. Az atom néhány történelmi és modern modellje

Az atom történeti modelljei1 a tudomány fejlődésének egy bizonyos időszakának megfelelő tudásszinteket tükrözik.

Az atommodellek fejlesztésének első szakaszát a szerkezetére vonatkozó kísérleti adatok hiánya jellemezte.

A mikrokozmosz jelenségeinek magyarázata során a tudósok analógiákat kerestek a makrokozmoszban, a klasszikus mechanika törvényeire támaszkodva.

J. Dalton, a kémiai atomizmus megalkotója (1803) feltételezte, hogy az azonos atomok kémiai elem ugyanazok a gömb alakú legkisebb, tehát oszthatatlan részecskék.

Jean Baptiste Perrin francia fizikus (1901) egy olyan modellt javasolt, amely valójában megelőlegezte a „bolygómodellt”. E modell szerint az atom közepén egy pozitív töltésű atommag található, amely körül bizonyos pályákon negatív töltésű elektronok mozognak, mint a Nap körüli bolygók. A Perrin-modell nem keltette fel a tudósok figyelmét, mivel csak minőségi, de mennyiségi jellemzőt adott az atomra (a 7. ábrán ezt mutatja az atommag töltése és az elektronok száma közötti eltérés). ).

1902-ben William Thomson (Kelvin) angol fizikus kidolgozta az atom gondolatát, mint pozitív töltésű gömbrészecskét, amelyben negatív töltésű elektronok oszcillálnak (energiát sugároznak és elnyelnek). Kelvin felhívta a figyelmet arra, hogy az elektronok száma megegyezik a gömb pozitív töltésével, ezért általában az atomnak nincs elektromos töltése (7. ábra).

Egy évvel később Philipp Lenard német fizikus olyan modellt javasolt, amely szerint az atom egy üreges gömb, amelyben elektromos dipólusok (dinamidok) vannak. A dipólusok által elfoglalt térfogat sokkal kisebb, mint a gömb térfogata, és az atom nagy része üres.

Gontaro (Hantaro) Nagaoka (1904) japán fizikus elképzelései szerint az atom közepén egy pozitív töltésű mag található, és az atommag körül az elektronok a Szaturnusz bolygó gyűrűire emlékeztető lapos gyűrűkben mozognak a térben (ezt modellt „szaturnuszi” atomnak nevezték). A legtöbb tudós nem fordított figyelmet Nagaoka gondolataira, bár bizonyos mértékig van bennük valami közös az atompálya modern elképzelésével.

A vizsgált modellek (7. ábra) egyike sem magyarázta meg, hogy a kémiai elemek tulajdonságai hogyan függenek össze atomjaik szerkezetével.

Rizs. 7. Az atom néhány történeti modellje

1907-ben J. J. Thomson javasolta az atom szerkezetének statikus modelljét, amely az atomot pozitív elektromossággal töltött gömb alakú részecskeként ábrázolja, amelyben a negatív töltésű elektronok egyenletesen oszlanak el ( modell"puding", 7. ábra).

Matematikai számítások kimutatták, hogy az atomban lévő elektronoknak koncentrikusan elrendezett gyűrűkön kell elhelyezkedniük. Thomson nagyon jól csinálta fontos következtetés: a kémiai elemek tulajdonságainak periodikus változásának oka a jellemzőkkel függ össze elektronikus szerkezet az atomjaikat. Ennek köszönhetően Thomson atommodelljét nagyra értékelték kortársai. Ez azonban nem magyarázott meg bizonyos jelenségeket, például az α-részecskék szétszóródását az áthaladás során. fém lemez.

Az atommal kapcsolatos elképzelései alapján Thomson levezetett egy képletet az α-részecskék átlagos eltérésének kiszámítására, és ez a számítás azt mutatta, hogy az ilyen részecskék nagy szögekben történő szórásának valószínűsége közel nulla. Kísérletileg azonban bebizonyosodott, hogy az aranyfóliára eső alfa-részecskék közül körülbelül egy nyolcezerből egy 90°-nál nagyobb szögben elhajlik. Ez ellentmondott Thomson modelljének, amely csak kis szögeknél feltételezett eltérést.

Ernest Rutherford a kísérleti adatokat összegezve 1911-ben javasolta az atom szerkezetének „bolygós” (néha „nukleáris”) modelljét, amely szerint az atom tömegének és pozitív töltésének 99,9%-a egy nagyon kis magban összpontosul. és körülötte keringenek a negatív töltésű elektronok, amelyek száma megegyezik az atommag töltésével, akárcsak a Naprendszer bolygói1 (7. ábra).

Rutherford tanítványaival együtt kísérleteket állított fel, amelyek lehetővé tették az atom szerkezetének vizsgálatát (8. ábra). Pozitív töltésű részecskék (α-részecskék) áramát egy vékony fém (arany) fólia 2 felületére irányították az 1 radioaktív sugárforrásból. Útjuk során egy fluoreszcens képernyőt 3 szereltek fel, amely lehetővé tette az α-részecskék további mozgási irányának megfigyelését.

