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Creazione di un modello planetario dell'atomo. Enciclopedia scolastica

L'idea che gli atomi siano le particelle più piccole della materia è nata durante il Grecia antica. Tuttavia, solo alla fine del XVIII secolo, grazie al lavoro di scienziati come A. Lavoisier, M. V. Lomonosov e alcuni altri, è stato dimostrato che gli atomi esistono davvero. Tuttavia, a quei tempi, nessuno si chiedeva quale fosse la loro struttura interna. Gli scienziati consideravano ancora gli atomi come i "mattoni" indivisibili che costituiscono tutta la materia.

Tentativi di spiegare la struttura dell'atomo

Chi ha proposto il modello nucleare prima di tutto agli scienziati? Il primo tentativo di creare un modello di queste particelle appartenne a J. Thomson. Tuttavia, non può essere definito un successo nel pieno senso della parola. Dopotutto, Thomson credeva che l'atomo fosse un sistema sferico ed elettricamente neutro. Allo stesso tempo, lo scienziato ha ipotizzato che la carica positiva sia distribuita uniformemente sul volume di questa palla e al suo interno vi sia un nucleo caricato negativamente. Tutti i tentativi dello scienziato di spiegare la struttura interna dell'atomo non hanno avuto successo. Ernest Rutherford è colui che ha proposto il modello nucleare della struttura dell'atomo pochi anni dopo che Thomson ha avanzato la sua teoria.

Storia della ricerca

Con l'aiuto dello studio dell'elettrolisi nel 1833, Faraday riuscì a stabilire che la corrente nella soluzione elettrolitica è un flusso di particelle cariche, o ioni. Sulla base di questi studi, è stato in grado di determinare la carica minima di uno ione. Anche un ruolo importante nello sviluppo di questa direzione nella fisica è stato svolto dal chimico domestico D. I. Mendeleev. Fu lui a sollevare per primo nei circoli scientifici la questione che tutti gli atomi possono avere la stessa natura. Vediamo che prima che fosse proposto per la prima volta il modello nucleare di Rutherford della struttura dell'atomo, vari scienziati hanno condotto un gran numero di esperimenti non meno importanti. Hanno avanzato la teoria atomistica della struttura della materia.

Prime esperienze

Rutherford è uno scienziato davvero brillante, perché le sue scoperte hanno capovolto l'idea della struttura della materia. Nel 1911 riuscì ad avviare un esperimento con il quale i ricercatori riuscirono a scrutare le misteriose profondità dell'atomo, per avere un'idea di quale fosse la sua struttura interna. I primi esperimenti furono condotti dallo scienziato con il supporto di altri ricercatori, ma il ruolo principale nella scoperta apparteneva ancora a Rutherford.

Sperimentare

Utilizzando sorgenti naturali di radiazioni radioattive, Rutherford è stato in grado di costruire un cannone che emetteva un flusso di particelle alfa. Era una scatola di piombo, all'interno della quale c'era una sostanza radioattiva. Il cannone aveva una fessura attraverso la quale tutte le particelle alfa colpivano lo schermo di piombo. Potevano volare fuori solo attraverso la fessura. Molti altri schermi ostacolavano questo raggio di particelle radioattive.

Hanno separato le particelle che hanno deviato dalla direzione precedentemente impostata. Un colpo rigorosamente mirato colpì il bersaglio, usato da Rutherford foglio sottile da lamina d'oro. Dopo che le particelle hanno colpito questo foglio, hanno continuato il loro movimento e alla fine hanno colpito lo schermo fluorescente, che è stato installato dietro questo bersaglio. Quando le particelle alfa hanno colpito questo schermo, sono stati registrati dei lampi, grazie ai quali lo scienziato ha potuto giudicare quante particelle deviano dalla direzione originale quando entrano in collisione con la lamina e qual è l'entità di questa deviazione.

Differenze dalle precedenti esperienze

Gli scolari e gli studenti interessati a coloro che hanno proposto il modello nucleare della struttura dell'atomo dovrebbero sapere che esperimenti simili furono condotti in fisica prima di Rutherford. Loro idea principale era raccogliere quante più informazioni possibili sulla struttura dell'atomo dalle deviazioni delle particelle dalla traiettoria originale. Tutti questi studi hanno portato all'accumulo di una certa quantità di informazioni nella scienza, provocando riflessioni struttura interna le particelle più piccole.

