Kādu atoma struktūras modeli piedāvāja Raterfords. Daži vēsturiski un mūsdienu atomu modeļi

Atomu vēsturiskie modeļi1 atspoguļo zināšanu līmeņus, kas atbilst noteiktam zinātnes attīstības periodam.

Pirmajam atomu modeļu izstrādes posmam bija raksturīgs eksperimentālu datu trūkums par tā struktūru.

Izskaidrojot mikrokosmosa parādības, zinātnieki meklēja analoģijas makrokosmosā, paļaujoties uz klasiskās mehānikas likumiem.

Dž.Daltons, ķīmiskā atomisma radītājs (1803), pieļāva, ka atomi no tā paša ķīmiskais elements ir vienas un tās pašas sfēriskas mazākās un līdz ar to nedalāmas daļiņas.

Franču fiziķis Žans Batists Perins (1901) ierosināja modeli, kas faktiski paredzēja "planētu" modeli. Saskaņā ar šo modeli atoma centrā atrodas pozitīvi uzlādēts kodols, ap kuru noteiktās orbītās, piemēram, planētas ap Sauli, pārvietojas negatīvi lādēti elektroni. Perrina modelis nepiesaistīja zinātnieku uzmanību, jo deva tikai kvalitatīvu, bet ne kvantitatīvu atoma raksturlielumu (7. attēlā to parāda neatbilstība starp atoma kodola lādiņu un elektronu skaitu). ).

1902. gadā angļu fiziķis Viljams Tomsons (Kelvins) attīstīja ideju par atomu kā pozitīvi lādētu sfērisku daļiņu, kuras iekšpusē svārstās (izstaro un absorbē enerģiju) negatīvi lādēti elektroni. Kelvins vērsa uzmanību uz to, ka elektronu skaits ir vienāds ar sfēras pozitīvo lādiņu, tāpēc kopumā atomam nav elektriskā lādiņa (7. att.).

Gadu vēlāk vācu fiziķis Filips Lenards ierosināja modeli, saskaņā ar kuru atoms ir doba sfēra, kuras iekšpusē atrodas elektriskie dipoli (dinamīdi). Šo dipolu aizņemtais tilpums ir daudz mazāks par sfēras tilpumu, un galvenā atoma daļa ir tukša.

Saskaņā ar japāņu fiziķa Gontaro (Hantaro) Nagaokas (1904) idejām atoma centrā atrodas pozitīvi uzlādēts kodols, un elektroni pārvietojas telpā ap kodolu plakanos gredzenos, kas atgādina planētas Saturna gredzenus (šī modelis tika saukts par "Saturna" atomu). Lielākā daļa zinātnieku nav pievērsuši uzmanību Nagaokas idejām, lai gan tām zināmā mērā ir kaut kas kopīgs ar mūsdienu ideju par atomu orbitāli.

Neviens no aplūkotajiem modeļiem (7. att.) nepaskaidroja, kā ķīmisko elementu īpašības ir saistītas ar to atomu uzbūvi.

Rīsi. 7. Daži vēsturiski atoma modeļi

1907. gadā J. J. Tomsons ierosināja statisku atoma struktūras modeli, kas attēlo atomu kā sfērisku daļiņu, kas uzlādēta ar pozitīvu elektrību, kurā negatīvi lādētie elektroni ir vienmērīgi sadalīti ( modelis"pudiņš", 7. att.).

Matemātiskie aprēķini ir parādījuši, ka elektroniem atomā jāatrodas uz koncentriski izkārtotiem gredzeniem. Tomsonam izdevās ļoti svarīgs secinājums: ķīmisko elementu īpašību periodisko izmaiņu iemesls ir saistīts ar pazīmēm elektroniskā struktūra to atomi. Pateicoties tam, Tomsona atoma modeli augstu novērtēja viņa laikabiedri. Tomēr tas nepaskaidroja noteiktas parādības, piemēram, α-daļiņu izkliedi to caurbraukšanas laikā. metāla plāksne.

