Rutherford는 원자 구조의 어떤 모델을 제안했습니다. 원자의 일부 역사적 및 현대적 모델

원자의 역사적 모델1은 과학 발전의 특정 기간에 해당하는 지식 수준을 반영합니다.

원자 모델 개발의 첫 번째 단계는 구조에 대한 실험 데이터가 없다는 특징이 있습니다.

소우주의 현상을 설명하면서 과학자들은 고전 역학의 법칙에 의존하여 거시 세계에서 유추를 찾았습니다.

화학 원자론의 창시자인 J. Dalton(1803)은 동일한 원자가 화학 원소같은 구형의 가장 작은 입자이므로 나눌 수 없는 입자입니다.

프랑스 물리학자 Jean Baptiste Perrin(1901)은 실제로 "행성" 모델을 예상한 모델을 제안했습니다. 이 모델에 따르면, 양전하를 띤 핵은 원자의 중심에 위치하고 음전하를 띤 전자는 태양 주위의 행성과 같은 특정 궤도에서 움직입니다. Perrin 모델은 원자의 질적 특성만 제공했지만 정량적 특성은 제공하지 않았기 때문에 과학자들의 관심을 끌지 못했습니다(그림 7에서 이는 원자핵 전하와 원자핵 수 사이의 불일치로 표시됨). 전자).

1902년 영국의 물리학자 William Thomson(Kelvin)은 원자가 양전하를 띤 구형 입자라는 개념을 개발했으며, 그 내부에서는 음전하를 띤 전자가 진동(에너지를 방출하고 흡수)합니다. Kelvin은 전자의 수가 구의 양전하와 같으므로 일반적으로 원자에는 전하가 없다는 사실에 주목했습니다(그림 7).

1년 후, 독일의 물리학자 Philipp Lenard는 원자가 속이 빈 구체이고 내부에 전기 쌍극자(다이나마이드)가 있는 모델을 제안했습니다. 이 쌍극자가 차지하는 부피는 구의 부피보다 훨씬 작으며 원자의 주요 부분은 비어 있습니다.

일본 물리학자 Gontaro(Hantaro) Nagaoka(1904)의 아이디어에 따르면, 양전하를 띤 핵은 원자의 중심에 위치하고 전자는 토성의 고리를 닮은 평평한 고리로 핵 주위의 공간에서 움직입니다. 모델은 "토성" 원자라고 불렸다.) 대부분의 과학자들은 Nagaoka의 아이디어에주의를 기울이지 않았지만 원자 궤도에 대한 현대적인 아이디어와 어느 정도 공통점이 있습니다.

고려된 모델(그림 7) 중 어느 것도 화학 원소의 특성이 원자 구조와 어떻게 관련되어 있는지 설명하지 않았습니다.

쌀. 7. 원자의 역사적 모델

1907년 J. J. Thomson은 양전하를 띤 구형 입자로 원자를 나타내는 정적 원자 구조 모델을 제안했으며 음전하를 띤 전자가 균일하게 분포되어 있습니다. 모델"푸딩", 그림 7).

수학적 계산에 따르면 원자의 전자는 동심원으로 배열된 고리에 있어야 합니다. 톰슨은 매우 중요한 결론: 화학 원소의 성질이 주기적으로 변하는 이유는 특성과 관련이 있습니다. 전자 구조그들의 원자. 덕분에 톰슨의 원자 모형은 동시대 사람들에게 높이 평가되었습니다. 그러나 통과하는 동안 α 입자가 산란되는 것과 같은 특정 현상을 설명하지 않았습니다. 금속판.

원자에 대한 그의 아이디어를 바탕으로 Thomson은 α-입자의 평균 편차를 계산하는 공식을 도출했으며 이 계산은 이러한 입자가 큰 각도로 산란될 확률이 0에 가깝다는 것을 보여주었습니다. 그러나 금박에 떨어지는 약 8,000개의 알파 입자 중 1개는 90°보다 큰 각도로 편향된다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 이것은 작은 각도에서만 편차를 가정한 Thomson의 모델과 모순됩니다.

1911년 실험 데이터를 요약한 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 원자 구조의 "행성"(때때로 "핵"이라고도 함) 모델을 제안했습니다. 이에 따르면 원자 질량과 양전하의 99.9%가 매우 작은 핵에 집중되어 있습니다. 그리고 음전하를 띤 전자, 즉 핵의 전하와 같은 수는 태양계의 행성처럼 핵 주위를 회전합니다1(그림 7).

Rutherford는 그의 학생들과 함께 원자의 구조를 조사할 수 있는 실험을 설정했습니다(그림 8). 양으로 하전된 입자(α-입자)의 흐름은 방사성 방사선 소스(1)에서 얇은 금속(금) 포일(2)의 표면으로 향했습니다. 가는 길에 형광 스크린 3이 설치되어 α 입자의 추가 이동 방향을 관찰 할 수있었습니다.

