Modello planetario nucleare della struttura della definizione dell'atomo. Modello planetario dell'atomo

Il modello planetario dell'atomo fu proposto da E. Rutherford nel 1910. I primi studi sulla struttura dell'atomo furono fatti da lui con l'aiuto di particelle alfa. Sulla base dei risultati ottenuti negli esperimenti sulla loro dispersione, Rutherford ha suggerito che tutta la carica positiva dell'atomo è concentrata in un minuscolo nucleo al suo centro. D'altra parte, gli elettroni caricati negativamente sono distribuiti nel resto del suo volume.

Un po' di sfondo

La prima brillante ipotesi sull'esistenza degli atomi fu fatta dall'antico scienziato greco Democrito. Da allora, l'idea dell'esistenza degli atomi, le cui combinazioni danno tutte le sostanze che ci circondano, non ha lasciato l'immaginazione della gente di scienza. Di tanto in tanto vari rappresentanti di essa si rivolgevano ad essa, ma fino all'inizio del XIX secolo le loro costruzioni erano solo ipotesi, non supportate da dati sperimentali.

Infine, nel 1804, più di cento anni prima della comparsa del modello planetario dell'atomo, lo scienziato inglese John Dalton fornì prove della sua esistenza e introdusse il concetto di peso atomico, che fu la sua prima caratteristica quantitativa. Come i suoi predecessori, concepiva gli atomi come i più piccoli pezzi di materia, come sfere solide, che non possono essere divise in particelle ancora più piccole.

Scoperta dell'elettrone e primo modello dell'atomo

Era passato quasi un secolo quando, finalmente, alla fine del 19° secolo, anche l'inglese J. J. Thomson, scoprì la prima particella subatomica, l'elettrone caricato negativamente. Poiché gli atomi sono elettricamente neutri, Thomson pensava che dovessero essere composti da un nucleo caricato positivamente con elettroni sparsi in tutto il suo volume. Sulla base di vari risultati sperimentali, nel 1898 propose il suo modello dell'atomo, a volte chiamato "prugne in un budino", perché l'atomo in esso era rappresentato come una sfera riempita di un liquido caricato positivamente, in cui erano incorporati degli elettroni, come " prugne nel budino. Il raggio di un tale modello sferico era di circa 10 -8 cm La carica positiva totale del liquido è simmetricamente e uniformemente bilanciata dalle cariche negative degli elettroni, come mostrato nella figura seguente.

Questo modello ha spiegato in modo soddisfacente il fatto che quando una sostanza viene riscaldata, inizia a emettere luce. Sebbene questo sia stato il primo tentativo di capire cosa fosse un atomo, non è riuscito a soddisfare i risultati degli esperimenti condotti in seguito da Rutherford e altri. Thomson concordò nel 1911 che il suo modello semplicemente non poteva rispondere come e perché si verifica la dispersione dei raggi α osservata negli esperimenti. Pertanto, è stato abbandonato e sostituito da un modello planetario dell'atomo più perfetto.

Comunque come è organizzato l'atomo?

Ernest Rutherford ha dato una spiegazione del fenomeno della radioattività, che lo ha portato premio Nobel, ma il suo contributo più significativo alla scienza venne dopo, quando stabilì che l'atomo è costituito da un nucleo denso circondato da orbite di elettroni, proprio come il Sole è circondato dalle orbite dei pianeti.

Secondo il modello planetario di un atomo, la maggior parte della sua massa è concentrata in un nucleo minuscolo (rispetto alle dimensioni dell'intero atomo). Gli elettroni si muovono intorno al nucleo, viaggiando a velocità incredibili, ma la maggior parte del volume degli atomi è spazio vuoto.

La dimensione del nucleo è così piccola che il suo diametro è 100.000 volte più piccolo di quello di un atomo. Il diametro del nucleo è stato stimato da Rutherford in 10 -13 cm, in contrasto con la dimensione dell'atomo - 10-8 cm All'esterno del nucleo, gli elettroni ruotano attorno ad esso con alte velocità, risultando in forze centrifughe che bilanciano le forze elettrostatiche di attrazione tra protoni ed elettroni.

Gli esperimenti di Rutherford

modello planetario l'atomo sorse nel 1911, dopo il famoso esperimento con la lamina d'oro, che permise di ottenere alcune informazioni fondamentali sulla sua struttura. Il percorso di Rutherford verso la scoperta nucleo atomicoè un buon esempio il ruolo della creatività nella scienza. La sua ricerca iniziò già nel 1899, quando scoprì che alcuni elementi emettono particelle cariche positivamente che possono penetrare qualsiasi cosa. Ha chiamato queste particelle particelle alfa (α) (ora sappiamo che erano nuclei di elio). Come tutti i bravi scienziati, Rutherford era curioso. Si chiese se le particelle alfa potessero essere usate per scoprire la struttura di un atomo. Rutherford decise di puntare un raggio di particelle alfa su un foglio di lamina d'oro molto sottile. Scelse l'oro perché poteva produrre fogli sottili fino a 0,00004 cm Dietro il foglio di lamina d'oro, collocò uno schermo che brillava quando le particelle alfa lo colpivano. È stato utilizzato per rilevare le particelle alfa dopo che erano passate attraverso la lamina. Una piccola fessura nello schermo ha permesso al fascio di particelle alfa di raggiungere la lamina dopo essere uscito dalla sorgente. Alcuni di loro devono passare attraverso la pellicola e continuare a muoversi nella stessa direzione, mentre l'altra parte deve rimbalzare sulla pellicola e riflettersi ad angoli acuti. Puoi vedere lo schema dell'esperimento nella figura seguente.