Già all'inizio del 20° secolo, gli scienziati sapevano che l'atomo contiene elettroni che hanno una carica negativa. Ma tra la maggior parte dei ricercatori, l'opinione prevalente era che l'atomo dall'interno fosse più simile a una griglia piena di particelle caricate negativamente. Tali esperimenti hanno permesso di ottenere molte informazioni, ad esempio per determinare le dimensioni geometriche degli atomi.

genio indovinare

Rutherford ha notato che nessuno dei suoi predecessori aveva mai provato a determinare se le particelle alfa potessero deviare ad angoli molto ampi dalla loro traiettoria. Il vecchio modello, a volte chiamato dagli scienziati "budino all'uvetta" (perché secondo questo modello, gli elettroni nell'atomo sono distribuiti come l'uvetta nel budino), semplicemente non permetteva l'esistenza di componenti strutturali densi all'interno dell'atomo. Nessuno degli scienziati si è nemmeno preso la briga di considerare questa opzione. Il ricercatore ha chiesto al suo studente di riequipaggiare l'installazione in modo tale da registrare anche grandi deviazioni di particelle dalla traiettoria, solo per escludere tale possibilità. Immagina la sorpresa sia dello scienziato che del suo studente quando si è scoperto che alcune particelle si separano con un angolo di 180°.

Cosa c'è dentro un atomo?

Abbiamo appreso chi ha proposto il modello nucleare della struttura dell'atomo e qual è stata l'esperienza di questo scienziato. A quel tempo, l'esperimento di Rutherford fu una vera svolta. Fu costretto a concludere che all'interno dell'atomo, la maggior parte della massa è racchiusa in una sostanza molto densa. schema modello nucleare La struttura dell'atomo è estremamente semplice: all'interno si trova un nucleo carico positivamente.

Altre particelle, chiamate elettroni, ruotano attorno a questo nucleo. Il resto è di diversi ordini di grandezza meno denso. La disposizione degli elettroni all'interno di un atomo non è caotica: le particelle sono disposte in ordine di energia crescente. Il ricercatore ha chiamato le parti interne degli atomi nuclei. I nomi introdotti dallo scienziato sono ancora usati nella scienza.

Come prepararsi per la lezione?

Quegli scolari che sono interessati a coloro che hanno suggerito il modello nucleare della struttura dell'atomo possono mostrare ulteriori conoscenze nella lezione. Ad esempio, puoi dire come Rutherford, molto tempo dopo i suoi esperimenti, amava fornire un'analogia per la sua scoperta. Il paese sudafricano viene contrabbandato con armi per i ribelli, che sono racchiuse in balle di cotone. Come possono i doganieri determinare esattamente dove si trovano le forniture pericolose se l'intero treno è pieno di queste balle? L'ufficiale doganale può iniziare a sparare alle balle, e dove i proiettili rimbalzano, e c'è un'arma. Rutherford ha sottolineato che questo è il modo in cui è stata fatta la sua scoperta.

Gli studenti che si preparano a rispondere su questo argomento nella lezione, è consigliabile preparare le risposte alle seguenti domande:

1. Chi ha proposto il modello nucleare della struttura dell'atomo?

2. Qual era il significato dell'esperimento?

3. Differenza del modello nucleare da altri modelli.

Significato della teoria di Rutherford

Le conclusioni radicali che Rutherford trasse dai suoi esperimenti fecero dubitare molti dei suoi contemporanei della validità di questo modello. Anche lo stesso Rutherford non ha fatto eccezione: ha pubblicato i risultati della sua ricerca solo due anni dopo la scoperta. Prendendo come base le idee classiche su come si muovono le microparticelle, ha proposto un modello planetario nucleare della struttura dell'atomo. In generale, l'atomo ha una carica neutra. Gli elettroni si muovono attorno al nucleo, proprio come i pianeti ruotano attorno al sole. Questo movimento si verifica a causa delle forze di Coulomb. Al momento, il modello di Rutherford ha subito un notevole affinamento, ma la scoperta dello scienziato non perde oggi la sua attualità.

