Kokį atomo sandaros modelį pasiūlė Rutherfordas. Kai kurie istoriniai ir šiuolaikiniai atomo modeliai

Istoriniai atomo modeliai1 atspindi tam tikrą mokslo raidos laikotarpį atitinkančius žinių lygius.

Pirmasis atominių modelių kūrimo etapas pasižymėjo tuo, kad nebuvo eksperimentinių duomenų apie jo struktūrą.

Aiškindami mikrokosmoso reiškinius, mokslininkai, remdamiesi klasikinės mechanikos dėsniais, ieškojo analogijų makrokosmose.

J. Daltonas, cheminio atomizmo kūrėjas (1803), manė, kad atomai to paties cheminis elementas yra tos pačios sferinės mažiausios, taigi ir nedalomos dalelės.

Prancūzų fizikas Jeanas Baptiste'as Perrinas (1901) pasiūlė modelį, kuris iš tikrųjų numatė „planetinį“ modelį. Pagal šį modelį atomo centre yra teigiamai įkrautas branduolys, aplink kurį tam tikromis orbitomis, kaip planetos aplink Saulę, juda neigiamo krūvio elektronai. Perrin modelis nepatraukė mokslininkų dėmesio, nes davė tik kokybinę, bet ne kiekybinę atomo charakteristiką (7 pav. tai rodo atomo branduolio krūvio ir elektronų skaičiaus neatitikimas). ).

1902 metais anglų fizikas Williamas Thomsonas (Kelvinas) išplėtojo idėją apie atomą kaip teigiamai įkrautą sferinę dalelę, kurios viduje svyruoja (spinduliuoja ir sugeria energiją) neigiamo krūvio elektronai. Kelvinas atkreipė dėmesį į tai, kad elektronų skaičius lygus teigiamam rutulio krūviui, todėl apskritai atomas neturi elektros krūvio (7 pav.).

Po metų vokiečių fizikas Philippas Lenardas pasiūlė modelį, pagal kurį atomas yra tuščiavidurė sfera, kurios viduje yra elektriniai dipoliai (dinamidai). Šių dipolių užimamas tūris yra daug mažesnis nei sferos tūris, o pagrindinė atomo dalis yra tuščia.

Pagal japonų fiziko Gontaro (Hantaro) Nagaokos (1904) idėjas, teigiamai įkrautas branduolys yra atomo centre, o elektronai erdvėje juda aplink branduolį plokščiais žiedais, primenančiais Saturno planetos žiedus (tai modelis buvo vadinamas „Saturno“ atomu). Dauguma mokslininkų nekreipė dėmesio į Nagaokos idėjas, nors jos tam tikru mastu turi kažką bendro su šiuolaikine atominės orbitos idėja.

Nė vienas iš nagrinėjamų modelių (7 pav.) nepaaiškino, kaip cheminių elementų savybės yra susijusios su jų atomų sandara.

Ryžiai. 7. Kai kurie istoriniai atomo modeliai

1907 m. J. J. Thomson pasiūlė statinį atomo struktūros modelį, vaizduojantį atomą kaip sferinę dalelę, įkrautą teigiama elektra, kurioje neigiamo krūvio elektronai pasiskirsto tolygiai ( modelis"pudingas“, 7 pav.).

Matematiniai skaičiavimai parodė, kad elektronai atome turi būti ant koncentriškai išsidėsčiusių žiedų. Tomsonui labai sekėsi svarbi išvada: periodinio cheminių elementų savybių kitimo priežastis siejama su savybėmis elektroninė struktūra jų atomai. Dėl to Thomsono atomo modelį labai įvertino jo amžininkai. Tačiau tai nepaaiškino tam tikrų reiškinių, pavyzdžiui, α dalelių sklaidos joms praeinant. metalinė lėkštė.

Remdamasis savo idėjomis apie atomą, Tomsonas išvedė α dalelių vidutinio nuokrypio apskaičiavimo formulę ir šis skaičiavimas parodė, kad tokių dalelių išsibarstymo dideliais kampais tikimybė yra artima nuliui. Tačiau eksperimentiškai įrodyta, kad maždaug viena iš aštuonių tūkstančių alfa dalelių, nukritusių ant aukso folijos, yra nukreipta didesniu nei 90° kampu. Tai prieštaravo Thomsono modeliui, kuriame nukrypimai buvo tik nedideliais kampais.

Ernestas Rutherfordas, apibendrindamas eksperimentinius duomenis, 1911 m. pasiūlė „planetinį“ (kartais vadinamą „branduoliniu“) atomo sandaros modelį, pagal kurį 99,9 % atomo masės ir jo teigiamo krūvio yra sutelkta labai mažame branduolyje, t. o aplink jį sukasi neigiamo krūvio elektronai, kurių skaičius lygus branduolio krūviui, kaip ir Saulės sistemos planetos1 (7 pav.).

Rutherfordas kartu su savo mokiniais parengė eksperimentus, kurie leido ištirti atomo sandarą (8 pav.). Teigiamai įkrautų dalelių (α-dalelių) srautas buvo nukreiptas į plonos metalinės (aukso) folijos 2 paviršių iš radioaktyviosios spinduliuotės šaltinio 1. Pakeliui buvo sumontuotas fluorescencinis ekranas 3, kuris leido stebėti tolesnio α dalelių judėjimo kryptį.