Cosa è successo nell'esperimento di Rutherford?

Basandosi sul modello dell'atomo di JJ Thomson, Rutherford presumeva che le regioni solide di carica positiva che riempivano l'intero volume degli atomi d'oro avrebbero deviato o piegato le traiettorie di tutte le particelle alfa mentre attraversavano la lamina.

Tuttavia, la stragrande maggioranza delle particelle alfa è passata proprio attraverso la lamina d'oro come se non ci fosse. Sembrava che stessero attraversando uno spazio vuoto. Solo alcuni di essi deviano dalla retta via, come si supponeva all'inizio. Di seguito è riportato un grafico del numero di particelle sparse nella rispettiva direzione rispetto all'angolo di dispersione.

Sorprendentemente, una piccola percentuale delle particelle è rimbalzata dal foglio, come un pallone da basket che rimbalza su un tabellone. Rutherford si rese conto che queste deviazioni erano il risultato di una collisione diretta tra le particelle alfa e le componenti caricate positivamente dell'atomo.

Il nucleo è al centro della scena

Basandoci sulla percentuale trascurabile di particelle alfa riflesse dalla lamina, possiamo concludere che tutta la carica positiva e quasi tutta la massa dell'atomo sono concentrate in una piccola area e il resto dell'atomo è per lo più spazio vuoto. Rutherford ha chiamato l'area di carica positiva concentrata il nucleo. Predisse e scoprì presto che conteneva particelle cariche positivamente, che chiamò protoni. Rutherford predisse l'esistenza di particelle atomiche neutre chiamate neutroni, ma non riuscì a rilevarle. Tuttavia, il suo studente James Chadwick li scoprì alcuni anni dopo. La figura seguente mostra la struttura del nucleo di un atomo di uranio.

Gli atomi sono costituiti da nuclei pesanti carichi positivamente circondati da particelle estremamente leggere caricate negativamente: elettroni che ruotano attorno a loro e a velocità tali che le forze centrifughe meccaniche bilanciano semplicemente la loro attrazione elettrostatica verso il nucleo, e in questa connessione è presumibilmente assicurata la stabilità dell'atomo.

Gli svantaggi di questo modello

L'idea principale di Rutherford era legata all'idea di un piccolo nucleo atomico. L'ipotesi sulle orbite degli elettroni era pura congettura. Non sapeva esattamente dove e come ruotassero gli elettroni attorno al nucleo. Pertanto, il modello planetario di Rutherford non spiega la distribuzione degli elettroni nelle orbite.

Inoltre, la stabilità dell'atomo di Rutherford era possibile solo con il continuo movimento degli elettroni nelle orbite senza perdita di energia cinetica. Ma i calcoli elettrodinamici hanno mostrato che il movimento degli elettroni lungo eventuali traiettorie curvilinee, accompagnato da un cambiamento nella direzione del vettore velocità e dalla comparsa di una corrispondente accelerazione, è inevitabilmente accompagnato dall'emissione di energia elettromagnetica. In questo caso, secondo la legge di conservazione dell'energia, l'energia cinetica dell'elettrone deve essere spesa molto rapidamente in radiazione, e deve cadere sul nucleo, come mostrato schematicamente nella figura seguente.

Ma questo non accade, poiché gli atomi sono formazioni stabili. Una tipica contraddizione scientifica è sorta tra il modello del fenomeno ei dati sperimentali.

Da Rutherford a Niels Bohr

Il successivo grande progresso nella storia dell'atomo avvenne nel 1913, quando lo scienziato danese Niels Bohr pubblicò una descrizione di un modello più dettagliato dell'atomo. Ha determinato più chiaramente i luoghi in cui potrebbero trovarsi gli elettroni. Sebbene in seguito gli scienziati avrebbero sviluppato progetti atomici più sofisticati, il modello planetario dell'atomo di Bohr era sostanzialmente corretto e gran parte di esso è ancora accettato oggi. Ha avuto molte applicazioni utili, ad esempio, con il suo aiuto spiegano le proprietà di vari elementi chimici, la natura del loro spettro di radiazioni e la struttura dell'atomo. Il modello planetario e il modello di Bohr sono state le pietre miliari più importanti che hanno segnato l'emergere di una nuova direzione nella fisica: la fisica del micromondo. Bohr ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1922 per i suoi contributi alla nostra comprensione della struttura dell'atomo.

Quale novità ha apportato Bohr al modello dell'atomo?

Quando era ancora un giovane, Bohr ha lavorato nel laboratorio di Rutherford in Inghilterra. Poiché il concetto di elettroni era poco sviluppato nel modello di Rutherford, Bohr si concentrò su di essi. Di conseguenza, il modello planetario dell'atomo è stato notevolmente migliorato. I postulati di Bohr, che ha formulato nel suo articolo "Sulla struttura degli atomi e delle molecole", pubblicato nel 1913, leggono:

1. Gli elettroni possono muoversi attorno al nucleo solo a distanze fisse da esso, determinate dalla quantità di energia che hanno. Ha chiamato questi livelli fissi livelli di energia o gusci di elettroni. Bohr le immaginava come sfere concentriche, con un nucleo al centro di ciascuna. In questo caso, gli elettroni con energia inferiore si troveranno a livelli più bassi, più vicini al nucleo. Coloro che hanno più energia saranno trovati su di più livelli alti, lontano dal nucleo.