쌀. 8. 러더퍼드의 경험

대부분의 α-입자는 실질적으로 방향을 바꾸지 않고 포일을 통과한다는 것이 발견되었습니다. 개별 입자(평균 1만 분의 1)만이 편향되어 거의 반대 방향으로 날아갔습니다. 원자 질량의 대부분은 양전하를 띤 핵에 집중되어 있다는 결론이 내려졌고, 이것이 α-입자가 매우 강하게 편향되는 이유입니다(그림 9).

쌀. 9. 원자핵에 의한 α-입자의 산란

전자석의 법칙에 따라 원자에서 움직이는 전자는 에너지를 방출해야 하고 에너지를 잃으면 반대 전하를 띤 핵에 끌리므로 "떨어집니다". 이것은 원자의 소멸로 이어질 것이지만, 이것이 일어나지 않았기 때문에 이 모델은 부적절하다는 결론을 내렸다.

20세기 초 독일의 물리학자 막스 플랑크와 이론물리학자 알베르트 아인슈타인은 빛의 양자론을 창안했습니다. 이 이론에 따르면 빛과 같은 복사 에너지는 연속적으로 방출되고 흡수되지 않고 별도의 부분(양자)으로 방출 및 흡수됩니다. 더욱이, 에너지 양자의 값은 다른 방사선에 대해 동일하지 않으며 전자기파의 진동 주파수에 비례합니다. E = hν, 여기서 h – 플랑크 상수는 6.6266 10 -34 J s이고, ν는 복사 주파수입니다. 이 에너지는 빛의 입자에 의해 운반됩니다. 광자.

고전 역학과 양자 이론의 법칙을 인위적으로 결합하려는 시도에서 덴마크 물리학자 Niels Bohr는 1913년 Rutherford의 원자 모델에 원자의 전자 에너지의 단계적(이산) 변화에 대한 두 가지 가정을 보완했습니다. 보어는 수소 원자의 전자가 잘 정의된 위치에만 위치할 수 있다고 믿었습니다. 정지 궤도, 반지름이 사각형으로 서로 관련되어 있음 자연수 (1 2: 2 2: 3 2: ... :2쪽). 전자가 이리저리 움직인다 원자핵정지 궤도에서. 원자는 에너지를 흡수하거나 방출하지 않고 안정된 상태에 있습니다. 이것이 보어의 첫 번째 가정입니다. 두 번째 가정에 따르면 에너지 방출은 전자가 원자핵에 더 가까운 궤도로 이동할 때만 발생합니다. 전자가 더 먼 궤도로 이동할 때 에너지는 원자에 의해 흡수됩니다. 이 모델은 1916년 독일 이론 물리학자 Arnold Sommerfeld에 의해 개선되었으며, 그는 전자의 운동을 지적했습니다. 타원형 궤도.

행성 모형, 가시성과 보어의 가정으로 인해, 장기원자 및 분자 현상을 설명하는 데 사용됩니다. 그러나 행성의 운동 및 태양계의 안정성과 달리 원자에서 전자의 운동, 원자의 안정성 및 특성은 고전 역학의 법칙으로 설명 할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. 이 역학은 뉴턴의 법칙에 기초하고 있으며, 연구 주제는 빛의 속도에 비해 작은 속도로 수행되는 거시적 물체의 운동입니다. 원자의 구조를 설명하려면 1920년대 이론 물리학자(프랑스인 Louis de Broglie, 독일인 Werner)에 의해 공식화된 미세입자의 이중 미립자파 특성에 대한 양자(파동) 역학의 개념을 적용할 필요가 있습니다. Heisenberg와 Erwin Schrödinger, 영국인 Paul Dirac 등.

1924년 Louis de Broglie는 전자가 파동의 성질을 갖는다는 가설(양자 역학의 첫 번째 원리)을 제시하고 파장을 계산하는 공식을 제안했습니다. 원자의 안정성은 그 안의 전자가 궤도에서 움직이지 않고 원자 궤도라고 불리는 핵 주위의 특정 공간 영역에서 움직인다는 사실에 의해 설명됩니다. 전자는 원자의 거의 전체 부피를 차지하며 중심에 있는 "핵에 떨어질" 수 없습니다.

1926년에 슈뢰딩거는 전자의 파동 특성에 대한 L. de Broglie의 아이디어의 발전을 계속하면서, 원자에 있는 전자의 결합 에너지를 계산하는 데 사용할 수 있는 끈 진동 방정식과 유사한 수학 방정식을 경험적으로 선택했습니다. 다른 에너지 수준. 이 방정식은 양자역학의 기본 방정식이 되었습니다.

전자의 파동 속성의 발견은 대우주에 대한 지식을 소우주의 대상에 전파하는 것이 불법임을 보여주었습니다. 1927년 하이젠베르크는 전자의 공간에서 특정 속도로 정확한 위치를 결정하는 것이 불가능하므로 원자에서 전자의 운동에 대한 아이디어는 확률론적 성격(양자 역학의 두 번째 원리)임을 확립했습니다.