Pamatojoties uz savām idejām par atomu, Tomsons atvasināja formulu α-daļiņu vidējās novirzes aprēķināšanai, un šis aprēķins parādīja, ka šādu daļiņu izkliedes varbūtība lielos leņķos ir tuvu nullei. Tomēr ir eksperimentāli pierādīts, ka aptuveni viena no astoņiem tūkstošiem alfa daļiņu, kas nokrīt uz zelta folijas, tiek novirzīta leņķī, kas ir lielāks par 90°. Tas bija pretrunā ar Tomsona modeli, kurā tika pieņemtas novirzes tikai nelielos leņķos.

Ernests Raterfords, apkopojot eksperimentālos datus, 1911. gadā piedāvāja atoma uzbūves "planētu" (dažkārt sauktu par "kodolu") modeli, saskaņā ar kuru 99,9% no atoma masas un tā pozitīvais lādiņš ir koncentrēti ļoti mazā kodolā. un ap to griežas negatīvi lādēti elektroni, kuru skaits ir vienāds ar kodola lādiņu, tāpat kā Saules sistēmas planētas1 (7. att.).

Rezerfords kopā ar saviem studentiem veica eksperimentus, kas ļāva izpētīt atoma uzbūvi (8. att.). Pozitīvi lādētu daļiņu (α-daļiņu) plūsma tika novirzīta uz plānas metāla (zelta) folijas 2 virsmu no radioaktīvā starojuma avota 1. Pa ceļam tika uzstādīts fluorescējošais ekrāns 3, kas ļāva novērot α-daļiņu tālākās kustības virzienu.

Rīsi. 8. Rezerforda pieredze

Tika konstatēts, ka lielākā daļa α-daļiņu izgāja cauri folijai, praktiski nemainot virzienu. Tikai atsevišķas daļiņas (vidēji viena no desmit tūkstošiem) tika novirzītas un lidoja gandrīz pretējā virzienā. Secināts, ka lielākā daļa atoma masas ir koncentrēta pozitīvi lādētajā kodolā, tāpēc α-daļiņas ir tik spēcīgi novirzītas (9. att.).

Rīsi. 9. α-daļiņu izkliede ar atoma kodolu

Elektroniem, kas pārvietojas atomā, saskaņā ar elektromagnētisma likumiem ir jāizstaro enerģija un, to zaudējot, jāpievelk pretēji uzlādētais kodols un līdz ar to "jākrīt" uz tā. Tam vajadzētu novest pie atoma pazušanas, bet, tā kā tas nenotika, tika secināts, ka šis modelis ir neadekvāts.

20. gadsimta sākumā vācu fiziķis Makss Planks un teorētiskais fiziķis Alberts Einšteins radīja gaismas kvantu teoriju. Saskaņā ar šo teoriju starojuma enerģija, piemēram, gaisma, tiek izstarota un absorbēta nevis nepārtraukti, bet atsevišķās porcijās (kvantos). Turklāt enerģijas kvanta vērtība nav vienāda dažādiem starojumiem un ir proporcionāla elektromagnētiskā viļņa svārstību frekvencei: E = hν, kur h – Planka konstante, kas vienāda ar 6,6266 10 -34 J s, ν ir starojuma frekvence. Šo enerģiju nes gaismas daļiņas - fotoni.

Mēģinot mākslīgi apvienot klasiskās mehānikas un kvantu teorijas likumus, dāņu fiziķis Nīls Bors 1913. gadā papildināja Raterforda atoma modeli ar diviem postulātiem par pakāpeniskām (diskrētām) elektronu enerģijas izmaiņām atomā. Bors uzskatīja, ka elektrons ūdeņraža atomā var atrasties tikai precīzi noteiktā vietā stacionāras orbītas, kuru rādiusi ir saistīti viens ar otru kā kvadrāti naturālie skaitļi (1 2: 2 2: 3 2: ... :2. lpp). Elektroni pārvietojas atoma kodols stacionārās orbītās. Atoms atrodas stabilā stāvoklī, neabsorbē un neizstaro enerģiju – tāds ir Bora pirmais postulāts. Saskaņā ar otro postulātu enerģijas emisija notiek tikai tad, kad elektrons pārvietojas uz orbītu tuvāk atoma kodolam. Kad elektrons pārvietojas uz tālāku orbītu, atoms absorbē enerģiju. Šo modeli 1916. gadā uzlaboja vācu teorētiskais fiziķis Arnolds Zomerfelds, kurš norādīja uz elektronu kustību gar elipsveida orbītas.