2. Se un elettrone assorbe una certa quantità (abbastanza certa per un dato livello) di energia, salterà al livello di energia successivo, più alto. Al contrario, se perde la stessa quantità di energia, tornerà al suo livello originale. Tuttavia, un elettrone non può esistere su due livelli di energia.

Questa idea è illustrata da una figura.

Porzioni di energia per gli elettroni

Il modello di Bohr dell'atomo è in realtà una combinazione di due varie idee: il modello atomico di Rutherford con elettroni che ruotano attorno al nucleo (si tratta infatti del modello planetario dell'atomo di Bohr-Rutherford), e le idee dello scienziato tedesco Max Planck sulla quantizzazione dell'energia della materia, pubblicate nel 1901. Un quanto (in plurale- quanti) è la quantità minima di energia che può essere assorbita o emessa da una sostanza. È una specie di passaggio di discretizzazione per la quantità di energia.

Se l'energia viene paragonata all'acqua e vuoi aggiungerla alla materia sotto forma di bicchiere, non puoi semplicemente versare acqua in un flusso continuo. Invece, puoi aggiungerlo in piccole quantità, come un cucchiaino. Bohr credeva che se gli elettroni possono assorbire o perdere solo quantità fisse di energia, allora dovrebbero variare la loro energia solo di queste quantità fisse. Pertanto, possono occupare solo livelli di energia fissi attorno al nucleo che corrispondono ad incrementi quantizzati della loro energia.

Quindi dal modello di Bohr nasce un approccio quantistico per spiegare qual è la struttura dell'atomo. Il modello planetario e il modello di Bohr sono stati una sorta di passaggio dalla fisica classica alla fisica quantistica, che è lo strumento principale nella fisica del microcosmo, inclusa la fisica atomica.

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 sullo scattering di particelle alfa su lamina d'oro, condotto sotto la sua guida. Con questa dispersione, inaspettatamente un gran numero di le particelle alfa sono state sparse ad angoli ampi, il che indicava che il centro di diffusione ha taglia piccola e contiene una carica elettrica significativa. I calcoli di Rutherford hanno mostrato che un centro di scattering, caricato positivamente o negativamente, deve essere almeno 3000 volte più piccolo della dimensione di un atomo, che a quel tempo era già noto e stimato a circa 10 -10 M. Poiché gli elettroni erano già noti a quel tempo, e la loro massa e carica sono determinate, allora il centro di diffusione, che in seguito fu chiamato nucleo, doveva avere la 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.

Lo svantaggio del modello planetario era la sua incompatibilità con le leggi della fisica classica. Se gli elettroni si muovono attorno al nucleo come i pianeti 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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Planetario Eise Eisingi
fantasia planetaria

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Libri

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Fu proposto uno dei primi modelli della struttura dell'atomo J. Thomson nel 1904 l'atomo fu presentato come un "mare di elettricità positiva" con elettroni oscillanti al suo interno. La carica negativa totale degli elettroni di un atomo elettricamente neutro è stata equiparata alla sua carica positiva totale.

L'esperienza di Rutherford

Per verificare l'ipotesi di Thomson e determinare con maggiore precisione la struttura dell'atomo E. Rutherford organizzato una serie di esperimenti sullo scattering α -particelle sottili di metallo - lamina. Nel 1910 gli studenti di Rutherford Hans Geiger e Ernest Marsden effettuato esperimenti di bombardamento α - particelle di lamiere sottili. Lo hanno trovato di più α -le particelle passano attraverso la lamina senza cambiare la loro traiettoria. E questo non era sorprendente, se accettiamo la correttezza del modello dell'atomo di Thomson.

Fonte α - la radiazione è stata posta in un cubo di piombo con un canale perforato, in modo che fosse possibile ottenere un flusso α -particelle che volano in una certa direzione. Le particelle alfa sono atomi di elio doppiamente ionizzati ( Non 2+). Hanno una carica positiva di +2 e una massa quasi 7350 volte la massa di un elettrone. Colpendo uno schermo ricoperto di solfuro di zinco, α -le particelle lo facevano brillare e con una lente d'ingrandimento si potevano vedere e contare i singoli flash che appaiono sullo schermo ogni volta α -particelle. Una lamina è stata posta tra la sorgente di radiazioni e lo schermo. Dai flash sullo schermo si poteva giudicare lo scattering α -particelle, cioè sulla loro deviazione dalla direzione originale quando si passa attraverso lo strato di metallo.

Si è scoperto che la maggioranza α -le particelle passano attraverso la lamina senza cambiarne la direzione, sebbene lo spessore della lamina corrispondesse a centinaia di migliaia di diametri atomici. Ma alcuni condividono α -particelle ancora deviate di piccoli angoli, e occasionalmente α -le particelle hanno cambiato bruscamente la direzione del loro movimento e persino (circa 1 su 100.000) sono state respinte, come se avessero incontrato un ostacolo enorme. Casi di una deviazione così netta α -le particelle possono essere osservate spostando lo schermo con una lente d'ingrandimento in un arco.