Ryžiai. 8. Rutherfordo patirtis

Nustatyta, kad dauguma α dalelių prasiskverbė pro foliją, praktiškai nekeičiant krypties. Tik atskiros dalelės (vidutiniškai viena iš dešimties tūkstančių) buvo nukreiptos ir skriejo beveik priešinga kryptimi. Padaryta išvada, kad didžioji atomo masės dalis yra sutelkta teigiamai įkrautame branduolyje, todėl α dalelės yra taip stipriai nukreiptos (9 pav.).

Ryžiai. 9. α-dalelių sklaida atomo branduolyje

Elektronai, judantys atome, pagal elektromagnetizmo dėsnius, turi skleisti energiją ir, ją praradę, traukti į priešingai įkrautą branduolį ir todėl „nukristi“ ant jo. Tai turėtų lemti atomo išnykimą, bet kadangi tai neįvyko, buvo padaryta išvada, kad šis modelis buvo netinkamas.

XX amžiaus pradžioje vokiečių fizikas Maxas Planckas ir fizikas teoretikas Albertas Einšteinas sukūrė kvantinę šviesos teoriją. Pagal šią teoriją spinduliavimo energija, tokia kaip šviesa, skleidžiama ir sugeriama ne nuolat, o atskiromis dalimis (kvantais). Be to, skirtingų spindulių energijos kvanto reikšmė nėra vienoda ir yra proporcinga elektromagnetinės bangos virpesių dažniui: E = hν, kur h – Planko konstanta lygi 6,6266 10 -34 J s, ν yra spinduliavimo dažnis. Šią energiją neša šviesos dalelės - fotonai.

Bandydamas dirbtinai sujungti klasikinės mechanikos ir kvantinės teorijos dėsnius, danų fizikas Nielsas Bohras 1913 metais Rutherfordo atomo modelį papildė dviem postulatais apie laipsnišką (diskrečią) elektronų energijos kitimą atome. Bohras manė, kad elektronas vandenilio atome gali būti tik tiksliai apibrėžtoje vietoje stacionarios orbitos, kurių spinduliai yra susiję vienas su kitu kaip kvadratai natūraliuosius skaičius (1 2: 2 2: 3 2: ... :2 p). Elektronai juda atomo branduolys stacionariose orbitose. Atomas yra stabilios būsenos, nesugeria ir neišskiria energijos – tai pirmasis Bohro postulatas. Pagal antrąjį postulatą energijos emisija įvyksta tik tada, kai elektronas juda į orbitą arčiau atomo branduolio. Kai elektronas juda į tolimesnę orbitą, atomas sugeria energiją. Šį modelį 1916 m. patobulino vokiečių fizikas teoretikas Arnoldas Sommerfeldas, kuris atkreipė dėmesį į elektronų judėjimą išilgai elipsinės orbitos.

planetinis modelis, dėl savo matomumo ir Bohro postulatų, ilgas laikas naudojamas atominiams ir molekuliniams reiškiniams paaiškinti. Tačiau paaiškėjo, kad elektrono judėjimas atome, atomo stabilumas ir savybės, priešingai nei planetų judėjimas ir Saulės sistemos stabilumas, negali būti aprašyti klasikinės mechanikos dėsniais. Ši mechanika remiasi Niutono dėsniais, o jos tyrimo objektas – makroskopinių kūnų judėjimas, atliekamas greičiais, kurie yra maži, palyginti su šviesos greičiu. Atomo sandarai apibūdinti būtina pritaikyti kvantinės (banginės) mechanikos sampratas apie mikrodalelių dvigubą korpuskuliarinę-banginę prigimtį, kurias XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje suformulavo fizikai teoretikai: prancūzas Louis de Broglie, vokiečiai Werneris. Heisenbergai ir Erwinas Schrödingeris, anglas Paulas Diracas ir kt.

1924 metais Louisas de Broglie iškėlė hipotezę, kad elektronas turi bangines savybes (pirmasis kvantinės mechanikos principas) ir pasiūlė jo bangos ilgio apskaičiavimo formulę. Atomo stabilumas paaiškinamas tuo, kad jame esantys elektronai juda ne orbitomis, o tam tikrose erdvės srityse aplink branduolį, vadinamose atominėmis orbitomis. Elektronas užima beveik visą atomo tūrį ir negali „nukristi ant jo centre esančio branduolio“.

1926 m. Schrödingeris, tęsdamas L. de Broglie idėjų apie elektrono bangines savybes plėtojimą, empiriškai pasirinko matematinę lygtį, panašią į stygos virpesių lygtį, kurią naudojant galima apskaičiuoti elektrono rišimosi energijas atome skirtingi energijos lygiai. Ši lygtis tapo pagrindine kvantinės mechanikos lygtimi.

Elektrono banginių savybių atradimas parodė, kad žinių apie makrokosmosą skleidimas mikrokosmoso objektams yra neteisėtas. 1927 metais Heisenbergas nustatė, kad tam tikru greičiu neįmanoma nustatyti tikslios elektrono padėties erdvėje, todėl idėjos apie elektrono judėjimą atome yra tikimybinio pobūdžio (antrasis kvantinės mechanikos principas).

Kvantinis mechaninis atomo modelis (1926) aprašo atomo būseną. matematines funkcijas ir neturi geometrinės išraiškos (10 pav.). Tokiame modelyje neatsižvelgiama į atomo struktūros dinamiškumą ir elektrono, kaip dalelės, dydžio klausimą. Manoma, kad elektronai užima tam tikrus energijos lygius ir išskiria arba sugeria energiją perėjimo į kitus lygius metu. Ant pav. 10 energijos lygių schematiškai parodyta kaip koncentriniai žiedai, esantys skirtingais atstumais nuo atomo branduolio. Rodyklės rodo elektronų perėjimus tarp energijos lygiai ir šiuos perėjimus lydinti fotonų emisija. Schema parodyta kokybiškai ir neatspindi realių atstumų tarp energijos lygių, kurie vienas nuo kito gali skirtis dešimtis kartų.