planētu modelis, pateicoties tā redzamībai un Bora postulātiem, ilgu laiku izmanto, lai izskaidrotu atomu un molekulāro parādību. Taču izrādījās, ka elektrona kustību atomā, atoma stabilitāti un īpašības, atšķirībā no planētu kustības un Saules sistēmas stabilitātes, nevar aprakstīt ar klasiskās mehānikas likumiem. Šī mehānika ir balstīta uz Ņūtona likumiem, un tās izpētes priekšmets ir makroskopisku ķermeņu kustība, kas tiek veikta ar ātrumu, kas ir mazs salīdzinājumā ar gaismas ātrumu. Lai aprakstītu atoma uzbūvi, jāpielieto kvantu (viļņu) mehānikas jēdzieni par mikrodaļiņu duālo korpuskulāro viļņu dabu, ko 20. gadsimta 20. gados formulēja teorētiskie fiziķi: francūzis Luiss de Broljē, vācieši Verners. Heizenbergs un Ervins Šrēdingers, anglis Pols Diraks un citi.

1924. gadā Luiss de Broglie izvirzīja hipotēzi, ka elektronam piemīt viļņu īpašības (pirmais kvantu mehānikas princips) un ierosināja formulu tā viļņa garuma aprēķināšanai. Atoma stabilitāte skaidrojama ar to, ka tajā esošie elektroni nepārvietojas pa orbītām, bet gan noteiktos telpas apgabalos ap kodolu, ko sauc par atomu orbitālēm. Elektrons aizņem gandrīz visu atoma tilpumu un nevar "uzkrist uz kodolu", kas atrodas tā centrā.

1926. gadā Šrēdingers, turpinot L. de Broglie ideju izstrādi par elektrona viļņu īpašībām, empīriski izvēlējās stīgu vibrāciju vienādojumam līdzīgu matemātisko vienādojumu, ar kuru var aprēķināt elektrona saistīšanās enerģijas atomā plkst. dažādi enerģijas līmeņi. Šis vienādojums ir kļuvis par kvantu mehānikas pamata vienādojumu.

Elektronu viļņu īpašību atklāšana parādīja, ka zināšanu izplatīšana par makrokosmosu mikrokosmosa objektiem ir nelikumīga. 1927. gadā Heizenbergs konstatēja, ka ar noteiktu ātrumu nav iespējams noteikt precīzu elektrona atrašanās vietu telpā, tāpēc priekšstatiem par elektrona kustību atomā ir varbūtības raksturs (otrais kvantu mehānikas princips).

Atomu kvantu mehāniskais modelis (1926) apraksta atoma stāvokli matemātiskās funkcijas un tam nav ģeometriskas izteiksmes (10. att.). Šāds modelis neņem vērā atoma struktūras dinamisko raksturu un jautājumu par elektrona kā daļiņas izmēru. Tiek uzskatīts, ka elektroni aizņem noteiktus enerģijas līmeņus un izstaro vai absorbē enerģiju, pārejot uz citiem līmeņiem. Uz att. 10 enerģijas līmeņi shematiski parādīti kā koncentriski gredzeni, kas atrodas dažādos attālumos no atoma kodola. Bultiņas parāda elektronu pārejas starp enerģijas līmeņi un fotonu emisija, kas pavada šīs pārejas. Shēma ir parādīta kvalitatīvi un neatspoguļo reālos attālumus starp enerģijas līmeņiem, kas var atšķirties viens no otra desmitiem reižu.

1931. gadā amerikāņu zinātnieks Gilberts Vaits pirmo reizi ierosināja grafisku atomu orbitāļu attēlojumu un atoma "orbitālo" modeli (10. att.). Atomu orbitāļu modeļi tiek izmantoti, lai atspoguļotu jēdzienu "elektronu blīvums" un demonstrētu negatīvā lādiņa sadalījumu ap kodolu atomā vai atomu kodolu sistēmu molekulā.