Dai risultati di questo esperimento si possono trarre le seguenti conclusioni:

C'è qualche "ostacolo" nell'atomo, che è stato chiamato il nucleo.
Il nucleo ha una carica positiva (altrimenti carica positiva α le particelle non verrebbero riflesse indietro).
Il nucleo è molto piccolo rispetto alla dimensione dell'atomo stesso (solo una piccola parte α -le particelle hanno cambiato direzione).
Il nucleo ha più massa della massa α -particelle.

Rutherford ha spiegato i risultati dell'esperimento proponendo Modello "planetario" dell'atomo lo ha paragonato al sistema solare. Secondo il modello planetario, al centro dell'atomo c'è un nucleo molto piccolo, la cui dimensione è circa 100.000 volte taglie più piccole l'atomo stesso. Questo nucleo contiene quasi l'intera massa dell'atomo e porta una carica positiva. Gli elettroni si muovono attorno al nucleo, il cui numero è determinato dalla carica del nucleo. La traiettoria esterna degli elettroni determina le dimensioni esterne dell'atomo. Il diametro di un atomo è di circa 10 -8 cm, e il diametro del nucleo è di circa 10 -13 ÷10 -12 cm.

Maggiore è la carica del nucleo atomico, più forte sarà respinto da esso α -particella, più spesso si verificheranno casi di forti deviazioni α -particelle che passano attraverso lo strato metallico, dalla direzione originaria del movimento. Pertanto, esperimenti di dispersione α -le particelle permettono non solo di rilevare l'esistenza di un nucleo atomico, ma anche di determinarne la carica. Già dagli esperimenti di Rutherford risultava che la carica del nucleo (espressa in unità di carica dell'elettrone) è numericamente uguale al numero ordinale dell'elemento nel sistema periodico. È stato confermato G. Moseley, che nel 1913 stabilì una semplice relazione tra le lunghezze d'onda di determinate righe dello spettro dei raggi X di un elemento e il suo numero di serie, e D. Chadwick, che nel 1920 determinò con grande accuratezza le cariche dei nuclei atomici di un certo numero di elementi mediante scattering α -particelle.

È stato installato significato fisico il numero seriale dell'elemento nel sistema periodico: il numero seriale risulta essere la costante più importante dell'elemento, esprimendo la carica positiva del nucleo del suo atomo. Dalla neutralità elettrica dell'atomo segue che il numero di elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero ordinale dell'elemento.

Questa scoperta ha fornito una nuova giustificazione per la disposizione degli elementi nel sistema periodico. Allo stesso tempo, ha eliminato l'apparente contraddizione nel sistema di Mendeleev: la posizione di alcuni elementi con una massa atomica maggiore davanti a elementi con una massa atomica inferiore (tellurio e iodio, argon e potassio, cobalto e nichel). Si è scoperto che qui non c'è contraddizione, poiché il posto di un elemento nel sistema è determinato dalla carica del nucleo atomico. È stato stabilito sperimentalmente che la carica del nucleo dell'atomo di tellurio è 52 e quella dell'atomo di iodio è 53; quindi tellurio, nonostante il grande massa atomica, deve resistere allo iodio. Allo stesso modo, le cariche dei nuclei di argon e potassio, nichel e cobalto corrispondono pienamente alla sequenza di disposizione di questi elementi nel sistema.

Quindi, la carica del nucleo atomico è la principale quantità da cui dipendono le proprietà dell'elemento e la sua posizione nel sistema periodico. Così legge periodica Mendeleev attualmente può essere formulato come segue:

Proprietà degli elementi e il semplice e sostanze complesse sono in una dipendenza periodica dalla carica del nucleo degli atomi degli elementi

La determinazione dei numeri seriali degli elementi mediante le cariche dei nuclei dei loro atomi ha permesso di stabilire numero totale posti nel sistema periodico tra l'idrogeno, che ha il numero di serie 1, e l'uranio (numero atomico 92), che era considerato a quel tempo l'ultimo membro del sistema periodico degli elementi. Quando fu creata la teoria della struttura dell'atomo, i posti 43, 61, 72, 75, 85 e 87 rimasero vuoti, il che indicava la possibilità dell'esistenza di elementi ancora da scoprire. E infatti, nel 1922, fu scoperto l'elemento afnio, che prese il posto del 72; poi nel 1925 - renio, che ha avuto luogo 75. Gli elementi che dovrebbero occupare i restanti quattro posti liberi nella tabella si sono rivelati radioattivi e non sono stati trovati in natura, ma sono stati ottenuti artificialmente. I nuovi elementi furono chiamati tecnezio (numero 43), promezio (61), astato (85) e francio (87). Al momento, tutte le celle del sistema periodico tra idrogeno e uranio sono riempite. Tuttavia, lei sistema periodico non è completato.

Spettri atomici

Il modello planetario è stato un passo importante nella teoria della struttura dell'atomo. Tuttavia, per alcuni aspetti contraddiceva fatti ben consolidati. Consideriamo due di queste contraddizioni.