1931 metais amerikiečių mokslininkas Gilbertas White'as pirmą kartą pasiūlė grafinį atomų orbitalių vaizdą ir atomo „orbitinį“ modelį (10 pav.). Atominių orbitų modeliai naudojami „elektronų tankio“ sąvokai atspindėti ir neigiamo krūvio pasiskirstymui aplink atomo branduolį arba molekulės atomų branduolių sistemą parodyti.

Ryžiai. 10. Istorinės ir modernūs modeliai atomas

1963 metais amerikiečių menininkas, skulptorius ir inžinierius Kennethas Snelsonas pasiūlė atomo elektronų apvalkalų „žiedo formos modelį“ (10 pav.), kuris paaiškina kiekybinį elektronų pasiskirstymą atome per stabilius elektronų apvalkalus. Kiekvienas elektronas yra modeliuojamas žiedo magnetu (arba uždara grandine su elektros srove, turinčia magnetinį momentą). Žiediniai magnetai traukia vienas kitą ir sudaro simetriškas formas iš žiedų - ringhedra. Dviejų polių buvimas magnetuose nustato apribojimą galimi variantaižiedų mazgai. Stabilių elektronų apvalkalų modeliai yra simetriškiausios žiedų figūros, sudarytos atsižvelgiant į jų magnetines savybes.

Sukio buvimas elektrone (žr. 5 skyrių) yra viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl atome susidaro stabilūs elektronų apvalkalai. Elektronai sudaro poras su priešingais sukimais. Elektronų poros arba užpildytos atominės orbitalės modelis su žiedu yra du žiedai, esantys lygiagrečiose plokštumose priešingose ​​atomo branduolio pusėse. Kai šalia atomo branduolio yra daugiau nei viena elektronų pora, žiedai-elektronai yra priversti tarpusavyje orientuotis, sudarydami elektronų apvalkalą. Šiuo atveju glaudžiai išdėstyti žiedai turi skirtingas magnetines kryptis jėgos linijos, kuris žymimas skirtinga spalvažiedai, vaizduojantys elektronus.

Modelio eksperimentas rodo, kad stabiliausias iš visų galimų žiedinių modelių yra 8 žiedų modelis. Geometriškai modelis suformuotas taip, tarsi sferos pavidalo atomas būtų padalintas į 8 dalis (padalytas tris kartus per pusę) ir kiekvienoje dalyje būtų įdėtas po vieną žiedą-elektroną. Modeliuose su žiedais naudojami dviejų spalvų žiedai: raudoni ir mėlyni, kurie atspindi teigiamą ir neigiama prasmė elektrono sukinys.

„Modelis su bangomis“ (10 pav.) yra panašus į „žiedinį“ su tuo skirtumu, kad kiekvienas atomo elektronas yra vaizduojamas „bangos“ žiedu, kuriame yra sveikasis skaičius bangų (kaip pasiūlė L. de Broglie).

Elektronų apvalkalo elektronų sąveiką šiame atomo modelyje rodo mėlynos ir raudonos „bangos“ žiedų sąlyčio taškų sutapimas su stovinčių bangų mazgais.

Atomo modeliai turi teisę egzistuoti ir taikymo ribas. Bet koks atomo modelis yra aproksimacija, supaprastinta forma atspindinti tam tikrą žinių apie atomą dalį. Tačiau nė vienas iš modelių visiškai neatspindi atomo ar jį sudarančių dalelių savybių.

Daugelis modelių šiandien yra tik istoriniai įdomūs. Kurdami mikropasaulio objektų modelius, mokslininkai rėmėsi tuo, ką galima tiesiogiai stebėti. Taip atsirado Perrin ir Rutherford (analogija su Saulės sistemos sandara), Nagaoka (savotiška Saturno planeta), Thomson ("razinų pudingas") modeliai. Kai kurios idėjos buvo atmestos (Lenardo dinaminis modelis), kitos po kurio laiko buvo peržiūrėtos iš naujo, bet jau naujame, aukštesniame lygyje. teorinis lygis: Perrin ir Kelvin modeliai buvo sukurti Rutherford ir Thomson modeliuose. Idėjos apie atomo sandarą nuolat tobulinamos. Kiek tikslus yra modernus – „kvantinis mechaninis“ modelis – parodys laikas. Būtent todėl spiralės viršuje nupieštas klaustukas, simbolizuojantis pažinimo kelią (7 pav.).

Jie tapo svarbiu žingsniu fizikos raidoje. Rutherfordo modelis buvo labai svarbus. Atomas kaip sistema ir jį sudarančios dalelės buvo ištirtos tiksliau ir išsamiau. Tai paskatino sėkmingą tokio mokslo kaip branduolinės fizikos plėtrą.

Senovės idėjos apie materijos sandarą

Dar senovėje buvo daroma prielaida, kad aplinkiniai kūnai susideda iš mažiausių dalelių. To meto mąstytojai vaizdavo atomą kaip mažiausią ir nedalomą bet kokios medžiagos dalelę. Jie tvirtino, kad visatoje nėra nieko mažesnio už atomą. Tokios nuomonės laikėsi didieji senovės graikų mokslininkai ir filosofai – Demokritas, Lukrecijus, Epikūras. Šių mąstytojų hipotezės šiandien yra vienijamos pavadinimu „senovės atomizmas“.