Rīsi. 10. Vēsturiskā un mūsdienīgi modeļi atoms

1963. gadā amerikāņu mākslinieks, tēlnieks un inženieris Kenets Snelsons ierosināja atoma elektronu čaulu "modeli ar gredzenu" (10. att.), kas izskaidro elektronu kvantitatīvo sadalījumu atomā pa stabiliem elektronu apvalkiem. Katrs elektrons tiek modelēts ar gredzena magnētu (vai slēgtu ķēdi ar elektrisko strāvu, kam ir magnētiskais moments). Gredzenu magnēti tiek piesaistīti viens otram un veido simetriskas formas no gredzeniem - ringhedra. Divu polu klātbūtne magnētos uzliek ierobežojumu iespējamie varianti gredzenu komplekti. Stabilu elektronu apvalku modeļi ir simetriskākās gredzenu figūras, kas veidotas, ņemot vērā to magnētisko īpašību klātbūtni.

Spin klātbūtne elektronā (skat. 5. nodaļu) ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc atomā veidojas stabilas elektronu čaulas. Elektroni veido pārus ar pretējiem griezieniem. Elektronu pāra modelis ar gredzenveida virsmu jeb piepildīta atoma orbitāle ir divi gredzeni, kas atrodas paralēlās plaknēs atoma kodola pretējās pusēs. Kad atoma kodola tuvumā atrodas vairāk nekā viens elektronu pāris, gredzeni-elektroni ir spiesti savstarpēji orientēties, veidojot elektronu apvalku. Šajā gadījumā cieši izvietotiem gredzeniem ir dažādi magnētiskie virzieni spēka līnijas, kas ir apzīmēts dažāda krāsa gredzeni, kas attēlo elektronus.

Modeļa eksperiments parāda, ka visstabilākais no visiem iespējamiem gredzenveida modeļiem ir 8 gredzenu modelis. Ģeometriski modelis veidots tā, it kā atoms sfēras formā tiktu sadalīts 8 daļās (trīs reizes uz pusēm) un katrā daļā ievietots viens gredzena elektrons. Gredzenveida modeļos tiek izmantoti divu krāsu gredzeni: sarkans un zils, kas atspoguļo pozitīvo un negatīva nozīme elektrona spins.

"Modelis ar viļņu seju" (10. att.) ir līdzīgs "gredzenveida" modelim ar atšķirību, ka katrs atoma elektrons ir attēlots ar "viļņu" gredzenu, kurā ir vesels viļņu skaits (kā ierosināja L. de Broglie).

Elektronu apvalka elektronu mijiedarbību uz šī atoma modeļa parāda zilā un sarkanā "viļņa" gredzena saskares punktu sakritība ar stāvviļņu mezgliem.

Atomu modeļiem ir tiesības pastāvēt un pielietojuma robežas. Jebkurš atoma modelis ir tuvinājums, kas vienkāršotā veidā atspoguļo noteiktu zināšanu daļu par atomu. Bet neviens no modeļiem pilnībā neatspoguļo atoma vai to veidojošo daļiņu īpašības.

Daudzi modeļi mūsdienās ir tikai vēsturiski interesanti. Veidojot mikropasaules objektu modeļus, zinātnieki paļāvās uz to, ko var tieši novērot. Tādā veidā parādījās Perrina un Rezerforda (analoģija ar Saules sistēmas uzbūvi), Nagaoka (sava ​​veida planēta Saturns), Tomsona ("rozīņu pudiņš") modeļi. Dažas idejas tika atmestas (Lenarda dinamiskais modelis), citas pēc kāda laika tika apskatītas atkārtoti, taču jaunā, augstākā līmenī. teorētiskais līmenis: Perrina un Kelvina modeļi tika izstrādāti Rezerforda un Tomsona modeļos. Idejas par atoma uzbūvi tiek nepārtraukti pilnveidotas. Cik precīzs ir modernais - "kvantu mehāniskais" modelis - rādīs laiks. Tāpēc spirāles augšpusē ir uzzīmēta jautājuma zīme, kas simbolizē izziņas ceļu (7. att.).

Tie kļuva par nozīmīgu soli fizikas attīstībā. Rezerforda modelim bija liela nozīme. Atoms kā sistēma un daļiņas, kas to veido, ir pētītas precīzāk un detalizētāk. Tas noveda pie tādas zinātnes kā kodolfizikas veiksmīgas attīstības.