Rizs. 8. Rutherford tapasztalatai

Megállapítást nyert, hogy az α-részecskék többsége gyakorlatilag irányváltoztatás nélkül haladt át a fólián. Csak az egyes részecskék (átlagosan tízezerből egy) térültek el, és szinte az ellenkező irányba repültek. Arra a következtetésre jutottak, hogy az atom tömegének nagy része a pozitív töltésű magban koncentrálódik, ezért az α-részecskék olyan erősen elhajlottak (9. ábra).

Rizs. 9. α-részecskék szórása atommag által

Az atomban mozgó elektronoknak az elektromágnesesség törvényeinek megfelelően energiát kell kisugározniuk, és ezt elveszítve vonzódniuk kell az ellentétes töltésű atommaghoz, és ezért "esniük" kell rá. Ennek az atom eltűnéséhez kellene vezetnie, de mivel ez nem történt meg, arra a következtetésre jutottak, hogy ez a modell nem megfelelő.

A 20. század elején Max Planck német fizikus és Albert Einstein elméleti fizikus megalkotta a fény kvantumelméletét. Ezen elmélet szerint a sugárzó energia, például a fény nem folyamatosan, hanem külön részekben (kvantumokban) bocsátódik ki és nyelődik el. Ráadásul az energiakvantum értéke nem azonos a különböző sugárzásoknál, és arányos az elektromágneses hullám rezgési frekvenciájával: E = hν, ahol h – A Planck-állandó 6,6266 10 -34 J s, ν a sugárzási frekvencia. Ezt az energiát a fény részecskéi hordozzák - fotonok.

A klasszikus mechanika és a kvantumelmélet törvényeinek mesterséges kombinálására tett kísérletben a dán fizikus, Niels Bohr 1913-ban két posztulátummal egészítette ki Rutherford atommodelljét az atomban lévő elektronok energiájának fokozatos (diszkrét) változásáról. Bohr úgy vélte, hogy egy elektron a hidrogénatomban csak jól meghatározott helyen található álló pályák, amelyek sugarai négyzetként viszonyulnak egymáshoz természetes számok (1 2: 2 2: 3 2: ... :2. o). Az elektronok mozognak atommagálló pályákon. Az atom stabil állapotban van, energiát nem nyel el vagy bocsát ki – ez Bohr első posztulátuma. A második posztulátum szerint energiakibocsátás csak akkor következik be, ha egy elektron az atommaghoz közelebbi pályára kerül. Amikor egy elektron távolabbi pályára kerül, az energiát az atom elnyeli. Ezt a modellt 1916-ban fejlesztette tovább Arnold Sommerfeld német elméleti fizikus, aki rámutatott az elektronok mozgására. elliptikus pályák.

bolygómodell láthatósága és Bohr posztulátumai miatt, hosszú idő atomi és molekuláris jelenségek magyarázatára használják. Kiderült azonban, hogy az elektron mozgása az atomban, az atom stabilitása és tulajdonságai, ellentétben a bolygók mozgásával és a Naprendszer stabilitásával, nem írhatók le a klasszikus mechanika törvényeivel. Ez a mechanika Newton törvényein alapul, és vizsgálatának tárgya a makroszkopikus testek mozgása, amelyet a fénysebességhez képest kicsi sebességgel hajtanak végre. Az atom szerkezetének leírásához szükséges alkalmazni a kvantum (hullám) mechanikának a mikrorészecskék kettős korpuszkuláris-hullám jellegére vonatkozó koncepcióit, amelyeket az 1920-as években fogalmaztak meg elméleti fizikusok: a francia Louis de Broglie, a németek Werner. Heisenberg és Erwin Schrödinger, az angol Paul Dirac és mások.

1924-ben Louis de Broglie felvetette azt a hipotézist, hogy az elektronnak hullámtulajdonságai vannak (a kvantummechanika első elve), és egy képletet javasolt a hullámhosszának kiszámítására. Az atom stabilitását az magyarázza, hogy a benne lévő elektronok nem pályákon mozognak, hanem az atommag körüli tér bizonyos régióiban, úgynevezett atompályákon. Az elektron az atom szinte teljes térfogatát elfoglalja, és nem tud "esni a középpontjában lévő magra".

1926-ban Schrödinger, folytatva L. de Broglie elektron hullámtulajdonságairól alkotott elképzeléseit, empirikusan kiválasztott egy, a húrrezgési egyenlethez hasonló matematikai egyenletet, amellyel kiszámítható az elektron kötési energiája egy atomban különböző energiaszintek. Ez az egyenlet a kvantummechanika alapegyenletévé vált.

Az elektron hullámtulajdonságainak felfedezése megmutatta, hogy a makrokozmoszról szóló ismeretek terjesztése a mikrokozmosz objektumai között törvénytelen. 1927-ben Heisenberg megállapította, hogy bizonyos sebességgel lehetetlen meghatározni az elektron pontos helyzetét a térben, ezért az elektronok atomban való mozgására vonatkozó elképzelések valószínűségi természetűek (a kvantummechanika második elve).