Viduramžių spektakliai

Senovės laikai praėjo, o viduramžiais būta ir mokslininkų, kurie darė įvairias prielaidas apie medžiagų sandarą. Tačiau religinių filosofinių pažiūrų vyravimas ir bažnyčios galia tuo istorijos laikotarpiu sužlugdė bet kokius žmogaus proto bandymus ir siekius prie materialistinių mokslo išvadų ir atradimų. Kaip žinia, viduramžių inkvizicija su to meto mokslo pasaulio atstovais elgėsi labai nedraugiškai. Belieka pasakyti, kad tuometiniai šviesūs protai turėjo iš antikos atkeliavusią mintį apie atomo nedalomumą.

Tyrimai XVIII–XIX a

XVIII amžius buvo pažymėtas rimtais atradimais elementarios materijos sandaros srityje. Daugiausia mokslininkų, tokių kaip Antoine'as Lavoisier, Michailas Lomonosovas, pastangomis ir nepriklausomai vienas nuo kito jiems pavyko įrodyti, kad atomai tikrai egzistuoja. Bet klausimas apie juos vidinė struktūra liko atvira. Tokiais pasižymėjo XVIII amžiaus pabaiga reikšmingas įvykis in mokslo pasaulis, kaip D. I. Mendelejevo periodinės cheminių elementų sistemos atradimas. Tai buvo tikrai galingas to meto proveržis ir pakėlė šydą virš supratimo, kad visi atomai turi vieną prigimtį, kad jie yra susiję vienas su kitu. Vėliau, XIX amžiuje, dar vienas svarbus žingsnis siekiant išnarplioti atomo struktūrą buvo įrodymas, kad bet kuriame iš jų yra elektronas. Šio laikotarpio mokslininkų darbai paruošė derlingą dirvą XX amžiaus atradimams.

Tomsono eksperimentai

Anglų fizikas Johnas Thomsonas 1897 metais įrodė, kad atomų sudėtis apima elektronus su neigiamu krūviu. Šiame etape klaidingos idėjos, kad atomas yra bet kurios medžiagos dalijimosi riba, buvo galutinai sunaikintos. Kaip Thomsonui pavyko įrodyti elektronų egzistavimą? Mokslininkas savo eksperimentuose įdėjo elektrodus į labai išretintas dujas ir praėjo elektros. Rezultatas buvo katodiniai spinduliai. Thomsonas atidžiai ištyrė jų ypatybes ir išsiaiškino, kad tai įkrautų dalelių srautas, judantis dideliu greičiu. Mokslininkui pavyko apskaičiuoti šių dalelių masę ir jų krūvį. Jis taip pat išsiaiškino, kad jų negalima paversti neutraliomis dalelėmis, nes elektros krūvis yra jų prigimties pagrindas. Taip buvo ir Thomsonas bei pirmojo pasaulyje atomo sandaros modelio kūrėjas. Anot jos, atomas – tai krūva teigiamai įkrautos medžiagos, kurioje tolygiai pasiskirstę neigiamo krūvio elektronai. Ši struktūra paaiškina bendrą atomų neutralumą, nes priešingi krūviai balansuoja vienas kitą. Johno Thomsono eksperimentai tapo neįkainojami tolesniam atomo sandaros tyrimui. Tačiau daugelis klausimų liko neatsakyti.

Rutherfordo tyrimai

Tomsonas atrado elektronų egzistavimą, tačiau jam nepavyko rasti teigiamai įkrautų dalelių atome. ištaisė šį nesusipratimą 1911 m. Eksperimentų metu, tirdamas alfa dalelių aktyvumą dujose, jis atrado, kad atome yra teigiamai įkrautų dalelių. Rutherfordas pastebėjo, kad kai spinduliai praeina per dujas arba per ploną metalinę plokštę, nedidelis dalelių skaičius smarkiai nukrypsta nuo judėjimo trajektorijos. Jie tiesiogine prasme buvo išmesti atgal. Mokslininkas spėjo, kad tokį elgesį nulėmė susidūrimas su teigiamai įkrautomis dalelėmis. Tokie eksperimentai leido fizikui sukurti Rutherfordo atomo sandaros modelį.

planetinis modelis

Dabar mokslininko idėjos kiek skyrėsi nuo Johno Thomsono prielaidų. Jų atomų modeliai taip pat skyrėsi. leido jam sukurti visiškai naują šios srities teoriją. Mokslininko atradimai buvo lemiami tolimesnis vystymas fizika. Rutherfordo modelis apibūdina atomą kaip branduolį, esantį centre, ir aplink jį judančius elektronus. Branduolys turi teigiamą krūvį, o elektronai – neigiamą. Rutherfordo atomo modelis padarė prielaidą apie elektronų sukimąsi aplink branduolį tam tikromis trajektorijomis – orbitomis. Mokslininko atradimas padėjo paaiškinti alfa dalelių nukrypimo priežastį ir tapo postūmiu plėtoti atomo branduolinę teoriją. Rutherfordo atomo modelyje yra analogija su Saulės sistemos planetų judėjimu aplink saulę. Tai labai tikslus ir ryškus palyginimas. Todėl Rutherfordo modelis, kuriame atomas juda aplink branduolį orbita, buvo vadinamas planetiniu.