Senie priekšstati par matērijas uzbūvi

Pieņēmums, ka apkārtējie ķermeņi sastāv no mazākajām daļiņām, tika izteikts senos laikos. Tā laika domātāji atomu attēloja kā mazāko un nedalāmo jebkuras vielas daļiņu. Viņi apgalvoja, ka Visumā nav nekā mazāka par atomu. Šādiem uzskatiem bija lielie sengrieķu zinātnieki un filozofi - Demokrits, Lukrēcijs, Epikūrs. Šo domātāju hipotēzes mūsdienās ir apvienotas ar nosaukumu "senais atomisms".

Viduslaiku izrādes

Senatnes laiki ir pagājuši, un viduslaikos bija arī zinātnieki, kas izteica dažādus pieņēmumus par vielu uzbūvi. Tomēr reliģisko filozofisko uzskatu pārsvars un baznīcas spēks tajā vēstures periodā sagrāva visus cilvēka prāta mēģinājumus un tiekšanos pēc materiālistiskiem zinātniskiem secinājumiem un atklājumiem. Kā zināms, viduslaiku inkvizīcija pret tā laika zinātniskās pasaules pārstāvjiem izturējās ļoti nedraudzīgi. Atliek vien piebilst, ka toreizējiem gaišajiem prātiem bija no senatnes nākusi priekšstats par atoma nedalāmību.

Pētījumi 18. un 19. gadsimtā

18. gadsimts iezīmējās ar nopietniem atklājumiem matērijas elementārās uzbūves jomā. Lielā mērā pateicoties tādu zinātnieku kā Antuāna Lavuazjē, Mihaila Lomonosova un neatkarīgi viens no otra pūliņiem, viņi spēja pierādīt, ka atomi patiešām pastāv. Bet jautājums par viņiem iekšējā struktūra palika atvērts. 18. gadsimta beigas iezīmējās ar tādām nozīmīgs notikums iekšā zinātniskā pasaule, kā D. I. Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskās sistēmas atklājums. Tas bija patiesi spēcīgs tā laika izrāviens un pacēla plīvuru pār sapratni, ka visiem atomiem ir viena daba, ka tie ir saistīti viens ar otru. Vēlāk, 19. gadsimtā, vēl viens svarīgs solis ceļā uz atoma struktūras atšķetināšanu bija pierādījums, ka jebkurā no tiem ir elektrons. Šī perioda zinātnieku darbs sagatavoja auglīgu augsni 20. gadsimta atklājumiem.

Tomsona eksperimenti

Angļu fiziķis Džons Tomsons 1897. gadā pierādīja, ka atomu sastāvā ir elektroni ar negatīvu lādiņu. Šajā posmā galīgi tika iznīcinātas maldīgās idejas, ka atoms ir jebkuras vielas dalāmības robeža. Kā Tomsonam izdevās pierādīt elektronu esamību? Zinātnieks savos eksperimentos ievietoja elektrodus ļoti retinātās gāzēs un izturēja elektrība. Rezultāts bija katoda stari. Tomsons rūpīgi pētīja to īpašības un atklāja, ka tās ir lādētu daļiņu plūsma, kas pārvietojas lielā ātrumā. Zinātnieks spēja aprēķināt šo daļiņu masu un to lādiņu. Viņš arī uzzināja, ka tās nevar pārvērst neitrālās daļiņās, jo elektriskais lādiņš ir viņu rakstura pamatā. Tāds bija arī Tomsons un pasaulē pirmā atoma uzbūves modeļa radītājs. Pēc viņas domām, atoms ir pozitīvi lādētu vielu kopums, kurā negatīvi lādēti elektroni ir vienmērīgi sadalīti. Šī struktūra izskaidro atomu vispārējo neitralitāti, jo pretējie lādiņi līdzsvaro viens otru. Džona Tomsona eksperimenti kļuva nenovērtējami turpmākajā atoma struktūras izpētē. Tomēr daudzi jautājumi palika neatbildēti.