Az Atom kvantummechanikai modellje (1926) az atom állapotát a következőképpen írja le. matematikai függvényekés nincs geometriai kifejezése (10. ábra). Egy ilyen modell nem veszi figyelembe az atom szerkezetének dinamikus természetét és az elektron, mint részecske méretének kérdését. Úgy tartják, hogy az elektronok bizonyos energiaszinteket foglalnak el, és energiát bocsátanak ki vagy abszorbeálnak más szintekre való átmenet során. ábrán 10 energiaszintet mutatunk be sematikusan koncentrikus gyűrűkként, amelyek az atommagtól különböző távolságra helyezkednek el. A nyilak az elektronok közötti átmeneteket mutatják energiaszintekés az ezeket az átmeneteket kísérő fotonok kibocsátása. A séma minőségileg látható, és nem tükrözi az energiaszintek közötti valós távolságokat, amelyek akár több tucatszor is eltérhetnek egymástól.

1931-ben Gilbert White amerikai tudós javasolta először az atompályák grafikus ábrázolását és az atom "pálya" modelljét (10. ábra). Az atompályák modelljeit az "elektronsűrűség" fogalmának tükrözésére és a negatív töltések eloszlásának bemutatására egy atommag körül vagy egy molekula atommagrendszere körül használják.

Rizs. 10. Történelmi és modern modellek atom

1963-ban Kenneth Snelson amerikai művész, szobrász és mérnök egy atom elektronhéjainak "gyűrűs arcú modelljét" javasolta (10. ábra), amely megmagyarázza az elektronok kvantitatív eloszlását egy atomban a stabil elektronhéjak között. Minden elektront egy gyűrűmágnes (vagy egy mágneses momentumú elektromos árammal rendelkező zárt áramkör) modellez. A gyűrűmágnesek vonzódnak egymáshoz, és szimmetrikus alakzatokat alkotnak a gyűrűkből - ringhedra. Két pólus jelenléte a mágnesekben korlátozza lehetséges opciók gyűrűk összeállításai. A stabil elektronhéjak modelljei a gyűrűk legszimmetrikusabb alakjai, amelyeket mágneses tulajdonságaik jelenlétének figyelembevételével állítanak össze.

A spin jelenléte az elektronban (lásd 5. fejezet) az egyik fő oka annak, hogy az atomban stabil elektronhéjak keletkeznek. Az elektronok ellentétes forgású párokat alkotnak. Az elektronpár gyűrűs felületű modellje vagy egy töltött atompálya két gyűrű, amelyek párhuzamos síkban helyezkednek el az atommag ellentétes oldalán. Ha egynél több elektronpár található egy atommag közelében, a gyűrűk-elektronok kölcsönösen orientálódni kényszerülnek, és elektronhéjat alkotnak. Ebben az esetben a szorosan elhelyezkedő gyűrűk mágneses iránya eltérő erővonalak, amelyet jelölünk különböző színű elektronokat képviselő gyűrűk.

A modellkísérlet azt mutatja, hogy az összes lehetséges gyűrűs felületű modell közül a legstabilabb a 8 gyűrűs modell. Geometriailag a modell úgy van kialakítva, mintha egy gömb alakú atomot 8 részre osztanának (háromszor kettéosztva), és mindegyik részbe egy gyűrű-elektron kerülne. A gyűrűs arcú modellekben két színű gyűrűt használnak: piros és kék, amelyek pozitív és negatív jelentése egy elektron spinje.

A "hullámarcú modell" (10. ábra) hasonló a "gyűrűs arcúhoz", azzal a különbséggel, hogy az atom minden elektronját egy "hullám" gyűrű képviseli, amely egész számú hullámot tartalmaz (pl. javasolta L. de Broglie).

Az elektronhéj elektronjainak kölcsönhatását ezen az atommodellen a kék és piros "hullám" gyűrű érintkezési pontjainak az állóhullámok csomópontjaival való egybeesése mutatja.

Az atommodelleknek joguk van a létezéshez és az alkalmazási korlátokhoz. Az atom bármely modellje olyan közelítés, amely leegyszerűsített formában tükrözi az atomra vonatkozó ismeretek egy részét. De egyik modell sem tükrözi teljes mértékben az atom vagy az azt alkotó részecskék tulajdonságait.

Sok mai modell csak történelmi jelentőségű. Amikor a mikrovilág objektumairól modelleket építettek, a tudósok arra támaszkodtak, ami közvetlenül megfigyelhető. Így jelentek meg Perrin és Rutherford (analógia a Naprendszer felépítésével), Nagaoka (egyfajta Szaturnusz bolygó), Thomson ("mazsolapuding") modelljei. Néhány ötletet elvetettek (Lenard dinamikus modellje), másokat egy idő után újra átnéztek, de új, magasabb szinten. elméleti szinten: Perrin és Kelvin modelljeit Rutherford és Thomson modelljeiben fejlesztették ki. Az atom szerkezetére vonatkozó elképzeléseket folyamatosan fejlesztik. Hogy mennyire pontos a modern – „kvantummechanikai” modell – az idő eldönti. Ezért van a spirál tetején kérdőjel, amely a megismerés útját szimbolizálja (7. kép).

A fizika fejlődésének fontos lépésévé váltak. Rutherford modellje nagy jelentőséggel bírt. Az atomot mint rendszert és az azt alkotó részecskéket pontosabban és részletesebben tanulmányozták. Ez vezetett egy olyan tudomány sikeres fejlődéséhez, mint a magfizika.