Nielso Bohro kūriniai

Po dvejų metų danų fizikas Nielsas Bohras pabandė sujungti idėjas apie atomo sandarą su kvantinėmis savybėmis. šviesos srautas. branduolinis modelis Rutherfordo atomą mokslininkai nustatė kaip savo pagrindą nauja teorija. Pasak Bohro, atomai sukasi aplink branduolį žiedinėmis orbitomis. Tokia judėjimo trajektorija lemia elektronų pagreitį. Be to, šių dalelių Kulono sąveika su atomo centru yra susijusi su energijos kūrimu ir suvartojimu, kad būtų išlaikyta erdvė. elektromagnetinis laukas dėl elektronų judėjimo. Tokiomis sąlygomis neigiamo krūvio dalelės kada nors turi nukristi ant branduolio. Bet tai neįvyksta, o tai rodo didesnį atomų, kaip sistemų, stabilumą. Nielsas Bohras suprato, kad klasikinės termodinamikos dėsniai, aprašyti Maksvelo lygtimis, neveikia intraatominėmis sąlygomis. Todėl mokslininkas iškėlė sau užduotį išvesti naujus modelius, kurie galiotų pasaulyje elementariosios dalelės.

Bohro postulatai

Daugiausia dėl to, kad Rutherfordo modelis egzistavo, atomas ir jo komponentai buvo gerai ištirti, Nielsas Bohras galėjo priartėti prie savo postulatų kūrimo. Pirmasis iš jų sako, kad atomas turi, kuriame jis nekeičia savo energijos, o elektronai juda orbitomis nekeisdami savo trajektorijos. Pagal antrąjį postulatą, kai elektronas juda iš vienos orbitos į kitą, energija išsiskiria arba absorbuojama. Jis lygus ankstesnės ir vėlesnės atomo būsenų energijų skirtumui. Šiuo atveju, jei elektronas peršoka į orbitą, esančią arčiau branduolio, tada atsiranda spinduliuotė ir atvirkščiai. Nepaisant to, kad elektronų judėjimas mažai primena orbitos trajektoriją, esančią griežtai apskritime, Bohro atradimas puikiai paaiškino linijinio spektro egzistavimą.Maždaug tuo pačiu metu Vokietijoje gyvenę fizikai Hercas ir Frankas , patvirtino Nielso Bohro teoriją apie stacionarių, stabilių atomo būsenų egzistavimą ir galimybę keisti atominės energijos vertes.

Dviejų mokslininkų bendradarbiavimas

Beje, Rutherfordas ilgas laikas negalėjo nustatyti Mokslininkai Marsdenas ir Geigeris bandė dar kartą patikrinti Ernesto Rutherfordo teiginius ir, atlikę išsamius ir kruopščius eksperimentus bei skaičiavimus, priėjo prie išvados, kad branduolys yra svarbiausia atomo savybė. visas jo krūvis sutelktas joje. Vėliau buvo įrodyta, kad branduolio krūvio reikšmė skaitine prasme yra lygi elemento eilės skaičiui periodinė sistema D. I. Mendelejevo elementai. Įdomu tai, kad Nielsas Bohras netrukus susitiko su Rutherfordu ir visiškai sutiko su jo nuomone. Vėliau mokslininkai ilgą laiką dirbo kartu toje pačioje laboratorijoje. Rutherfordo modelis, atomas kaip sistema, susidedanti iš elementarių įkrautų dalelių – visa tai Nielsas Bohras laikė teisingu ir amžiams atidėjo savo elektroninis modelis. Bendras moksline veikla mokslininkai buvo labai sėkmingi ir davė vaisių. Kiekvienas iš jų gilinosi į elementariųjų dalelių savybių tyrimą ir padarė reikšmingų atradimų mokslui. Vėliau Rutherfordas atrado ir įrodė branduolio skilimo galimybę, tačiau tai yra kito straipsnio tema.

Išsamios informacijos Kategorija: Atomo ir atomo branduolio fizika Paskelbta 2016-03-10 18:27 Peržiūrų: 4106

Senovės Graikijos ir senovės Indijos mokslininkai ir filosofai tikėjo, kad visos mus supančios medžiagos susideda iš mažyčių dalelių, kurios nesiskirsto.

Jie buvo tikri, kad pasaulyje nėra nieko, kas būtų mažesni už šias daleles, kurias jie vadino atomai . Ir iš tiesų vėliau atomų egzistavimą įrodė tokie garsūs mokslininkai kaip Antoine'as Lavoisier, Michailas Lomonosovas, Johnas Daltonas. Atomas buvo laikomas nedalomu iki XIX amžiaus pabaigos – XX amžiaus pradžios, kai paaiškėjo, kad taip nėra.

Elektrono atradimas. Tomsono atomo modelis

Džozefas Džonas Tomsonas

1897 m. anglų fizikas Josephas Johnas Thomsonas, eksperimentiškai tyrinėdamas katodinių spindulių elgesį magnetiniuose ir elektriniai laukai, išsiaiškino, kad šie spinduliai yra neigiamo krūvio dalelių srautas. Šių dalelių judėjimo greitis buvo mažesnis už šviesos greitį. Todėl jie turėjo mišias. Iš kur jie atsirado? Mokslininkas pasiūlė, kad šios dalelės yra atomo dalis. Jis jiems paskambino kraujo kūnelių . Vėliau jiems buvo paskambinta elektronų . Taigi elektrono atradimas padarė galą atomo nedalomumo teorijai.

Tomsono atomo modelis

Thomsonas pasiūlė pirmąjį elektroninį atomo modelį. Pagal jį atomas yra rutulys, kurio viduje yra įkrauta medžiaga, kurios teigiamas krūvis yra tolygiai paskirstytas visame tūryje. O šioje medžiagoje, kaip razinose bandelėje, įsiterpę elektronai. Apskritai atomas yra elektriškai neutralus. Šis modelis buvo vadinamas „slyvų pudingo modeliu“.