In primo luogo, la teoria di Rutherford non poteva spiegare la stabilità dell'atomo. Un elettrone che ruota attorno a un nucleo caricato positivamente deve, come un oscillante carica elettrica, emettere energia elettromagnetica sotto forma di onde luminose. Ma, emettendo luce, l'elettrone perde parte della sua energia, il che porta a uno squilibrio tra la forza centrifuga associata alla rotazione dell'elettrone e la forza di attrazione elettrostatica dell'elettrone sul nucleo. Per ristabilire l'equilibrio, l'elettrone deve avvicinarsi al nucleo. Pertanto, l'elettrone, irradiando continuamente energia elettromagnetica e muovendosi a spirale, si avvicinerà al nucleo. Avendo esaurito tutta la sua energia, deve "cadere" sul nucleo e l'atomo cesserà di esistere. Questa conclusione contraddice proprietà reali atomi, che sono formazioni stabili, e possono esistere senza essere distrutti per un tempo estremamente lungo.

In secondo luogo, il modello di Rutherford ha portato a conclusioni errate sulla natura degli spettri atomici. Quando la luce emessa da un corpo solido o liquido caldo viene fatta passare attraverso un prisma di vetro o quarzo, si osserva un cosiddetto spettro continuo su uno schermo posto dietro il prisma, la cui parte visibile è una fascia colorata contenente tutti i colori del prisma. arcobaleno. Questo fenomeno è spiegato dal fatto che la radiazione di un solido caldo o corpo liquidoè costituito da onde elettromagnetiche di varie frequenze. Le onde di diverse frequenze vengono rifratte in modo disuguale da un prisma e cadono su luoghi differenti schermo. Costellazione di frequenza radiazioni elettromagnetiche, emesso dalla sostanza, ed è chiamato spettro di emissione. D'altra parte, le sostanze assorbono le radiazioni di determinate frequenze. La totalità di quest'ultimo è chiamata spettro di assorbimento di una sostanza.

Per ottenere uno spettro, invece di un prisma, puoi usare un reticolo di diffrazione. Quest'ultima è una lastra di vetro, sulla cui superficie vengono applicati sottili tratti paralleli a una distanza molto ravvicinata l'uno dall'altro (fino a 1500 colpi per 1 mm). Passando attraverso tale reticolo, la luce si decompone e forma uno spettro simile a quello ottenuto utilizzando un prisma. La diffrazione è inerente a qualsiasi moto ondoso e serve come una delle principali prove della natura ondulatoria della luce.

Quando riscaldata, una sostanza emette raggi (radiazioni). Se la radiazione ha una lunghezza d'onda, viene chiamata monocromatica. Nella maggior parte dei casi, la radiazione è caratterizzata da diverse lunghezze d'onda. Quando la radiazione viene scomposta in componenti monocromatiche, si ottiene uno spettro di radiazione, in cui le sue singole componenti sono espresse da righe spettrali.

Gli spettri ottenuti per irraggiamento da atomi liberi o debolmente legati (ad esempio in gas o vapori) sono chiamati spettri atomici.

Le radiazioni emesse da solidi o liquidi danno sempre uno spettro continuo. Radiazione emessa da gas e vapori caldi, in contrasto con la radiazione solidi e liquidi, contiene solo determinate lunghezze d'onda. Pertanto, invece di una striscia continua sullo schermo, si ottiene una serie di linee colorate separate separate da spazi scuri. Il numero e la posizione di queste linee dipendono dalla natura del gas o del vapore caldo. Quindi, il vapore di potassio dà - uno spettro composto da tre linee - due rosse e una viola; ci sono diverse linee rosse, gialle e verdi nello spettro dei vapori di calcio, ecc.

Le radiazioni emesse da solidi o liquidi danno sempre uno spettro continuo. La radiazione emessa da gas e vapori caldi, contrariamente alla radiazione di solidi e liquidi, contiene solo determinate lunghezze d'onda. Pertanto, invece di una striscia continua sullo schermo, si ottiene una serie di linee colorate separate separate da spazi scuri. Il numero e la posizione di queste linee dipendono dalla natura del gas o del vapore caldo. Quindi, il vapore di potassio fornisce uno spettro composto da tre linee: due rosse e una viola; ci sono diverse linee rosse, gialle e verdi nello spettro dei vapori di calcio, ecc.

Tali spettri sono chiamati spettri di linea. Si è riscontrato che la luce emessa dagli atomi dei gas ha uno spettro di righe, in cui le righe spettrali possono essere combinate in serie.

In ogni serie, la disposizione delle linee corrisponde a un determinato schema. Le frequenze delle singole linee possono essere descritte La formula di Balmer:

Il fatto che gli atomi di ciascun elemento diano uno spettro completamente definito inerente solo a questo elemento, e l'intensità delle righe spettrali corrispondenti sia maggiore, il più contenuti elemento in un campione è ampiamente utilizzato per determinare la composizione qualitativa e quantitativa di sostanze e materiali. Questo metodo di ricerca è chiamato analisi spettrale.