Ősi elképzelések az anyag szerkezetéről

Az ókorban felmerült az a feltételezés, hogy a környező testek a legkisebb részecskékből állnak. Az akkori gondolkodók az atomot minden anyag legkisebb és oszthatatlan részecskéjeként ábrázolták. Azzal érveltek, hogy az univerzumban semmi sem kisebb, mint egy atom. Ilyen nézeteket vallottak a nagy ókori görög tudósok és filozófusok - Démokritosz, Lucretius, Epikurosz. Ezeknek a gondolkodóknak a hipotéziseit ma „ókori atomizmus” néven egyesítik.

Középkori előadások

Az ókor idői elmúltak, és a középkorban is voltak tudósok, akik különféle feltételezéseket tettek az anyagok szerkezetéről. A vallásfilozófiai nézetek túlsúlya és az egyház hatalma azonban a történelemnek abban a korszakában elfojtotta az emberi elme minden próbálkozását és törekvését materialista tudományos következtetésekre és felfedezésekre. Mint tudják, a középkori inkvizíció nagyon barátságtalanul viselkedett az akkori tudományos világ képviselőivel. Azt kell még elmondani, hogy az akkori fényes elméknek az ókorból származó elképzelésük volt az atom oszthatatlanságáról.

Kutatások a 18. és 19. században

A 18. századot komoly felfedezések jellemezték az anyag elemi szerkezete terén. Nagyrészt olyan tudósok erőfeszítéseinek köszönhetően, mint Antoine Lavoisier, Mihail Lomonoszov, és egymástól függetlenül is be tudták bizonyítani, hogy az atomok valóban léteznek. De a kérdés róluk belső szerkezet nyitva maradt. A 18. század végét ilyenek jellemezték jelentős esemény ban ben tudományos világ, mint D. I. Mengyelejev felfedezése a kémiai elemek periodikus rendszeréről. Ez akkoriban egy igazán erőteljes áttörés volt, és fellebbentette a fátylat arról a felfogásról, hogy minden atomnak egyetlen természete van, hogy rokonságban állnak egymással. Később, a 19. században egy másik fontos lépés az atom szerkezetének feltárása felé az volt, hogy bebizonyították, hogy bármelyik atom tartalmaz elektront. A korszak tudósainak munkája termékeny talajt készített a 20. század felfedezéseihez.

Thomson kísérletei

John Thomson angol fizikus 1897-ben bebizonyította, hogy az atomok összetétele negatív töltésű elektronokat tartalmaz. Ebben a szakaszban végleg megsemmisültek azok a hamis elképzelések, amelyek szerint az atom bármely anyag oszthatóságának határa. Hogyan sikerült Thomsonnak bizonyítani az elektronok létezését? A tudós kísérletei során az elektródákat nagyon ritka gázokba helyezte és átengedte elektromosság. Az eredmény katódsugarak lett. Thomson alaposan tanulmányozta a tulajdonságaikat, és megállapította, hogy töltött részecskék folyama, amelyek nagy sebességgel mozognak. A tudósnak sikerült kiszámítania e részecskék tömegét és töltésüket. Azt is kiderítette, hogy nem lehet semleges részecskéket alakítani, mert elektromos töltés természetük alapja. Így volt ezzel Thomson és a világ első atomszerkezeti modelljének megalkotója is. Szerinte az atom egy csomó pozitív töltésű anyag, amelyben a negatív töltésű elektronok egyenletesen oszlanak el. Ez a szerkezet magyarázza az atomok általános semlegességét, mivel az ellentétes töltések kiegyenlítik egymást. John Thomson kísérletei felbecsülhetetlen értékűek lettek az atom szerkezetének további vizsgálatához. Sok kérdés azonban megválaszolatlan maradt.

Rutherford kutatása

Thomson felfedezte az elektronok létezését, de nem talált pozitív töltésű részecskéket az atomban. 1911-ben kijavította ezt a félreértést. Kísérletek során, az alfa-részecskék aktivitását tanulmányozva gázokban, felfedezte, hogy az atomban pozitív töltésű részecskék vannak. Rutherford látta, hogy amikor a sugarak áthaladnak egy gázon vagy egy vékony fémlemezen, kis számú részecske élesen eltér a mozgási pályától. Szó szerint visszadobták őket. A tudós úgy sejtette, hogy ez a viselkedés a pozitív töltésű részecskékkel való ütközés következménye. Az ilyen kísérletek lehetővé tették a fizikus számára, hogy megalkossák Rutherford modelljét az atom szerkezetéről.

bolygómodell

A tudós elképzelései némileg eltértek John Thomson feltételezéseitől. Az atommodelleik is eltérőek lettek. lehetővé tette számára egy teljesen új elmélet megalkotását ezen a területen. A tudós felfedezései meghatározóak voltak további fejlődés fizika. Rutherford modellje az atomot a középpontban elhelyezkedő magnak és a körülötte mozgó elektronoknak írja le. Az atommag pozitív, az elektronok pedig negatív töltésűek. Rutherford atommodellje az elektronok atommag körüli forgását feltételezte bizonyos pályák – pályák – mentén. A tudós felfedezése segített megmagyarázni az alfa-részecskék eltérésének okát, és lendületet adott az atom nukleáris elméletének kidolgozásához. Rutherford atommodelljében a Naprendszer bolygóinak a Nap körüli mozgásával van analógia. Ez egy nagyon pontos és szemléletes összehasonlítás. Ezért a Rutherford-modellt, amelyben az atom egy pályán mozog az atommag körül, planetárisnak nevezték.