Tačiau Thomsono modelis pasirodė klaidingas, o tai buvo įrodyta britų fizikas Seras Ernestas Rutherfordas.

Rutherfordo patirtis

Ernestas Rutherfordas

Kaip iš tikrųjų yra išdėstytas atomas? Į šį klausimą Rutherfordas atsakė po savo eksperimento, atlikto 1909 m. kartu su vokiečių fiziku Hansu Geigeriu ir Naujosios Zelandijos fiziku Ernstu Marsdenu.

Rutherfordo patirtis

Eksperimento tikslas buvo ištirti atomą alfa dalelių pagalba, kurių sufokusuotas spindulys, skriejantis dideliu greičiu, buvo nukreiptas į ploniausią aukso foliją. Už folijos buvo liuminescencinis ekranas. Kai dalelės su juo susidūrė, atsirado blyksniai, kuriuos buvo galima stebėti mikroskopu.

Jei Thomsonas yra teisus, o atomas sudarytas iš elektronų debesies, dalelės turėtų lengvai skristi per foliją nenukrypdamos. Kadangi alfa dalelės masė apie 8000 kartų viršijo elektrono masę, elektronas negalėjo jos veikti ir nukrypti savo trajektorijos dideliu kampu, kaip 10 g akmenukas negalėjo pakeisti važiuojančio automobilio trajektorijos.

Tačiau praktiškai viskas pasirodė kitaip. Dauguma dalelių iš tikrųjų praskriejo per foliją, praktiškai nenukrypdamos arba nukrypdamos nedideliu kampu. Tačiau kai kurios dalelės gana ženkliai nukrypo ar net atšoko atgal, tarsi jų kelyje būtų kokia kliūtis. Kaip sakė pats Rutherfordas, tai buvo taip neįtikėtina, tarsi 15 colių sviedinys atšoktų nuo minkšto popieriaus gabalo.

Kas paskatino kai kurias alfa daleles taip pakeisti kryptį? Mokslininkas teigė, kad to priežastis buvo atomo dalis, susikaupusi labai mažame tūryje ir turinti teigiamą krūvį. Jis jai paskambino atomo branduolys.

Rutherfordo planetinis atomo modelis

Rutherfordo atomo modelis

Rutherfordas padarė išvadą, kad atomą sudaro tankus teigiamai įkrautas branduolys, esantis atomo centre, ir elektronai, turintys neigiamą krūvį. Beveik visa atomo masė yra sutelkta branduolyje. Apskritai atomas yra neutralus. Teigiamas branduolio krūvis lygus visų atomo elektronų neigiamų krūvių sumai. Tačiau elektronai nėra įterpti į branduolį, kaip Thomsono modelyje, bet sukasi aplink jį taip, kaip planetos sukasi aplink saulę. Elektronų sukimasis vyksta veikiant Kulono jėgai, veikiančiai juos iš branduolio. Elektronų sukimosi greitis yra didžiulis. Virš šerdies paviršiaus jie sudaro tam tikrą debesį. Kiekvienas atomas turi savo elektronų debesį, neigiamai įkrautą. Dėl šios priežasties jie „nelimpa“, o atstumia vienas kitą.

Dėl savo panašumo į Saulės sistemą Rutherfordo modelis buvo vadinamas planetiniu.

Kodėl atomas egzistuoja

Tačiau Rutherfordo atomo modelis nesugebėjo paaiškinti, kodėl atomas toks stabilus. Juk pagal klasikinės fizikos dėsnius orbitoje besisukantis elektronas juda su pagreičiu, todėl spinduliuoja elektromagnetines bangas ir praranda energiją. Galų gale ši energija turi baigtis, o elektronas turi patekti į branduolį. Jei taip būtų, atomas galėtų egzistuoti tik 10–8 s. Bet kodėl tai nevyksta?

Šio reiškinio priežastį vėliau paaiškino danų fizikas Nielsas Bohras. Jis pasiūlė, kad elektronai atome judėtų tik fiksuotomis orbitomis, kurios vadinamos „leistinomis orbitomis“. Būdami ant jų, jie nespinduliuoja energijos. O energijos emisija arba sugertis įvyksta tik tada, kai elektronas juda iš vienos leistinos orbitos į kitą. Jei tai yra perėjimas iš tolimosios orbitos į esančią arčiau branduolio, tada energija spinduliuojama ir atvirkščiai. Spinduliuotė vyksta dalimis, kurios vadinamos kvantai.

Nors Rutherfordo aprašytas modelis negalėjo paaiškinti atomo stabilumo, jis leido padaryti didelę pažangą tiriant jo struktūrą.

Atomo planetinis modelis

Planetinis atomo modelis: branduolys (raudonas) ir elektronai (žalias)

Atomo planetinis modelis, arba Rutherfordo modelis, - istorinis atomo struktūros modelis, kurį pasiūlė Ernestas Rutherfordas, atlikęs eksperimentą su alfa dalelių sklaida. Pagal šį modelį atomas susideda iš nedidelio teigiamai įkrauto branduolio, kuriame sutelkta beveik visa atomo masė, aplink kurį juda elektronai, lygiai taip pat, kaip planetos juda aplink saulę. Planetinis atomo modelis atitinka šiuolaikines idėjas apie atomo sandarą, atsižvelgiant į tai, kad elektronų judėjimas yra kvantinio pobūdžio ir nėra aprašytas klasikinės mechanikos dėsniais. Istoriškai Rutherfordo planetinis modelis pakeitė Josepho Johno Thomsono „slyvų pudingo modelį“, kuris teigia, kad neigiamai įkrauti elektronai yra patalpinti teigiamai įkrautame atome.