원자의 양자 역학 모델(1926)은 원자의 상태를 다음과 같이 설명합니다. 수학 함수기하학적 표현이 없습니다(그림 10). 이러한 모델은 원자 구조의 동적 특성과 입자로서의 전자 크기에 대한 문제를 고려하지 않습니다. 전자는 특정 에너지 준위를 차지하고 다른 준위로 전환하는 동안 에너지를 방출하거나 흡수한다고 믿어집니다. 무화과에. 10개의 에너지 준위는 원자핵에서 서로 다른 거리에 위치한 동심 고리로 개략적으로 표시됩니다. 화살표는 전자의 전이를 보여줍니다. 에너지 수준및 이러한 전환에 수반되는 광자의 방출. 이 계획은 질적으로 표시되며 에너지 수준 간의 실제 거리를 반영하지 않으며 수십 배는 서로 다를 수 있습니다.

1931년에 미국 과학자 Gilbert White는 처음으로 원자 궤도의 그래픽 표현과 원자의 "궤도" 모델을 제안했습니다(그림 10). 원자 궤도 모델은 "전자 밀도"의 개념을 반영하고 원자의 핵 또는 분자의 원자핵 시스템 주위의 음전하 분포를 설명하는 데 사용됩니다.

쌀. 10. 역사적 및 현대 모델원자

1963년에 미국 예술가, 조각가 및 엔지니어인 Kenneth Snelson은 원자의 전자 껍질에 대한 "고리형 모델"을 제안했습니다(그림 10). 이는 안정적인 전자 껍질 위에 있는 원자의 전자의 정량적 분포를 설명합니다. 각 전자는 링 자석(또는 자기 모멘트를 갖는 전류가 있는 폐쇄 회로)로 모델링됩니다. 링 자석은 서로 끌어당겨 링에서 대칭 모양을 형성합니다 - 링헤드라. 자석에 두 개의 극이 존재하면 가능한 옵션링 어셈블리. 안정적인 전자 껍질의 모델은 자기 특성의 존재를 고려하여 구성된 고리의 가장 대칭적인 그림입니다.

전자에 스핀의 존재(섹션 5 참조)는 원자에서 안정적인 전자 껍질이 형성되는 주요 원인 중 하나입니다. 전자는 스핀이 반대인 쌍을 형성합니다. 전자쌍 또는 채워진 원자 궤도의 고리면 모델은 원자핵의 반대쪽에 평행 평면에 위치한 두 개의 고리입니다. 한 쌍 이상의 전자가 원자핵 근처에 있을 때 고리-전자는 강제로 서로 방향을 잡아 전자 껍질을 형성합니다. 이 경우 밀접하게 이격된 링은 서로 다른 자기 방향을 갖습니다. 힘의 선,로 표시된 다른 색상전자를 나타내는 고리.

모델 실험에 따르면 가능한 모든 링 면 모델 중 가장 안정적인 것은 8개의 링 모델입니다. 기하학적으로, 구형의 원자를 8등분(반으로 3회 분할)하고, 각 부분에 고리-전자 1개를 배치한 형태로 모델이 형성되어 있습니다. 링면 모델에서는 빨간색과 파란색의 두 가지 색상의 링이 사용되며 이는 긍정적이고 부정적인 의미전자의 스핀.

"wave-faced 모델"(그림 10)은 "ring-faced" 모델과 유사하지만, 원자의 각 전자가 정수 수의 파동을 포함하는 "파동" 고리로 표현된다는 차이점이 있습니다. L. de Broglie에 의해 제안됨).

이 원자 모델에서 전자 껍질의 전자의 상호 작용은 파란색과 빨간색 "파동"고리의 접촉점이 정상파의 노드와 일치하여 표시됩니다.

원자의 모델은 존재할 권리와 적용의 한계가 있습니다. 원자의 모든 모델은 원자에 대한 지식의 특정 부분을 단순화된 형태로 반영하는 근사치입니다. 그러나 어떤 모델도 원자 또는 구성 입자의 특성을 완전히 반영하지 못합니다.

오늘날 많은 모델은 역사적 관심의 대상일 뿐입니다. 미시 세계 물체의 모델을 구축할 때 과학자들은 직접 관찰할 수 있는 것에 의존했습니다. 이것은 Perrin과 Rutherford (태양계의 구조와 유추), Nagaoka (일종의 행성), Thomson ( "건포도 푸딩")의 모델이 등장한 방법입니다. 일부 아이디어는 폐기되었고(Lenard의 동적 모델), 다른 아이디어는 잠시 후에 다시 검토되었지만 더 높은 수준에서 새롭습니다. 이론적인 수준: Perrin과 Kelvin의 모델은 Rutherford와 Thomson의 모델에서 개발되었다. 원자의 구조에 대한 아이디어는 지속적으로 개선되고 있습니다. 현대의 "양자-기계적" 모델이 얼마나 정확한지는 시간이 말해줄 것입니다. 그렇기 때문에 나선 상단에 물음표가 그려져 인지의 길을 상징한다(그림 7).