Niels Bohr művei

Két évvel később Niels Bohr dán fizikus megpróbálta ötvözni az atom szerkezetére vonatkozó elképzeléseket a kvantumtulajdonságokkal. fényáram. nukleáris modell A tudósok Rutherford atomját tették az övé alapjául új elmélet. Bohr szerint az atomok körpályán keringenek az atommag körül. Az ilyen mozgási pálya az elektronok gyorsulásához vezet. Ezen túlmenően ezeknek a részecskéknek az atom középpontjával való Coulomb-kölcsönhatása energia keletkezésével és felhasználásával jár együtt a térbeli tér fenntartása érdekében. elektromágneses mező az elektronok mozgása miatt. Ilyen körülmények között a negatív töltésű részecskéknek egy nap a magra kell esniük. De ez nem történik meg, ami az atomok mint rendszerek nagyobb stabilitását jelzi. Niels Bohr rájött, hogy a klasszikus termodinamika Maxwell-egyenletek által leírt törvényei atomon belüli körülmények között nem működnek. Ezért a tudós azt a feladatot tűzte ki maga elé, hogy új, a világban érvényes mintákat származtasson elemi részecskék.

Bohr posztulátumai

Nagyrészt annak köszönhető, hogy Rutherford modellje létezett, az atomot és alkotóelemeit jól tanulmányozták, így Niels Bohr megközelíthette posztulátumainak megalkotását. Az első azt mondja, hogy az atomnak van olyan, amelynél nem változtatja meg az energiáját, míg az elektronok pályájukon mozognak anélkül, hogy megváltoztatnák a pályájukat. A második posztulátum szerint amikor egy elektron egyik pályáról a másikra mozog, energia szabadul fel vagy nyel el. Ez egyenlő az atom előző és következő állapotának energiái közötti különbséggel. Ebben az esetben, ha az elektron az atommaghoz közelebbi pályára ugrik, akkor sugárzás történik, és fordítva. Annak ellenére, hogy az elektronok mozgása kevéssé hasonlít a szigorúan körben elhelyezkedő pályapályához, Bohr felfedezése kiváló magyarázatot adott a vonalspektrum létezésére.Körülbelül ugyanebben az időben a Németországban élt fizikusok, Hertz és Frank , megerősítette Niels Bohr elméletét az atom álló, stabil állapotának létezéséről és az atomenergia értékeinek megváltoztatásának lehetőségéről.

Két tudós együttműködése

Apropó, Rutherford hosszú idő nem tudta megállapítani Marsden és Geiger tudósok megpróbálták újra ellenőrizni Ernest Rutherford állításait, és részletes és alapos kísérletek és számítások eredményeként arra a következtetésre jutottak, hogy az atommag az atom legfontosabb jellemzője, ill. minden töltése benne összpontosul. Később bebizonyosodott, hogy az atommag töltésének értéke numerikusan egyenlő az elem sorszámával. periodikus rendszer D. I. Mengyelejev elemei. Érdekes módon Niels Bohr hamarosan találkozott Rutherforddal, és teljes mértékben egyetértett nézeteivel. Ezt követően a tudósok hosszú ideig együtt dolgoztak ugyanabban a laboratóriumban. Rutherford modellje, az atom mint elemi töltésű részecskékből álló rendszer – Niels Bohr mindezt igazságosnak tartotta, és örökre félretette a sajátját. elektronikus modell. Közös tudományos tevékenység a tudósok nagyon sikeresek voltak, és meghozta gyümölcsét. Mindegyikük belemerült az elemi részecskék tulajdonságainak tanulmányozásába, és jelentős felfedezéseket tett a tudomány számára. Később Rutherford felfedezte és bebizonyította a maglebomlás lehetőségét, de ez egy másik cikk témája.

Részletek Kategória: Az atom és az atommag fizikája Feladás dátuma: 2016. 10. 03. 18:27 Megtekintések: 4106

Az ókori görög és ókori indiai tudósok és filozófusok úgy vélték, hogy a körülöttünk lévő összes anyag apró részecskékből áll, amelyek nem osztódnak.

Biztosak voltak abban, hogy a világon semmi sem lenne kisebb, mint ezek a részecskék, amelyeket úgy hívtak atomok . És valóban, később az atomok létezését olyan híres tudósok bizonyították, mint Antoine Lavoisier, Mihail Lomonoszov, John Dalton. Az atomot a 19. század végéig - a 20. század elejéig oszthatatlannak tekintették, amikor kiderült, hogy ez nem így van.

Az elektron felfedezése. Az atom Thomson-modellje

Joseph John Thomson

1897-ben Joseph John Thomson angol fizikus kísérletileg tanulmányozta a katódsugarak viselkedését mágneses és elektromos mezők, rájött, hogy ezek a sugarak negatív töltésű részecskék folyamai. E részecskék mozgási sebessége a fénysebesség alatt volt. Ezért miséztek. Honnan jöttek? A tudós azt javasolta, hogy ezek a részecskék az atom részei. Felhívta őket vértestek . Később felhívták őket elektronok . Így az elektron felfedezése véget vetett az atom oszthatatlanságának elméletének.