1911 m. Rutherfordas pasiūlė naują atomo struktūros modelį kaip jo vadovaujamo eksperimento dėl alfa dalelių sklaidos ant aukso folijos išvadą. Su šiuo išsibarstymu netikėtai didelis skaičius alfa dalelės buvo išsklaidytos dideliais kampais, o tai rodo, kad sklaidos centras turi mažas dydis ir jame yra didelis elektros krūvis. Rutherfordo skaičiavimai parodė, kad sklaidos centras, teigiamai arba neigiamai įkrautas, turi būti bent 3000 kartų mažesnio dydžio atomas, kuris tuo metu jau buvo žinomas ir įvertintas apie 10 -10 m. Kadangi tuo metu elektronai jau buvo žinomi, buvo nustatyta jų masė ir krūvis, sklaidos centras, kuris vėliau buvo vadinamas branduoliu, turi būti turėjo priešingą elektronų krūvį. Rutherfordas nesusiejo krūvio kiekio su atominiu skaičiumi. Tokia išvada buvo padaryta vėliau. Ir pats Rutherfordas pasiūlė, kad krūvis yra proporcingas atominei masei.

Planetinio modelio trūkumas buvo jo nesuderinamumas su klasikinės fizikos dėsniais. Jei elektronai juda aplink branduolį kaip planeta aplink Saulę, tada jų judėjimas pagreitėja, todėl pagal klasikinės elektrodinamikos dėsnius jie turėtų skleisti elektromagnetines bangas, prarasti energiją ir kristi ant branduolio. Kitas planetinio modelio kūrimo žingsnis buvo Boro modelis, postuluojantis kitus, skirtingus nuo klasikinių, elektronų judėjimo dėsnius. Visiškai elektrodinamikos prieštaravimai sugebėjo išspręsti kvantinę mechaniką.

Wikimedia fondas. 2010 m.

• Eise Eisingi planetariumas
• planetinė fantazija

Pažiūrėkite, kas yra „Atomo planetinis modelis“ kituose žodynuose:

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

Bohro atomo modelis– Bohro į vandenilį panašaus atomo modelis (Z branduolio krūvis), kai neigiamai įkrautas elektronas yra uždarytas atominiame apvalkale, supančiame nedidelį teigiamai įkrautą atomo branduolį... Wikipedia

Modelis (moksle)- Modelis (pranc. modèle, ital. modelo, iš lotynų kalbos modulio matas, matas, pavyzdys, norma), 1) pavyzdys, kuris tarnauja kaip etalonas (standartas) serijiniam arba masiniam dauginimui (M. automobilis, M. drabužiai ir kt.). ), taip pat bet kokio tipo, prekės ženklo ... ...

Modelis– I modelis (modelis) Walteris (1891 m. sausio 24 d. Gentinas, Rytų Prūsija, 1945 m. balandžio 21 d., netoli Duisburgo), nacistinės Vokietijos generolas feldmaršalas (1944 m.). Kariuomenėje nuo 1909 m., dalyvavo 1914 m. I pasauliniame kare 18. Nuo 1940 m. lapkričio mėn. vadovavo 3-iajam tankui ... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

ATOMO STRUKTŪRA- (žr.) yra sudarytas iš trijų tipų (žr.), (žr.) ir (žr.) elementariųjų dalelių, sudarančių stabilią sistemą. Protonas ir neutronas yra atomo dalis (žr.), elektronai sudaro elektronų apvalkalą. Jėgos veikia branduolyje (žr.), kurių dėka ... ... Didžioji politechnikos enciklopedija

Atom- Šis terminas turi kitas reikšmes, žr. Atom (reikšmės). Helio atomas Atom (iš kitų graikų ... Wikipedia

Rutherfordas Ernestas– (1871 1937), anglų fizikas, vienas iš radioaktyvumo teorijos ir atomo sandaros kūrėjų, įkūrėjas moksline mokykla, Rusijos mokslų akademijos užsienio narys korespondentas (1922) ir SSRS mokslų akademijos garbės narys (1925). Gimė Naujojoje Zelandijoje, baigusi ... enciklopedinis žodynas

Άτομο

korpusas- Helio atomas Atomas (kitas graikiškas ἄτομος nedalomas) yra mažiausia cheminio elemento dalis, kuri yra jo savybių nešėjas. Atomas susideda iš atomo branduolio ir jį supančio elektronų debesies. Atomo branduolys susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir ... ... Vikipedijos

kraujo kūnelių- Helio atomas Atomas (kitas graikiškas ἄτομος nedalomas) yra mažiausia cheminio elemento dalis, kuri yra jo savybių nešėjas. Atomas susideda iš atomo branduolio ir jį supančio elektronų debesies. Atomo branduolys susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir ... ... Vikipedijos

Knygos

• Lentelių komplektas. Fizika. 11 klasė (15 lentelių), . Mokomasis albumas iš 15 lapų. Transformatorius. Elektromagnetinė indukcija in moderni technologija. Elektroninės lempos. Katodinių spindulių kineskopas. Puslaidininkiai. puslaidininkinis diodas. Tranzistorius…

Paskaita: Atomo planetinis modelis

Atomo sandara

Tiksliausias būdas nustatyti bet kurios medžiagos struktūrą yra spektrinė analizė. Kiekvieno elemento atomo spinduliuotė yra išskirtinai individuali. Tačiau prieš suprasdami, kaip vyksta spektrinė analizė, išsiaiškinkime, kokią struktūrą turi bet kurio elemento atomas.