Il modello planetario della struttura dell'atomo si è rivelato incapace di spiegare lo spettro di emissione delle righe degli atomi di idrogeno, e ancor di più la combinazione di righe spettrali in una serie. Un elettrone che ruota attorno al nucleo deve avvicinarsi al nucleo, cambiando continuamente la velocità del suo movimento. La frequenza della luce da esso emessa è determinata dalla frequenza della sua rotazione e, pertanto, deve essere in continuo cambiamento. Ciò significa che lo spettro di radiazione di un atomo deve essere continuo, continuo. Secondo questo modello, la frequenza di radiazione di un atomo deve essere uguale alla frequenza di vibrazione meccanica o essere un suo multiplo, il che non è coerente con la formula di Balmer. Pertanto, la teoria di Rutherford non poteva spiegare né l'esistenza di atomi stabili né la presenza dei loro spettri di linea.

teoria quantistica della luce

Nel 1900 M. Plancia ha mostrato che la capacità di un corpo riscaldato di emettere radiazioni può essere correttamente descritta quantitativamente solo assumendo che l'energia radiante sia emessa e assorbita dai corpi non in modo continuo, ma in modo discreto, cioè in porzioni separate - quanti. Allo stesso tempo, l'energia e ciascuna di queste porzioni è correlata alla frequenza della radiazione da una relazione chiamata Le equazioni di Planck:

Planck stesso a lungo riteneva che l'emissione e l'assorbimento della luce da parte dei quanti fosse una proprietà dei corpi radianti, e non della radiazione stessa, che è in grado di avere qualsiasi energia e quindi può essere assorbita continuamente. Tuttavia, nel 1905 Einstein, analizzando il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, è giunto alla conclusione che l'energia elettromagnetica (radiante) esiste solo sotto forma di quanti e che, quindi, la radiazione è un flusso di "particelle" di materiale indivisibile (fotoni), la cui energia è determinato L'equazione di Planck.

effetto fotoelettrico Viene chiamata l'emissione di elettroni da parte di un metallo sotto l'azione della luce incidente su di esso. Questo fenomeno è stato studiato in dettaglio nel 1888-1890. AG Stoletov. Se metti la preparazione nel vuoto e la applichi alla piastra M potenziale negativo, quindi non si osserverà corrente nel circuito, poiché non ci sono particelle cariche nello spazio tra la piastra e la griglia che possono trasportare elettricità. Ma quando la lastra viene illuminata con una sorgente luminosa, il galvanometro rileva il verificarsi di una corrente (chiamata fotocorrente), i cui vettori sono gli elettroni estratti dalla luce dal metallo.

Si è scoperto che quando l'intensità della luce cambia, cambia solo il numero di elettroni emessi dal metallo, ad es. forza della fotocorrente. Ma la massima energia cinetica di ciascun elettrone emesso dal metallo non dipende dall'intensità dell'illuminazione, ma cambia solo quando cambia la frequenza della luce incidente sul metallo. È all'aumentare della lunghezza d'onda (cioè al diminuire della frequenza) che l'energia degli elettroni emessi dal metallo diminuisce, quindi, ad una lunghezza d'onda determinata per ciascun metallo, l'effetto fotoelettrico scompare e non compare nemmeno a alta intensità luminosa. Quindi, quando illuminato con luce rossa o arancione, il sodio non mostra un effetto fotoelettrico e inizia a emettere elettroni solo a una lunghezza d'onda inferiore a 590 nm (luce gialla); nel litio, l'effetto fotoelettrico viene rilevato a livelli ancora più bassi lunghezze d'onda, a partire da 516 nm ( luce verde); e l'estrazione di elettroni dal platino sotto l'azione della luce visibile non si verifica affatto e inizia solo quando il platino viene irradiato con raggi ultravioletti.

Queste proprietà dell'effetto fotoelettrico sono del tutto inspiegabili dal punto di vista della teoria ondulatoria classica della luce, secondo la quale l'effetto dovrebbe essere determinato (per un dato metallo) solo dalla quantità di energia assorbita dalla superficie del metallo per unità di tempo, ma non dovrebbe dipendere dal tipo di radiazione incidente sul metallo. Tuttavia, queste stesse proprietà ricevono una spiegazione semplice e convincente se assumiamo che la radiazione sia costituita da porzioni separate, i fotoni, che hanno un'energia ben definita.

Infatti, un elettrone in un metallo è legato agli atomi del metallo, per cui una certa quantità di energia deve essere spesa per estrarlo. Se il fotone ha la quantità di energia richiesta (e l'energia del fotone è determinata dalla frequenza della radiazione), l'elettrone verrà espulso e si osserverà l'effetto fotoelettrico. Nel processo di interazione con il metallo, il fotone cede completamente la sua energia all'elettrone, perché il fotone non può essere diviso in parti. L'energia del fotone sarà in parte spesa per rompere il legame tra l'elettrone e il metallo, e in parte per impartire all'elettrone l'energia cinetica del movimento. Pertanto, l'energia cinetica massima di un elettrone eliminato da un metallo non può essere maggiore della differenza tra l'energia del fotone e l'energia di legame di un elettrone con atomi di metallo. Di conseguenza, con un aumento del numero di fotoni incidenti sulla superficie del metallo per unità di tempo (cioè con un aumento dell'intensità di illuminazione), aumenterà solo il numero di elettroni espulsi dal metallo, il che porterà ad un aumento del fotocorrente, ma l'energia di ciascun elettrone non aumenterà. Se l'energia del fotone è inferiore all'energia minima richiesta per espellere un elettrone, l'effetto fotoelettrico non verrà osservato per nessun numero di fotoni incidenti sul metallo, ad es. a qualsiasi intensità luminosa.

teoria quantistica della luce, sviluppato Einstein, è stato in grado di spiegare non solo le proprietà dell'effetto fotoelettrico, ma anche le leggi dell'azione chimica della luce, dipendenza dalla temperatura capacità termica dei solidi e una serie di altri fenomeni. Si è rivelato estremamente utile nello sviluppo di idee sulla struttura di atomi e molecole.