Az atom Thomson-modellje

Thomson javasolta az atom első elektronikus modelljét. Eszerint az atom egy gömb, amelynek belsejében egy töltött anyag található, amelynek pozitív töltése egyenletesen oszlik el a térfogatban. És ebben az anyagban, mint a mazsolában a zsemlében, az elektronok beékelődnek. Általában az atom elektromosan semleges. Ezt a modellt "szilvapuding modellnek" hívták.

Ám Thomson modellje tévesnek bizonyult, ami be is igazolódott brit fizikus Sir Ernest Rutherford.

Rutherford tapasztalata

Ernest Rutherford

Hogyan van elrendezve egy atom valójában? Rutherford 1909-ben Hans Geiger német fizikussal és Ernst Marsden új-zélandi fizikussal közösen végzett kísérlete után adott választ erre a kérdésre.

Rutherford tapasztalata

A kísérlet célja az volt, hogy alfa-részecskék segítségével tanulmányozzák az atomot, amelynek fókuszált sugarát nagy sebességgel repülve a legvékonyabb aranyfóliára irányították. A fólia mögött lumineszcens képernyő volt. Amikor részecskék ütköztek vele, mikroszkóp alatt megfigyelhető villanások jelentek meg.

Ha Thomsonnak igaza van, és az atom elektronfelhőből áll, akkor a részecskéknek könnyen át kell repülniük a fólián anélkül, hogy eltérítenék őket. Mivel az alfa részecske tömege mintegy 8000-szeresen haladta meg az elektron tömegét, az elektron nem tudott rá hatni és nagy szögben eltérni a röppályájától, ahogy egy 10 g-os kavics sem tudta megváltoztatni a mozgó autó pályáját.

De a gyakorlatban minden másképp alakult. A részecskék nagy része valóban átrepült a fólián, gyakorlatilag nem, vagy kis szögben eltérve. De a részecskék egy része meglehetősen jelentősen eltért, vagy akár vissza is pattant, mintha valami akadály lenne az útjukban. Ahogy Rutherford maga mondta, olyan hihetetlen volt, mintha egy 15 hüvelykes lövedék lepattanna egy darab selyempapírról.

Mi okozta, hogy egyes alfa-részecskék ennyire irányt változtassanak? A tudós azt javasolta, hogy ennek oka az atom egy része, amely nagyon kis térfogatban koncentrálódott és pozitív töltéssel rendelkezik. Felhívta egy atom magja.

Rutherford bolygómodellje az atomról

Rutherford atommodell

Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy az atom az atom közepén elhelyezkedő sűrű pozitív töltésű magból és negatív töltésű elektronokból áll. Az atom szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik. Általában az atom semleges. Az atommag pozitív töltése egyenlő az atomban lévő összes elektron negatív töltésének összegével. De az elektronok nem ágyazódnak be az atommagba, mint Thomson modelljében, hanem úgy keringenek körülötte, mint a bolygók a Nap körül. Az elektronok forgása az atommagból rájuk ható Coulomb-erő hatására megy végbe. Az elektronok forgási sebessége óriási. A mag felszíne felett egyfajta felhőt alkotnak. Minden atomnak megvan a maga elektronfelhője, negatív töltésű. Emiatt nem "összeragadnak", hanem taszítják egymást.

A Naprendszerhez való hasonlósága miatt Rutherford modelljét planetárisnak nevezték.

Miért létezik az atom

Rutherford atommodellje azonban nem tudta megmagyarázni, miért olyan stabil az atom. Hiszen a klasszikus fizika törvényei szerint egy pályán forgó elektron gyorsulással mozog, ezért sugárzik elektromágneses hullámokés energiát veszít. A végén ennek az energiának el kell fogynia, és az elektronnak az atommagba kell esnie. Ha ez így lenne, az atom csak 10-8 másodpercig létezhetne. De miért nem ez történik?

A jelenség okát később Niels Bohr dán fizikus fejtette ki. Azt javasolta, hogy az atomban lévő elektronok csak rögzített pályákon mozogjanak, amelyeket "megengedett pályáknak" neveznek. Rajtuk lévén nem sugároznak energiát. Az energia kibocsátása vagy abszorpciója pedig csak akkor következik be, amikor egy elektron az egyik megengedett pályáról a másikra mozog. Ha ez egy távoli pályáról az atommaghoz közelebbire való átmenet, akkor energia sugárzik ki, és fordítva. A sugárzás részletekben történik, amelyeket ún quanta.

Bár a Rutherford által leírt modell nem tudta megmagyarázni az atom stabilitását, jelentős előrelépést tett lehetővé szerkezetének tanulmányozásában.

Az atom bolygómodellje

Egy atom bolygómodellje: atommag (piros) és elektronok (zöld)

Az atom bolygómodellje, vagy Rutherford modell, - az atom szerkezetének történeti modellje, amelyet Ernest Rutherford javasolt egy alfa-részecskeszórási kísérlet eredményeként. E modell szerint az atom egy kis pozitív töltésű magból áll, amelyben az atom szinte teljes tömege összpontosul, amely körül elektronok mozognak, ahogy a bolygók a Nap körül. Az atom bolygómodellje megfelel az atom szerkezetére vonatkozó modern elképzeléseknek, figyelembe véve azt a tényt, hogy az elektronok mozgása kvantum jellegű, és nem írják le a klasszikus mechanika törvényei. Történelmileg Rutherford bolygómodellje követte Joseph John Thomson „szilvapuding-modelljét”, amely azt feltételezi, hogy a negatív töltésű elektronok pozitív töltésű atomban helyezkednek el.