Pirmąją prielaidą apie atomo sandarą pateikė J. Tomsonas. Šis mokslininkas ilgą laiką tyrinėjo atomus. Be to, būtent jam priklauso elektrono atradimas, už kurį jis gavo Nobelio premija. Thomsono pasiūlytas modelis neturėjo nieko bendra su tikrove, bet buvo pakankamai stipri paskata Rutherfordui ištirti atomo struktūrą. Thomsono pasiūlytas modelis buvo vadinamas „razinų pudingu“.

Thomsonas manė, kad atomas yra kietas rutulys, turintis neigiamą elektros krūvį. Norėdami tai kompensuoti, elektronai yra įsiterpę į rutulį, kaip razinos. Apibendrinant galima pasakyti, kad elektronų krūvis sutampa su viso branduolio krūviu, todėl atomas tampa neutralus.

Tiriant atomo sandarą, buvo nustatyta, kad visi atomai kietosios medžiagosįsipareigoti svyruojantys judesiai. Ir, kaip žinote, bet kuri judanti dalelė spinduliuoja bangas. Štai kodėl kiekvienas atomas turi savo spektrą. Tačiau šie teiginiai niekaip netilpo į Thomson modelį.

Rutherfordo patirtis

Norėdamas patvirtinti arba paneigti Thomsono modelį, Rutherfordas pasiūlė eksperimentą, kurio metu alfa dalelės bombardavo kurio nors elemento atomą. Dėl šio eksperimento buvo svarbu pamatyti, kaip elgsis dalelė.

Alfa dalelės buvo aptiktos dėl radioaktyvaus radžio skilimo. Jų srautai buvo alfa spinduliai, kurių kiekviena dalelė turėjo teigiamą krūvį. Daugelio tyrimų metu buvo nustatyta, kad alfa dalelė yra kaip helio atomas, kuriame nėra elektronų. Naudodamiesi dabartinėmis žiniomis, žinome, kad alfa dalelė yra helio branduolys, o Rutherfordas manė, kad tai helio jonai.

Kiekviena alfa dalelė turėjo didžiulę energiją, dėl kurios ji galėjo skristi į atitinkamus atomus didelis greitis. Todėl pagrindinis eksperimento rezultatas buvo dalelių įlinkio kampo nustatymas.

Eksperimentui Rutherfordas naudojo ploną aukso foliją. Jis nukreipė į jį didelės spartos alfa daleles. Jis manė, kad dėl šio eksperimento visos dalelės praskris per foliją ir su nedideliais nuokrypiais. Tačiau norėdamas įsitikinti, jis nurodė savo mokiniams patikrinti, ar šiose dalelėse nėra didelių nukrypimų.

Eksperimento rezultatas nustebino absoliučiai visus, nes daugelis dalelių ne tik nukrypo pakankamai dideliu kampu – kai kurie įlinkio kampai siekė daugiau nei 90 laipsnių.

Šie rezultatai nustebino absoliučiai visus, Rutherfordas sakė, kad jautėsi taip, lyg sviedinių kelyje būtų įdėtas popieriaus lapas, kuris neleido alfa dalelei prasiskverbti į vidų, ko pasekoje ji pasisuko atgal.

Jei atomas būtų tikrai kietas, tada jis turėtų šiek tiek turėti elektrinis laukas, kuris sulėtino dalelę. Tačiau lauko stiprumo nepakako, kad ją visiškai sustabdytų, o ką jau kalbėti apie atstūmimą. Tai reiškia, kad Thomson modelis buvo paneigtas. Taigi Rutherfordas pradėjo kurti naują modelį.

Rutherfordo modelis

Norint gauti tokį eksperimento rezultatą, reikia sutelkti teigiamą krūvį į mažesnį kiekį, todėl susidaro didesnis elektrinis laukas. Pagal lauko potencialo formulę galima nustatyti reikiamo dydžio teigiama dalelė, galinti atstumti alfa dalelę priešinga kryptimi. Jo spindulys turėtų būti maksimalus 10 -15 m. Štai kodėl Rutherfordas pasiūlė planetinį atomo modelį.

Šis modelis taip pavadintas dėl priežasties. Faktas yra tas, kad atomo viduje yra teigiamai įkrautas branduolys, panašus į Saulę Saulės sistemoje. Elektronai sukasi aplink branduolį kaip planetos. saulės sistema sukurtas taip, kad planetos būtų pritrauktos prie Saulės gravitacinių jėgų tačiau jie nenukrenta į Saulės paviršių dėl turimo greičio, kuris išlaiko juos savo orbitoje. Tas pats vyksta ir su elektronais – Kulono jėgos pritraukia elektronus į branduolį, tačiau dėl sukimosi jie nepatenka ant branduolio paviršiaus.

Viena Tomsono prielaida pasirodė visiškai teisinga – bendras elektronų krūvis atitinka branduolio krūvį. Tačiau dėl stiprios sąveikos elektronai gali būti išmušti iš savo orbitos, dėl to krūvis nekompensuojamas ir atomas virsta teigiamai įkrautu jonu.

Labai svarbi informacija apie atomo struktūrą yra ta, kad beveik visa atomo masė yra sutelkta branduolyje. Pavyzdžiui, vandenilio atomas turi tik vieną elektroną, kurio masė daugiau nei pusantro tūkstančio kartų mažesnė už branduolio masę.