그들은 물리학 발전의 중요한 단계가 되었습니다. Rutherford의 모델은 매우 중요했습니다. 시스템으로서의 원자와 그것을 구성하는 입자는 더 정확하고 자세하게 연구되었습니다. 이것은 핵 물리학과 같은 과학의 성공적인 발전으로 이어졌습니다.

물질의 구조에 대한 고대 아이디어

주변 물체가 가장 작은 입자로 구성되어 있다는 가정은 고대에 만들어졌습니다. 그 당시의 사상가들은 원자를 모든 물질의 가장 작고 더 이상 나눌 수 없는 입자로 표현했습니다. 그들은 우주에서 원자보다 작은 것은 없다고 주장했습니다. 그러한 견해는 위대한 고대 그리스 과학자와 철학자 - Democritus, Lucretius, Epicurus에 의해 유지되었습니다. 오늘날 이러한 사상가들의 가설은 "고대 원자론"이라는 이름으로 통일되어 있습니다.

중세 공연

고대의 시대는 지났고 중세에는 물질의 구조에 대해 다양한 가정을 한 과학자도있었습니다. 그러나 종교 철학적 견해의 우세와 역사 시대의 교회의 힘은 물질주의적인 과학적 결론과 발견에 대한 인간 정신의 모든 시도와 열망을 싹이 트게 했습니다. 아시다시피, 중세 종교 재판은 당시 과학계의 대표자들과 매우 비우호적으로 행동했습니다. 당시의 명석한 사람들은 고대로부터 원자의 불가분성에 대한 아이디어를 가지고 있었다고 말해야 합니다.

18세기와 19세기의 연구

18세기는 물질의 기본 구조 분야에서 중대한 발견으로 특징지어졌습니다. Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov 및 서로 독립적인 과학자들의 노력 덕분에 그들은 원자가 실제로 존재한다는 것을 증명할 수 있었습니다. 그러나 그들에 대한 질문은 내부 구조열려 있었다. 18세기 말은 이와 같은 특징이 있었다. 중요한 사건~에 과학 세계, D. I. Mendeleev가 화학 원소의 주기율표를 발견한 것처럼. 이것은 그 당시의 진정으로 강력한 돌파구였으며 모든 원자가 단일한 성질을 가지고 있으며 서로 관련되어 있다는 이해의 장막을 걷어냈습니다. 나중에 19세기에 원자의 구조를 밝히기 위한 또 다른 중요한 단계는 원자에 전자가 포함되어 있다는 증거였습니다. 이 시기의 과학자들의 연구는 20세기의 발견을 위한 비옥한 토대를 마련했습니다.

톰슨 실험

영국의 물리학자 John Thomson은 1897년에 원자의 구성이 음전하를 띤 전자를 포함한다는 것을 증명했습니다. 이 단계에서 원자가 모든 물질의 가분성의 극한이라는 잘못된 생각은 마침내 무너졌습니다. Thomson은 어떻게 전자의 존재를 증명할 수 있었습니까? 그의 실험에서 과학자는 매우 희박한 가스에 전극을 배치하고 통과했습니다. 전기. 결과는 음극선이었습니다. Thomson은 그것들의 특징을 주의 깊게 연구했고 그것들이 엄청난 속도로 움직이는 하전 입자의 흐름이라는 것을 발견했습니다. 과학자는 이 입자의 질량과 전하를 계산할 수 있었습니다. 그는 또한 그것들이 중성 입자로 전환될 수 없다는 것을 발견했습니다. 전하그들의 본질의 기초입니다. Thomson과 세계 최초의 원자 구조 모델의 창시자도 마찬가지였습니다. 그녀에 따르면 원자는 양전하를 띤 물질의 묶음이며 음전하를 띤 전자가 고르게 분포되어 있습니다. 이 구조는 반대 전하가 서로 균형을 이루기 때문에 원자의 일반적인 중성을 설명합니다. John Thomson의 실험은 원자 구조에 대한 추가 연구에 매우 중요했습니다. 그러나 많은 질문이 풀리지 않은 채로 남아 있었습니다.

러더퍼드의 연구

Thomson은 전자의 존재를 발견했지만 원자에서 양전하를 띤 입자를 찾지 못했습니다. 1911년에 이 오해를 수정했습니다. 가스에서 알파 입자의 활동을 연구하는 실험 중에 그는 원자에 양전하를 띤 입자가 있음을 발견했습니다. Rutherford는 광선이 가스나 얇은 금속판을 통과할 때 소수의 입자가 운동 궤적에서 급격히 벗어남을 확인했습니다. 그들은 말 그대로 다시 던져졌습니다. 과학자는 이 행동이 양전하를 띤 입자와의 충돌로 인한 것이라고 추측했습니다. 이러한 실험을 통해 물리학자는 원자 구조에 대한 러더퍼드의 모델을 만들 수 있었습니다.