Rutherford 1911-ben egy új modellt javasolt az atom szerkezetére az alfa-részecskék aranyfólián való szóródásával kapcsolatos, az ő vezetésével végzett kísérlet következtetéseként. Ezzel a szórással váratlanul nagyszámú Az alfa-részecskék nagy szögben szóródtak szét, ami azt jelzi, hogy a szórási központnak van kis méretés jelentős elektromos töltést tartalmaz. Rutherford számításai kimutatták, hogy egy pozitív vagy negatív töltésű szórási központnak legalább 3000-szeresnek kell lennie. kisebb méret egy atom, amit akkor már ismertek és kb 10 -10 m-re becsültek Mivel ekkor már ismerték az elektronokat, tömegüket és töltésüket is meghatározták, ezért a szórási központot, amit később atommagnak neveztek ellentétes töltése volt az elektronoknak. Rutherford nem kötötte össze a töltés mennyiségét az atomszámmal. Erre a következtetésre később került sor. Maga Rutherford pedig azt javasolta, hogy a töltés arányos az atomtömeggel.

A bolygómodell hátránya az volt, hogy nem kompatibilis a klasszikus fizika törvényeivel. Ha az elektronok úgy mozognak az atommag körül, mint egy bolygó a Nap körül, akkor mozgásuk felgyorsul, és ezért a klasszikus elektrodinamika törvényei szerint elektromágneses hullámokat kell kisugározniuk, energiát kell veszíteniük és az atommagra esniük. A bolygómodell kidolgozásának következő lépése a Bohr-modell volt, amely az elektronok mozgásának más, a klasszikustól eltérő törvényeit feltételezte. Az elektrodinamika ellentmondásai teljesen képesek voltak megoldani a kvantummechanikát.

Wikimédia Alapítvány. 2010 .

• Eise Eisingi Planetárium
• planetáris fantázia

Nézze meg, mi az "Atom bolygómodellje" más szótárakban:

az atom bolygómodellje- planetinis atomo modelis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. bolygó atommodell vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. az atom bolygómodellje, f pranc. modele planétaire de l'atome, m … Fizikos terminų žodynas

Az atom Bohr-modellje- Hidrogénszerű atom Bohr-modellje (Z-mag töltés), ahol egy negatív töltésű elektron egy kis, pozitív töltésű atommagot körülvevő atomhéjba van zárva ... Wikipédia

Modell (a tudományban)- Modell (francia modèle, olasz modello, latin modulus mértéke, mértéke, minta, norma), 1) sorozatos vagy tömeges sokszorosítás standardjaként (standard) szolgáló minta (M. autó, M. ruha stb.). ), valamint bármely ... ...

Modell- I Modell (Modell) Walter (1891. január 24. Gentin, Kelet-Poroszország, 1945. április 21., Duisburg közelében), náci német tábornok tábornagy (1944). 1909-től a hadseregben, részt vett az 1914-es I. világháborúban 18. 1940 novemberétől a 3. harckocsi parancsnoka ... ... Nagy szovjet enciklopédia

AZ ATOM SZERKEZETE- (lásd) háromféle (lásd), (lásd) és (lásd) elemi részecskékből épül fel, stabil rendszert alkotva. A proton és a neutron az atom részei (lásd), az elektronok elektronhéjat alkotnak. Az atommagban erők hatnak (lásd), ennek köszönhetően ... ... Nagy Politechnikai Enciklopédia

Atom- Ennek a kifejezésnek más jelentése is van, lásd: Atom (jelentések). Hélium atom Atom (más görög nyelvből ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), angol fizikus, a radioaktivitás elméletének és az atom szerkezetének egyik megalkotója, alapítója tudományos iskola, az Orosz Tudományos Akadémia külföldi levelező tagja (1922) és a Szovjetunió Tudományos Akadémia tiszteletbeli tagja (1925). Új-Zélandon született, diploma megszerzése után ... enciklopédikus szótár

Άτομο

molekula- A hélium atom Az atom (másik görög ἄτομος oszthatatlan) a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója. Az atom egy atommagból és egy azt körülvevő elektronfelhőből áll. Az atommag pozitív töltésű protonokból és ... ... Wikipédia

vértestek- A hélium atom Az atom (másik görög ἄτομος oszthatatlan) a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója. Az atom egy atommagból és egy azt körülvevő elektronfelhőből áll. Az atommag pozitív töltésű protonokból és ... ... Wikipédia

Könyvek

• Asztalkészlet. Fizika. 11. évfolyam (15 tábla),. 15 lapos oktatóalbum. Transzformátor. Elektromágneses indukció ban ben modern technológia. Elektronikus lámpák. Katódsugárcső. Félvezetők. félvezető dióda. Tranzisztor.…

Előadás: Az atom bolygómodellje

Az atom szerkezete

Bármely anyag szerkezetének meghatározásának legpontosabb módja a spektrális elemzés. Egy elem minden atomjának sugárzása kizárólag egyedi. Mielőtt azonban megértené, hogyan történik a spektrális elemzés, nézzük meg, milyen szerkezetű bármely elem atomja.