Dalla teoria quantistica della luce deriva che un fotone non è in grado di rompersi: interagisce nel suo insieme con un elettrone metallico, facendolo cadere dalla piastra; nel suo insieme interagisce anche con la sostanza fotosensibile della pellicola fotografica, facendola scurire ad un certo punto, e così via.In questo senso il fotone si comporta come una particella, cioè presenta proprietà corpuscolari. Tuttavia, il fotone ha anche proprietà ondulatorie: ciò si manifesta nella natura ondulatoria della propagazione della luce, nella capacità del fotone di interferire e di diffrazione. Un fotone differisce da una particella nel senso classico del termine in quanto la sua posizione esatta nello spazio, come la posizione esatta di qualsiasi onda, non può essere specificata. Ma differisce anche dall'onda "classica": l'incapacità di dividersi in parti. Combinando le proprietà corpuscolari e ondulatorie, il fotone non è, in senso stretto, né una particella né un'onda: ha una dualità corpuscolare-onda.

Dettagli Categoria: Fisica dell'atomo e nucleo atomico Pubblicato il 03/10/2016 18:27 Visualizzazioni: 4106

Scienziati e filosofi dell'antica Grecia e dell'antica India credevano che tutte le sostanze intorno a noi fossero costituite da minuscole particelle che non si dividono.

Erano sicuri che non c'era niente al mondo che sarebbe stato più piccolo di queste particelle, che chiamavano atomi . E, in effetti, in seguito l'esistenza degli atomi fu dimostrata da scienziati famosi come Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton. L'atomo era considerato indivisibile fino a fine XIX- l'inizio del XX secolo, quando si è scoperto che non era così.

La scoperta dell'elettrone. Modello di Thomson dell'atomo

Joseph John Thomson

Nel 1897 il fisico inglese Joseph John Thomson, studiando sperimentalmente il comportamento dei raggi catodici in campi magnetici e campi elettrici, ha scoperto che questi raggi sono un flusso di particelle cariche negativamente. La velocità di movimento di queste particelle era inferiore alla velocità della luce. Pertanto, avevano massa. Da dove vengono? Lo scienziato ha suggerito che queste particelle fanno parte dell'atomo. Li ha chiamati corpuscoli . Più tardi furono chiamati elettroni . Così la scoperta dell'elettrone pose fine alla teoria dell'indivisibilità dell'atomo.

Modello di Thomson dell'atomo

Thomson ha proposto il primo modello elettronico atomo. Secondo esso, un atomo è una sfera, all'interno della quale si trova una sostanza carica, la cui carica positiva è distribuita uniformemente in tutto il volume. E in questa sostanza, come l'uvetta in un panino, gli elettroni sono disseminati. In generale, l'atomo è elettricamente neutro. Questo modello è stato chiamato il "modello di budino di prugne".

Ma il modello di Thomson si è rivelato sbagliato, il che è stato dimostrato fisico britannico Sir Ernest Rutherford.

L'esperienza di Rutherford

Ernest Rutherford

Come è effettivamente organizzato un atomo? Rutherford diede una risposta a questa domanda dopo il suo esperimento, condotto nel 1909 insieme al fisico tedesco Hans Geiger e al fisico neozelandese Ernst Marsden.

L'esperienza di Rutherford

Lo scopo dell'esperimento era studiare l'atomo con l'aiuto di particelle alfa, il cui raggio focalizzato, volando a grande velocità, era diretto verso la lamina d'oro più sottile. Dietro la pellicola c'era uno schermo luminescente. Quando le particelle si scontravano con esso, apparivano lampi che potevano essere osservati al microscopio.

Se Thomson ha ragione e l'atomo è costituito da una nuvola di elettroni, le particelle dovrebbero volare facilmente attraverso la lamina senza essere deviate. Poiché la massa della particella alfa superava la massa dell'elettrone di circa 8000 volte, l'elettrone non poteva agire su di essa e deviare la sua traiettoria con un ampio angolo, proprio come un sassolino da 10 g non potrebbe cambiare la traiettoria di un'auto in movimento.

Ma in pratica, tutto è andato diversamente. La maggior parte delle particelle è effettivamente volata attraverso la lamina, praticamente senza deviare o deviare di un piccolo angolo. Ma alcune delle particelle hanno deviato in modo abbastanza significativo o addirittura rimbalzato indietro, come se ci fosse una sorta di ostacolo sul loro percorso. Come ha detto lo stesso Rutherford, è stato incredibile come se un proiettile da 15 pollici rimbalzasse su un pezzo di carta velina.

Cosa ha fatto cambiare così tanto direzione ad alcune particelle alfa? Lo scienziato ha suggerito che la ragione di ciò fosse una parte dell'atomo, concentrata in un volume molto piccolo e con una carica positiva. L'ha chiamata il nucleo di un atomo.