행성 모형

이제 과학자의 아이디어는 John Thomson이 만든 가정과 다소 달랐습니다. 그들의 원자 모델도 달라졌다. 그는 이 분야에서 완전히 새로운 이론을 만들 수 있었습니다. 과학자의 발견은 결정적이었습니다. 추가 개발물리학. Rutherford의 모델은 원자를 중심에 위치한 핵으로 설명하고 전자는 그 주위를 이동합니다. 핵은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띤다. Rutherford의 원자 모델은 특정 궤도(궤도)를 따라 핵 주위의 전자 회전을 가정했습니다. 과학자의 발견은 알파 입자의 편차에 대한 이유를 설명하는 데 도움이 되었고 원자의 핵 이론 발전의 원동력이 되었습니다. 러더퍼드의 원자 모델에는 태양 주위의 태양계 행성의 움직임에 대한 비유가 있습니다. 이것은 매우 정확하고 생생한 비교입니다. 따라서 원자가 궤도에서 핵 주위를 움직이는 러더퍼드 모델을 행성이라고 불렀습니다.

닐스 보어의 작품

2년 후, 덴마크 물리학자 Niels Bohr는 원자 구조에 대한 아이디어와 양자 특성을 결합하려고 했습니다. 광속. 핵모델러더퍼드의 원자는 과학자들이 그의 기초로 삼았습니다. 신설. 보어에 따르면 원자는 원형 궤도에서 핵 주위를 돌고 있습니다. 이러한 운동 궤적은 전자의 가속으로 이어집니다. 또한 이러한 입자와 원자 중심의 쿨롱 상호 작용은 공간을 유지하기 위한 에너지의 생성 및 소비를 동반합니다. 전자기장전자의 움직임 때문이다. 이러한 조건에서 음전하를 띤 입자는 언젠가는 핵에 떨어져야 합니다. 그러나 이것은 발생하지 않으며 이는 시스템으로서 원자의 안정성이 더 크다는 것을 나타냅니다. Niels Bohr는 Maxwell의 방정식으로 설명된 고전 열역학 법칙이 원자 내 조건에서 작동하지 않는다는 것을 깨달았습니다. 따라서 과학자는 세계에서 유효할 새로운 패턴을 도출하는 작업을 자신에게 설정했습니다. 소립자.

보어의 가정

Rutherford의 모델이 존재하고 원자와 그 구성 요소가 잘 연구되었다는 사실 덕분에 Niels Bohr는 그의 가정의 생성에 접근할 수 있었습니다. 첫 번째는 원자가 에너지를 바꾸지 않는 위치에 있는 반면 전자는 궤적을 바꾸지 않고 궤도를 따라 움직인다는 것입니다. 두 번째 가정에 따르면 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때 에너지가 방출되거나 흡수됩니다. 그것은 원자의 이전 상태와 이후 상태의 에너지 차이와 같습니다. 이 경우 전자가 핵에 더 가까운 궤도로 점프하면 방사선이 발생하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 전자의 움직임이 엄밀히 원 안에 위치한 궤도 궤적과 거의 유사하지 않다는 사실에도 불구하고, 보어의 발견은 선 스펙트럼의 존재에 대한 훌륭한 설명을 제공했습니다. 비슷한 시기에 독일에 살았던 물리학자 헤르츠와 프랑크는 , 원자의 고정되고 안정적인 상태의 존재와 원자 에너지 값을 변경할 가능성에 대한 Niels Bohr의 이론을 확인했습니다.

두 과학자의 협업

참고로 러더퍼드 장기과학자 마스덴과 가이거는 어니스트 러더퍼드의 진술을 재확인하려고 했고, 자세하고 세심한 실험과 계산의 결과 원자의 가장 중요한 특성이 핵이라는 결론에 이르렀고, 모든 전하가 그 안에 집중되어 있습니다. 나중에 원자핵의 전하 값이 원소의 서수와 수치적으로 같다는 것이 증명되었다. 주기율표 D. I. Mendeleev의 요소. 흥미롭게도 Niels Bohr는 곧 Rutherford를 만났고 그의 견해에 완전히 동의했습니다. 그 후 과학자들은 같은 실험실에서 오랫동안 함께 일했습니다. 러더퍼드의 모델, 기본 하전 입자로 구성된 시스템으로서의 원자 - 이 모든 Niels Bohr는 공정하다고 간주하고 그의 주장을 영원히 제쳐두었습니다. 전자 모델. 관절 과학 활동과학자들은 매우 성공적이었고 결실을 맺었습니다. 그들 각각은 소립자의 특성에 대한 연구를 탐구하고 과학에 중요한 발견을 했습니다. 나중에 Rutherford가 핵분해의 가능성을 발견하고 증명했지만 이것은 다른 기사의 주제입니다.

세부 정보 범주: 원자 및 원자핵의 물리학 게시일 2016-03-10 18:27 조회수: 4106

고대 그리스와 고대 인도 과학자와 철학자들은 우리 주변의 모든 물질이 분열하지 않는 작은 입자로 구성되어 있다고 믿었습니다.