Az atom szerkezetére vonatkozó első feltevést J. Thomson ismertette. Ez a tudós már régóta tanulmányozza az atomokat. Sőt, ő az, aki az elektron felfedezését birtokolja - amiért megkapta Nóbel díj. A Thomson által javasolt modellnek semmi köze nem volt a valósághoz, de elég erős ösztönzésként szolgált Rutherford számára az atom szerkezetének tanulmányozására. A Thomson által javasolt modellt "mazsolapudingnak" hívták.

Thomson úgy vélte, hogy az atom szilárd golyó, negatív elektromos töltéssel. Ennek kompenzálására a labdában elektronok vannak szórva, mint a mazsola. Összegezve, az elektronok töltése egybeesik a teljes mag töltésével, ami az atomot semlegessé teszi.

Az atom szerkezetének tanulmányozása során kiderült, hogy az összes atom a szilárd anyagok elkövetni oszcilláló mozgások. És mint tudod, minden mozgó részecske hullámokat sugároz. Ezért minden atomnak megvan a maga spektruma. Ezek a kijelentések azonban semmiképpen sem illeszkedtek a Thomson-modellbe.

Rutherford tapasztalata

Thomson modelljének megerősítésére vagy cáfolatára Rutherford egy olyan kísérletet javasolt, amelynek eredményeként alfa-részecskék bombáztak valamilyen elem atomját. A kísérlet eredményeként fontos volt látni, hogyan fog viselkedni a részecske.

Az alfa-részecskéket a rádium radioaktív bomlásának eredményeként fedezték fel. Áramlataik alfa-sugarak voltak, amelyek mindegyik részecskéi pozitív töltéssel rendelkeztek. Számos tanulmány eredményeként megállapították, hogy az alfa-részecske olyan, mint egy héliumatom, amelyben nincsenek elektronok. A jelenlegi ismeretek alapján tudjuk, hogy az alfa részecske a hélium magja, míg Rutherford úgy vélte, hogy ezek hélium ionok.

Mindegyik alfa-részecskének hatalmas energiája volt, aminek eredményeként rá tudott repülni a kérdéses atomokra Magassebesség. Ezért a kísérlet fő eredménye a részecske elhajlási szögének meghatározása volt.

A kísérlethez Rutherford vékony aranyfóliát használt. Nagy sebességű alfa-részecskéket irányított rá. Feltételezte, hogy a kísérlet eredményeként minden részecske átrepül a fólián, mégpedig kis eltérésekkel. A biztos kiderítése érdekében azonban utasította tanítványait, hogy ellenőrizzék, vannak-e nagy eltérések ezekben a részecskékben.

A kísérlet eredménye mindenkit meglepett, mert sok részecske nem csak kellően nagy szöggel tért el, hanem néhány elhajlási szög elérte a 90 fokot is.

Ezek az eredmények abszolút mindenkit megleptek, Rutherford szerint olyan érzés volt, mintha egy papírdarabot tettek volna a lövedékek útjába, ami nem engedte be az alfa-részecskét behatolni, aminek következtében visszafordult.

Ha az atom valóban szilárd lenne, akkor legyen benne valamennyi elektromos mező, ami lelassította a részecskét. A mezőny ereje azonban nem volt elég ahhoz, hogy teljesen megállítsa, nemhogy visszanyomja. Ez azt jelenti, hogy Thomson modelljét cáfolták. Így Rutherford egy új modellen kezdett dolgozni.

Rutherford modell

A kísérlet ilyen eredményének eléréséhez a pozitív töltést kisebb mennyiségben kell koncentrálni, ami nagyobb elektromos mezőt eredményez. A térpotenciál képlet szerint meg lehet határozni szükséges méret egy pozitív részecske, amely az ellenkező irányú alfa-részecskét taszíthatja. A sugara a maximum nagyságrendje legyen 10-15 m. Ezért javasolta Rutherford az atom bolygómodelljét.

Ezt a modellt okkal nevezték így. Az a tény, hogy az atom belsejében van egy pozitív töltésű mag, hasonlóan a Naprendszerben lévő Naphoz. Az elektronok úgy keringenek az atommag körül, mint a bolygók. Naprendszerúgy van kialakítva, hogy a bolygók a segítségével vonzódjanak a Naphoz gravitációs erők, azonban nem esnek le a Nap felszínére a rendelkezésre álló sebesség következtében, amely pályájukon tartja őket. Ugyanez történik az elektronokkal - a Coulomb-erők vonzzák az elektronokat az atommaghoz, de a forgás miatt nem esnek az atommag felületére.

Thomson egyik feltételezése teljesen helyesnek bizonyult - az elektronok teljes töltése megfelel az atommag töltésének. Erős kölcsönhatás következtében azonban az elektronok kiütődhetnek pályájukról, aminek következtében a töltés nem kompenzálódik, és az atom pozitív töltésű ionná alakul.

Nagyon fontos információ az atom szerkezetével kapcsolatban, hogy az atom szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik. Például egy hidrogénatomnak csak egy elektronja van, amelynek tömege több mint másfél ezerszer kisebb, mint az atommag tömege.