Il modello planetario dell'atomo di Rutherford

Modello dell'atomo di Rutherford

Rutherford è giunto alla conclusione che un atomo è costituito da un nucleo denso caricato positivamente situato al centro dell'atomo e da elettroni che hanno una carica negativa. Quasi tutta la massa di un atomo è concentrata nel nucleo. In generale, l'atomo è neutro. La carica positiva del nucleo è uguale alla somma delle cariche negative di tutti gli elettroni nell'atomo. Ma gli elettroni non sono incorporati nel nucleo, come nel modello di Thomson, ma ruotano attorno ad esso come i pianeti ruotano attorno al sole. La rotazione degli elettroni avviene sotto l'azione della forza di Coulomb che agisce su di essi dal nucleo. La velocità di rotazione degli elettroni è enorme. Sopra la superficie del nucleo, formano una specie di nuvola. Ogni atomo ha la sua nuvola di elettroni, carica negativamente. Per questo motivo, non "si attaccano", ma si respingono.

Per la sua somiglianza con sistema solare Il modello di Rutherford è stato chiamato planetario.

Perché esiste l'atomo

Tuttavia, il modello dell'atomo di Rutherford non è riuscito a spiegare perché l'atomo è così stabile. Dopotutto, secondo le leggi della fisica classica, un elettrone, ruotando in orbita, si muove con accelerazione, quindi irradia onde elettromagnetiche e perde energia. Alla fine, questa energia deve esaurirsi e l'elettrone deve cadere nel nucleo. Se così fosse, l'atomo potrebbe esistere solo per 10 -8 s. Ma perché questo non sta accadendo?

La ragione di questo fenomeno è stata successivamente spiegata dal fisico danese Niels Bohr. Ha suggerito che gli elettroni in un atomo si muovano solo in orbite fisse, che sono chiamate "orbite consentite". Essendo su di loro, non irradiano energia. E l'emissione o l'assorbimento di energia si verifica solo quando un elettrone si sposta da un'orbita consentita a un'altra. Se questa è una transizione da un'orbita distante a una più vicina al nucleo, allora viene irradiata energia e viceversa. La radiazione si verifica in porzioni, che sono chiamate quanti.

Sebbene il modello descritto da Rutherford non potesse spiegare la stabilità dell'atomo, ha consentito progressi significativi nello studio della sua struttura.

Nel 1903, lo scienziato inglese Thomson propose un modello dell'atomo, chiamato scherzosamente "panino con uvetta". Secondo lui, un atomo è una sfera con una carica positiva uniforme, in cui gli elettroni caricati negativamente sono disseminati come l'uvetta.

Tuttavia, ulteriori studi sull'atomo hanno mostrato che questa teoria è insostenibile. E pochi anni dopo, un altro fisico inglese, Rutherford, condusse una serie di esperimenti. Sulla base dei risultati, ha costruito un'ipotesi sulla struttura dell'atomo, che è ancora riconosciuta in tutto il mondo.

L'esperienza di Rutherford: la proposta del suo modello dell'atomo

Nei suoi esperimenti, Rutherford ha fatto passare un raggio di particelle alfa attraverso una sottile lamina d'oro. L'oro è stato scelto per la sua plasticità, che ha permesso di creare una lamina molto sottile, spessa quasi uno strato di molecole. Dietro la pellicola c'era uno schermo speciale che veniva illuminato quando veniva bombardato da particelle alfa che cadevano su di esso. Secondo la teoria di Thomson, le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare la lamina senza ostacoli, deviando un po' ai lati. Tuttavia, si è scoperto che alcune particelle si comportavano in questo modo e una piccolissima parte è rimbalzata indietro, come per colpire qualcosa.

Cioè, è stato scoperto che all'interno dell'atomo c'è qualcosa di solido e piccolo, da cui rimbalzavano le particelle alfa. Fu allora che Rutherford propose un modello planetario della struttura dell'atomo. Il modello planetario dell'atomo di Rutherford ha spiegato i risultati sia dei suoi esperimenti che di quelli dei suoi colleghi. Non offerto fino ad oggi miglior modello, sebbene alcuni aspetti di questa teoria non siano ancora coerenti con la pratica in alcune aree della scienza molto ristrette. Ma fondamentalmente, il modello planetario dell'atomo è il più utile di tutti. Qual è questo modello?

Modello planetario della struttura dell'atomo

Come suggerisce il nome, un atomo è paragonato a un pianeta. In questo caso, il pianeta è il nucleo di un atomo. E gli elettroni ruotano attorno al nucleo a una distanza abbastanza grande, proprio come i satelliti ruotano attorno al pianeta. Solo la velocità di rotazione degli elettroni è centinaia di migliaia di volte maggiore della velocità di rotazione del satellite più veloce. Pertanto, durante la sua rotazione, l'elettrone crea, per così dire, una nuvola sopra la superficie del nucleo. E le cariche di elettroni esistenti respingono le stesse cariche formate da altri elettroni attorno ad altri nuclei. Pertanto, gli atomi non "si attaccano insieme", ma si trovano a una certa distanza l'uno dall'altro.

E quando parliamo di collisione di particelle, intendiamo che si avvicinano l'una all'altra a una distanza sufficientemente grande e sono respinte dai campi delle loro cariche. Non c'è un contatto diretto. Le particelle in questione sono generalmente molto distanti. Se con qualsiasi mezzo fosse possibile far implodere insieme le particelle di qualsiasi corpo, si ridurrebbe di un miliardo di volte. La terra diventerebbe più piccola di una mela. Quindi il volume principale di qualsiasi sostanza, per quanto strano possa sembrare, è occupato da un vuoto in cui si trovano particelle cariche, tenute a distanza da forze elettroniche di interazione.