Modello planetario dell'atomo

Modello planetario di un atomo: nucleo (rosso) ed elettroni (verde)

Modello planetario dell'atomo, o modello Rutherford, - modello storico struttura dell'atomo, proposta da Ernest Rutherford come risultato di un esperimento con lo scattering di particelle alfa. Secondo questo modello, l'atomo è costituito da un piccolo nucleo carico positivamente, in cui è concentrata quasi l'intera massa dell'atomo, attorno al quale si muovono gli elettroni, proprio come i pianeti si muovono attorno al sole. Il modello planetario dell'atomo corrisponde alle idee moderne sulla struttura dell'atomo, tenendo conto del fatto che il movimento degli elettroni è di natura quantistica e non è descritto dalle leggi della meccanica classica. Storicamente, il modello planetario di Rutherford è succeduto al "modello di plum pudding" di Joseph John Thomson, che postula che gli elettroni carichi negativamente siano posti all'interno di un atomo caricato positivamente.

Rutherford propose un nuovo modello per la struttura dell'atomo nel 1911 come conclusione di un esperimento sulla dispersione di particelle alfa su lamina d'oro, condotto sotto la sua guida. Durante questa dispersione, un numero inaspettatamente elevato di particelle alfa è stato disperso a grandi angoli, il che indicava che il centro di dispersione ha taglia piccola e contiene un significativo carica elettrica. I calcoli di Rutherford hanno mostrato che un centro di dispersione, caricato positivamente o negativamente, deve essere almeno 3000 volte taglia più piccola un atomo, che a quel tempo era già noto e stimato a circa 10 -10 M. Poiché a quel tempo erano già noti gli elettroni, e se ne determinavano la massa e la carica, il centro di scattering, che fu poi chiamato nucleo, deve hanno avuto carica opposta agli elettroni. Rutherford non ha collegato la quantità di carica al numero atomico. Questa conclusione è stata fatta in seguito. E lo stesso Rutherford ha suggerito che la carica è proporzionale alla massa atomica.

svantaggio modello planetario era la sua incompatibilità con le leggi della fisica classica. Se gli elettroni si muovono attorno al nucleo come un pianeta attorno al Sole, allora il loro movimento è accelerato e, quindi, secondo le leggi dell'elettrodinamica classica, avrebbero dovuto irradiarsi onde elettromagnetiche, perdi energia e cadi nel nucleo. Il passo successivo nello sviluppo del modello planetario fu il modello di Bohr, che postulava altre leggi del moto degli elettroni, diverse dalle classiche. Completamente le contraddizioni dell'elettrodinamica sono state in grado di risolvere la meccanica quantistica.


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Libri

Le prime informazioni sul complesso la struttura dell'atomo sono stati ottenuti nello studio dei processi di passaggio corrente elettrica attraverso i liquidi. Negli anni Trenta del XIX sec. esperienze fisico eccezionale M. Faraday è stato portato all'idea che l'elettricità esiste sotto forma di oneri unitari separati.

La scoperta del decadimento spontaneo degli atomi di alcuni elementi, chiamato radioattività, è stata una prova diretta della complessità della struttura dell'atomo. Nel 1902, gli scienziati inglesi Ernest Rutherford e Frederick Soddy hanno dimostrato che durante il decadimento radioattivo, un atomo di uranio si trasforma in due atomi: un atomo di torio e un atomo di elio. Ciò significava che gli atomi non sono particelle immutabili e indistruttibili.

Modello dell'atomo di Rutherford

Indagando sul passaggio di un fascio stretto di particelle alfa attraverso sottili strati di materia, Rutherford ha scoperto che la maggior parte delle particelle alfa passa attraverso una lamina metallica costituita da molte migliaia di strati di atomi senza deviare dalla direzione originale, senza subire scattering, come se ci fosse nessun ostacolo sul loro cammino, nessun ostacolo. Tuttavia, alcune particelle sono state deviate con grandi angoli, avendo subito l'azione di grandi forze.