그들은 이 입자보다 작은 것은 세상에 없다고 확신했습니다. 원자 . 그리고 실제로 나중에 Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton과 같은 유명한 과학자들에 의해 원자의 존재가 입증되었습니다. 원자는 19세기 말부터 20세기 초까지 나누어질 수 없는 것으로 간주되었지만 그렇지 않은 것으로 판명되었습니다.

전자의 발견. 원자의 톰슨 모델

조셉 존 톰슨

1897년 영국의 물리학자 Joseph John Thomson은 자기장과 자기장에서 음극선의 거동을 실험적으로 연구했습니다. 전기장, 이 광선이 음전하를 띤 입자의 흐름이라는 것을 발견했습니다. 이 입자의 이동 속도는 빛의 속도보다 낮습니다. 따라서 그들은 질량이있었습니다. 저들은 어디서 왔어요? 과학자는 이 입자들이 원자의 일부라고 제안했습니다. 그는 그들을 불렀다 소체 . 나중에 그들은 불렸다. 전자 . 따라서 전자의 발견은 원자의 불가분성 이론에 종지부를 찍었습니다.

원자의 톰슨 모델

Thomson은 원자의 첫 번째 전자 모델을 제안했습니다. 그것에 따르면 원자는 구체이며 내부에는 전하를 띤 물질이 있으며 양전하가 부피 전체에 고르게 분포되어 있습니다. 그리고이 물질에는 롤빵의 건포도처럼 전자가 산재되어 있습니다. 일반적으로 원자는 전기적으로 중성입니다. 이 모델을 "매실 푸딩 모델"이라고 불렀습니다.

그러나 Thomson의 모델은 잘못된 것으로 판명되었습니다. 영국의 물리학자어니스트 러더퍼드 경.

러더퍼드의 경험

어니스트 러더퍼드

원자는 실제로 어떻게 배열되어 있습니까? 러더퍼드는 1909년 독일 물리학자 한스 가이거, 뉴질랜드 물리학자 에른스트 마스덴과 함께 실험을 한 후 이 질문에 대한 답을 제시했습니다.

러더퍼드의 경험

실험의 목적은 알파 입자의 도움으로 원자를 연구하는 것이 었습니다. 알파 입자의 초점은 빠른 속도로 날아가 가장 얇은 금박으로 향했습니다. 호일 뒤에는 발광 스크린이 있었습니다. 입자가 충돌하면 현미경으로 관찰할 수 있는 섬광이 나타났습니다.

Thomson이 옳고 원자가 전자 구름으로 구성되어 있다면 입자는 편향되지 않고 포일을 통해 쉽게 날아갈 것입니다. 알파 입자의 질량은 전자의 질량을 약 8000배 초과했기 때문에 전자는 그것에 작용할 수 없고 10g의 자갈이 움직이는 자동차의 궤적을 바꿀 수 없는 것처럼 큰 각도로 궤적을 벗어날 수 없습니다.

그러나 실제로는 모든 것이 다르게 나타났습니다. 대부분의 입자는 실제로 호일을 통해 날아갔고 실제로 작은 각도로 벗어나거나 벗어나지 않았습니다. 그러나 일부 입자는 경로에 일종의 장애물이 있는 것처럼 상당히 크게 벗어나거나 튕겨져 나갔습니다. 러더퍼드 자신이 말했듯이, 그것은 마치 15인치 발사체가 티슈 페이퍼에서 튕겨 나온 것처럼 믿을 수 없었습니다.

일부 알파 입자가 방향을 그렇게 많이 바꾸게 된 원인은 무엇입니까? 그 과학자는 그 이유가 아주 작은 부피에 집중되어 있고 양전하를 띠고 있는 원자의 일부 때문이라고 제안했습니다. 그는 그녀의 이름을 원자의 핵.

러더퍼드의 행성 원자 모형

원자의 러더퍼드 모델

Rutherford는 원자가 원자의 중심에 있는 조밀한 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자로 구성되어 있다는 결론에 도달했습니다. 원자의 거의 모든 질량은 핵에 집중되어 있습니다. 일반적으로 원자는 중성입니다. 핵의 양전하는 원자에 있는 모든 전자의 음전하의 합과 같습니다. 그러나 전자는 Thomson의 모델에서처럼 핵에 내장되어 있지 않지만 행성이 태양 주위를 공전하는 것처럼 핵 주위를 공전합니다. 전자의 회전은 핵에서 전자에 작용하는 쿨롱 힘의 작용으로 발생합니다. 전자의 회전 속도는 엄청납니다. 코어 표면 위에는 일종의 구름을 형성합니다. 각 원자에는 음전하를 띤 자체 전자 구름이 있습니다. 이러한 이유로 그들은 "붙지 않고" 서로 밀어냅니다.

태양계와 유사하기 때문에 Rutherford의 모델은 행성이라고 불렸습니다.