Basato sui risultati di esperimenti per osservare la dispersione delle particelle alfa nella materia Rutherford ha proposto un modello planetario della struttura dell'atomo. Secondo questo modello la struttura dell'atomo è simile alla struttura del sistema solare. Al centro di ogni atomo c'è nucleo caricato positivamente con raggio ≈ 10 -10 m, come i pianeti, circolano elettroni caricati negativamente. Quasi tutta la massa è concentrata nel nucleo atomico. Le particelle alfa possono passare attraverso migliaia di strati di atomi senza disperdersi, poiché la maggior parte dello spazio all'interno degli atomi è vuoto e le collisioni con gli elettroni leggeri non hanno quasi alcun effetto sul movimento di una particella alfa pesante. La dispersione delle particelle alfa si verifica nelle collisioni con i nuclei atomici.

Il modello dell'atomo di Rutherford non è riuscito a spiegare tutte le proprietà degli atomi.

Secondo le leggi della fisica classica, un atomo costituito da un nucleo carico positivamente ed elettroni in orbite circolari deve irradiare onde elettromagnetiche. La radiazione di onde elettromagnetiche dovrebbe portare ad una diminuzione dell'energia potenziale nel sistema nucleo-elettrone, ad una graduale diminuzione del raggio dell'orbita dell'elettrone e alla caduta dell'elettrone sul nucleo. Tuttavia, gli atomi di solito non emettono onde elettromagnetiche, gli elettroni non cadono sui nuclei atomici, cioè gli atomi sono stabili.

Postulati quantistici di N. Bohr

Per spiegare la stabilità degli atomi Niels Bohr ha proposto di abbandonare le solite idee e leggi classiche quando si spiegano le proprietà degli atomi.

Le proprietà di base degli atomi ricevono una spiegazione qualitativa coerente basata sull'adozione postulati quantistici di N. Bohr.

1. L'elettrone ruota attorno al nucleo solo in orbite circolari (stazionarie) rigorosamente definite.

2. Un sistema atomico può trovarsi solo in determinati stati stazionari o quantistici, ognuno dei quali corrisponde a una certa energia E. Un atomo non irradia energia in stati stazionari.

Stato stazionario dell'atomo insieme a scorta minima si chiama energia stato principale, vengono chiamati tutti gli altri stati stati eccitati (quantistici). Un atomo può essere nello stato fondamentale per un tempo infinitamente lungo, la vita di un atomo in uno stato eccitato dura 10 -9 -10 -7 secondi.

3. La radiazione o l'assorbimento di energia si verifica solo quando un atomo passa da uno stato stazionario all'altro. energia quantistica radiazioni elettromagnetiche al passaggio da uno stato stazionario con energia em in uno stato di energia E nè uguale alla differenza tra le energie di un atomo in due stati quantistici:

∆E = E m – E n = hv,

dove vè la frequenza di radiazione, h\u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10 -34 J ∙ s.

Modello quantistico della struttura dell'atomo

In futuro, alcune disposizioni della teoria di N. Bohr furono integrate e ripensate. Il cambiamento più significativo è stata l'introduzione del concetto di nuvola di elettroni, che ha sostituito il concetto di elettrone solo come particella. Successivamente, la teoria di Bohr è stata sostituita dalla teoria quantistica, che tiene conto delle proprietà d'onda dell'elettrone e di altre particelle elementari che formano l'atomo.

base teoria moderna struttura dell'atomoè un modello planetario, integrato e migliorato. Secondo questa teoria, il nucleo di un atomo è costituito da protoni (particelle caricate positivamente) e neuroni (particelle scariche). E attorno al nucleo, gli elettroni (particelle a carica negativa) si muovono lungo traiettorie indefinite.

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La massa degli elettroni è diverse migliaia di volte inferiore alla massa degli atomi. Poiché l'atomo nel suo insieme è neutro, quindi, la maggior parte dell'atomo cade sulla sua parte caricata positivamente.

Per uno studio sperimentale della distribuzione di una carica positiva, e quindi della massa all'interno dell'atomo, Rutherford propose nel 1906 di applicare il sondaggio dell'atomo utilizzando α -particelle. Queste particelle derivano dal decadimento del radio e di alcuni altri elementi. La loro massa è circa 8000 volte la massa dell'elettrone e la carica positiva è uguale in modulo al doppio della carica dell'elettrone. Questi non sono altro che atomi di elio completamente ionizzati. Velocità α -le particelle sono molto grandi: sono 1/15 della velocità della luce.

Con queste particelle, Rutherford ha bombardato gli atomi degli elementi pesanti. Gli elettroni, a causa della loro piccola massa, non possono cambiare sensibilmente la traiettoria α -le particelle, come un sassolino di diverse decine di grammi in una collisione con un'auto, non sono in grado di cambiarne notevolmente la velocità. Scattering (cambiare direzione di movimento) α -le particelle possono causare solo la parte caricata positivamente dell'atomo. Quindi, per dispersione α -le particelle possono determinare la natura della distribuzione della carica positiva e della massa all'interno dell'atomo.

Una preparazione radioattiva, come il radio, è stata posta all'interno del cilindro di piombo 1, lungo il quale è stato perforato uno stretto canale. fascio α -le particelle del canale sono cadute sulla lamina sottile 2 del materiale in studio (oro, rame, ecc.). Dopo la dispersione α -le particelle cadevano su uno schermo traslucido 3 rivestito con solfuro di zinco. La collisione di ciascuna particella con lo schermo è stata accompagnata da un lampo di luce (scintillazione), che può essere osservato al microscopio 4. L'intero apparato è stato posto in un recipiente da cui è stata evacuata l'aria.

Con un buon vuoto all'interno del dispositivo, in assenza di lamina, sullo schermo è apparso un cerchio luminoso, costituito da scintillazioni causate da un raggio sottile α -particelle. Ma quando la lamina fu posta nel percorso della trave, α -le particelle dovute alla dispersione sono state distribuite sullo schermo in cerchio area più ampia. Modificando l'impostazione sperimentale, Rutherford ha cercato di rilevare la deviazione α -particelle a grandi angoli. Abbastanza inaspettatamente, si è scoperto che un piccolo numero α -particelle (circa una su duemila) deviate ad angoli maggiori di 90°. Più tardi, Rutherford lo ha ammesso, dopo aver offerto ai suoi studenti un esperimento per osservare la dispersione α -particelle a grandi angoli, lui stesso non credeva in un risultato positivo. "È quasi altrettanto incredibile", ha detto Rutherford, "come se avessi sparato un proiettile da 15 pollici contro un pezzo di carta sottile, e il proiettile tornasse da te e ti colpisse". In effetti, era impossibile prevedere questo risultato sulla base del modello di Thomson. Quando è distribuita in tutto l'atomo, una carica positiva non può creare un campo elettrico sufficientemente intenso in grado di respingere la particella a. Forza massima la repulsione è determinata dalla legge di Coulomb:

dove q α - carica α -particelle; q è la carica positiva dell'atomo; r è il suo raggio; k - coefficiente di proporzionalità. L'intensità del campo elettrico di una palla con carica uniforme è massima sulla superficie della palla e diminuisce a zero quando si avvicina al centro. Pertanto, minore è il raggio r, maggiore è la forza repulsiva α -particelle.

Determinazione della dimensione del nucleo atomico. Rutherford se ne rese conto α -la particella potrebbe essere rigettata solo se la carica positiva dell'atomo e la sua massa sono concentrate in una piccolissima regione di spazio. Quindi Rutherford ha avuto l'idea del nucleo atomico: un corpo di piccole dimensioni, in cui sono concentrate quasi tutta la massa e tutta la carica positiva dell'atomo.

Modello planetario dell'atomo, o modello Rutherford, - il modello storico della struttura dell'atomo, proposto da Ernest Rutherford a seguito di un esperimento con lo scattering di particelle alfa. Secondo questo modello, l'atomo è costituito da un piccolo nucleo caricato positivamente, che contiene quasi tutta la massa dell'atomo, attorno alla quale si muovono gli elettroni, proprio come i pianeti si muovono attorno al sole. Il modello planetario dell'atomo corrisponde alle idee moderne sulla struttura dell'atomo, tenendo conto del fatto che il moto degli elettroni è di natura quantistica e non è descritto dalle leggi della meccanica classica. Storicamente, il modello planetario di Rutherford ha sostituito il "modello di plum pudding" di Joseph John Thomson, che postula che gli elettroni carichi negativamente siano posti all'interno di un atomo caricato positivamente.

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