원자가 존재하는 이유

그러나 Rutherford의 원자 모델은 원자가 왜 그렇게 안정적인지를 설명하지 못했습니다. 결국, 고전 물리학의 법칙에 따르면 궤도에서 회전하는 전자는 가속으로 움직이므로 전자파그리고 에너지를 잃습니다. 결국 이 에너지는 고갈되어야 하고 전자는 핵 속으로 떨어져야 한다. 이 경우 원자는 10-8초 동안만 존재할 수 있습니다. 그런데 왜 이런 일이 일어나지 않습니까?

이 현상의 이유는 나중에 덴마크 물리학자 Niels Bohr에 의해 설명되었습니다. 그는 원자의 전자가 "허용 궤도"라고 불리는 고정 궤도에서만 움직인다고 제안했습니다. 그들 위에 있으면 에너지를 발산하지 않습니다. 그리고 에너지의 방출 또는 흡수는 전자가 하나의 허용된 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때만 발생합니다. 이것이 먼 궤도에서 핵에 가까운 궤도로의 전환이라면 에너지가 방출되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 방사선은 라고 불리는 부분에서 발생합니다. 양자.

Rutherford가 설명한 모델은 원자의 안정성을 설명할 수 없었지만 구조 연구에서 상당한 진전을 이뤘습니다.

원자의 행성 모델

원자의 행성 모델: 핵(빨간색)과 전자(녹색)

원자의 행성 모델, 또는 러더퍼드 모델, - 알파 입자 산란 실험의 결과로 Ernest Rutherford가 제안한 원자 구조의 역사적 모델. 이 모델에 따르면, 원자는 작은 양전하를 띤 핵으로 구성되어 있으며, 이 핵에는 행성이 태양 주위를 움직이는 것처럼 원자의 거의 전체 질량이 집중되어 있으며 전자가 그 주위를 움직입니다. 원자의 행성 모델은 전자의 움직임이 양자적 성질을 갖고 있으며 고전 역학의 법칙에 의해 설명되지 않는다는 사실을 고려하여 원자 구조에 대한 현대적 아이디어에 해당합니다. 역사적으로 Rutherford의 행성 모델은 음으로 하전된 전자가 양으로 하전된 원자 내부에 위치한다고 가정한 Joseph John Thomson의 "플럼 푸딩 모델"을 계승했습니다.

Rutherford는 1911년 자신의 지도하에 수행된 금박에 알파 입자의 산란에 대한 실험의 결론으로 ​​원자 구조에 대한 새로운 모델을 제안했습니다. 이 흩어짐으로 뜻밖에 많은 수의알파 입자는 큰 각도로 산란되어 산란 중심이 있음을 나타냅니다. 작은 크기그리고 그것은 상당한 전하를 포함하고 있습니다. Rutherford의 계산에 따르면 산란 중심은 양전하 또는 음전하를 띠며 최소 3000배 이상이어야 합니다. 더 작은 크기그 당시에는 이미 알려져 있고 약 10-10m로 추정되는 원자 그 당시에는 전자가 이미 알려져 있었고 그들의 질량과 전하가 결정되었으므로 나중에 핵이라고 불리는 산란 중심은 반드시 전자와 반대 전하를 띠고 있다. Rutherford는 전하량을 원자 번호와 연결하지 않았습니다. 이 결론은 나중에 이루어졌습니다. 그리고 Rutherford 자신은 전하가 원자 질량에 비례한다고 제안했습니다.

행성 모델의 단점은 고전 물리학 법칙과 호환되지 않는다는 것입니다. 전자가 태양 주위의 행성처럼 핵 주위를 움직이면 운동이 가속화되므로 고전 전기 역학의 법칙에 따라 전자기파를 방출하고 에너지를 잃고 핵에 떨어져야합니다. 행성 모델 개발의 다음 단계는 전자 운동의 고전적인 법칙과 다른 다른 법칙을 가정한 보어 모델이었습니다. 전기역학의 모순은 양자역학을 완전히 해결할 수 있었습니다.

위키미디어 재단. 2010년 .

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Άτομο

소체- 헬륨 원자 Atom(또 다른 그리스어 ἄτομος 나눌 수 없음)은 화학 원소의 가장 작은 부분으로, 그 속성의 운반체입니다. 원자는 원자핵과 그것을 둘러싼 전자 구름으로 구성됩니다. 원자의 핵은 양전하를 띤 양성자와 ... ... Wikipedia

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강의: 원자의 행성 모델

원자의 구조

어떤 물질의 구조를 결정하는 가장 정확한 방법은 스펙트럼 분석입니다. 요소의 각 원자의 복사는 독점적으로 개별적입니다. 그러나 스펙트럼 분석이 어떻게 발생하는지 이해하기 전에 모든 요소의 원자가 어떤 구조를 가지고 있는지 알아 보겠습니다.

원자 구조에 대한 첫 번째 가정은 J. Thomson이 제시했습니다. 이 과학자는 오랫동안 원자를 연구해 왔습니다. 더욱이, 그가 받은 전자의 발견을 소유한 사람은 바로 그 사람입니다. 노벨상. Thomson이 제안한 모델은 현실과 아무 관련이 없었지만 Rutherford가 원자의 구조를 연구하는 데 충분한 동기를 부여했습니다. Thomson이 제안한 모델은 "건포도 푸딩"이라고 불렸습니다.

Thomson은 원자가 음전하를 띤 단단한 공이라고 믿었습니다. 이를 보완하기 위해 전자가 건포도처럼 공에 산재되어 있습니다. 요약하면, 전자의 전하는 원자를 중성으로 만드는 전체 핵의 전하와 일치합니다.

원자의 구조를 연구하는 동안 모든 원자가 고체저지르다 진동 운동. 그리고 아시다시피 움직이는 입자는 파동을 방출합니다. 그렇기 때문에 각 원자에는 고유한 스펙트럼이 있습니다. 그러나 이러한 진술은 어떤 식으로든 Thomson 모델에 맞지 않았습니다.

러더퍼드의 경험

Thomson의 모델을 확인하거나 반증하기 위해 Rutherford는 알파 입자가 일부 원소의 원자에 충돌하는 실험을 제안했습니다. 이 실험의 결과, 입자가 어떻게 행동하는지 보는 것이 중요했습니다.

알파 입자는 라듐의 방사성 붕괴의 결과로 발견되었습니다. 그들의 흐름은 알파선이었고 각 입자는 양전하를 띠고 있었습니다. 수많은 연구의 결과, 알파 입자는 전자가 없는 헬륨 원자와 같다는 것이 밝혀졌습니다. 현재 지식을 사용하여 우리는 알파 입자가 헬륨의 핵이라는 것을 알고 있고, 러더퍼드는 이것이 헬륨 이온이라고 믿었습니다.

각각의 알파 입자는 엄청난 에너지를 가지고 있어서 문제의 원자를 향해 날아갈 수 있었습니다. 고속. 따라서 실험의 주요 결과는 입자 처짐 각도를 결정하는 것이 었습니다.

실험을 위해 Rutherford는 얇은 금박을 사용했습니다. 그는 그것에 고속 알파 입자를 지시했습니다. 그는 이 실험의 결과로 모든 입자가 호일을 통해 작은 편차로 날아갈 것이라고 가정했습니다. 그러나 그는 확실히 알아보기 위해 학생들에게 이러한 입자에 큰 편차가 있는지 확인하도록 지시했습니다.

실험 결과는 많은 입자가 충분히 큰 각도로 벗어날뿐만 아니라 일부 편향 각도가 90도 이상에 도달했기 때문에 모든 사람을 절대적으로 놀라게했습니다.

이 결과는 절대적으로 모두를 놀라게 했습니다. Rutherford는 알파 입자가 내부로 침투하는 것을 허용하지 않는 발사체의 경로에 종이 조각이 놓여 있는 것처럼 느껴졌고 결과적으로 뒤로 돌아갔다고 말했습니다.

원자가 정말 고체였다면, 전기장, 입자 속도를 늦췄습니다. 그러나 들판의 힘은 그녀를 완전히 멈추게 하기에는 역부족이었다. 이것은 Thomson의 모델이 논박되었음을 의미합니다. 그래서 Rutherford는 새로운 모델에 대한 작업을 시작했습니다.

러더퍼드 모델

이 실험 결과를 얻으려면 양전하를 더 적은 양으로 집중시켜 더 큰 전기장을 생성해야 합니다. 필드 전위 공식에 따르면 다음을 결정할 수 있습니다. 필요한 크기반대 방향의 알파 입자를 밀어낼 수 있는 양의 입자. 반경은 최대값이어야 합니다. 10-15m. 이것이 Rutherford가 원자의 행성 모델을 제안한 이유입니다.

이 모델의 이름은 이유가 있습니다. 사실은 원자 내부에 태양계의 태양과 유사한 양전하를 띤 핵이 있다는 것입니다. 전자는 행성처럼 핵 주위를 돌고 있습니다. 태양계행성이 태양에 끌리는 방식으로 설계되었습니다. 중력그러나 그것들은 궤도에 머물게 하는 이용 가능한 속도의 결과로 태양 표면으로 떨어지지 않습니다. 전자에서도 같은 일이 발생합니다. 쿨롱 힘은 전자를 핵으로 끌어 당기지만 회전으로 인해 핵 표면에 떨어지지 않습니다.

Thomson의 한 가정은 절대적으로 정확한 것으로 판명되었습니다. 전자의 총 전하는 핵의 전하에 해당합니다. 그러나 강한 상호 작용의 결과로 전자가 궤도에서 떨어질 수 있으며 그 결과 전하가 보상되지 않고 원자가 양전하를 띤 이온으로 변합니다.

원자의 구조에 관한 매우 중요한 정보는 원자의 거의 모든 질량이 핵에 집중되어 있다는 것입니다. 예를 들어, 수소 원자에는 전자가 하나만 있으며 그 질량은 핵 질량보다 150만 배 이상 적습니다.