Rezerforda pētījumi

Tomsons atklāja elektronu esamību, taču viņam neizdevās atrast atomā pozitīvi lādētas daļiņas. laboja šo pārpratumu 1911. gadā. Eksperimentu laikā, pētot alfa daļiņu aktivitāti gāzēs, viņš atklāja, ka atomā ir pozitīvi lādētas daļiņas. Rezerfords redzēja, ka tad, kad stari iziet cauri gāzei vai plānai metāla plāksnei, neliels skaits daļiņu krasi novirzās no kustības trajektorijas. Tie tika burtiski izmesti atpakaļ. Zinātnieks uzminēja, ka šāda uzvedība ir saistīta ar sadursmi ar pozitīvi lādētām daļiņām. Šādi eksperimenti ļāva fiziķim izveidot Ratherforda atoma struktūras modeli.

planētu modelis

Tagad zinātnieka idejas nedaudz atšķīrās no Džona Tomsona pieņēmumiem. Arī viņu atomu modeļi kļuva atšķirīgi. ļāva viņam šajā jomā izveidot pilnīgi jaunu teoriju. Zinātnieka atklājumi bija izšķiroši tālākai attīstībai fizika. Rezerforda modelis apraksta atomu kā kodolu, kas atrodas centrā, un elektronus, kas pārvietojas ap to. Kodolam ir pozitīvs lādiņš, un elektroniem ir negatīvs lādiņš. Rezerforda atoma modelis pieņēma elektronu rotāciju ap kodolu pa noteiktām trajektorijām – orbītām. Zinātnieka atklājums palīdzēja izskaidrot alfa daļiņu novirzes iemeslu un kļuva par stimulu atoma kodolenerģijas teorijas attīstībai. Rezerforda atoma modelī ir līdzība ar Saules sistēmas planētu kustību ap sauli. Šis ir ļoti precīzs un spilgts salīdzinājums. Tāpēc Rezerforda modeli, kurā atoms pārvietojas ap kodolu orbītā, sauca par planetāro.

Nīlsa Bora darbi

Divus gadus vēlāk dāņu fiziķis Nīlss Bors mēģināja apvienot idejas par atoma struktūru ar kvantu īpašībām. gaismas plūsma. kodolmodelis Rezerforda atomu zinātnieki izvirzīja par viņa pamatu jauna teorija. Pēc Bora domām, atomi riņķo ap kodolu apļveida orbītā. Šāda kustības trajektorija noved pie elektronu paātrinājuma. Turklāt šo daļiņu Kulona mijiedarbību ar atoma centru pavada enerģijas radīšana un patēriņš, lai uzturētu telpisko. elektromagnētiskais lauks elektronu kustības dēļ. Šādos apstākļos negatīvi lādētām daļiņām kādu dienu jānokrīt uz kodolu. Bet tas nenotiek, kas norāda uz lielāku atomu kā sistēmu stabilitāti. Nīls Bors saprata, ka klasiskās termodinamikas likumi, kas aprakstīti Maksvela vienādojumos, nedarbojas intraatomiskos apstākļos. Tāpēc zinātnieks izvirzīja sev uzdevumu iegūt jaunus modeļus, kas būtu derīgi pasaulē elementārdaļiņas.

Bora postulāti

Lielā mērā pateicoties tam, ka Rezerforda modelis pastāvēja, atoms un tā sastāvdaļas bija labi izpētītas, Nīls Bors varēja tuvoties savu postulātu radīšanai. Pirmais no tiem saka, ka atomam ir, kurā tas nemaina savu enerģiju, savukārt elektroni pārvietojas orbītā, nemainot savu trajektoriju. Saskaņā ar otro postulātu, kad elektrons pārvietojas no vienas orbītas uz otru, enerģija tiek atbrīvota vai absorbēta. Tas ir vienāds ar atšķirību starp atoma iepriekšējo un nākamo stāvokļu enerģiju. Šajā gadījumā, ja elektrons lec uz orbītu, kas ir tuvāk kodolam, tad notiek starojums un otrādi. Neskatoties uz to, ka elektronu kustībai ir maz līdzības ar orbītas trajektoriju, kas atrodas stingri aplī, Bora atklājums sniedza lielisku skaidrojumu līniju spektra esamībai.Apmēram tajā pašā laikā Vācijā dzīvoja fiziķi Hercs un Frenks. , apstiprināja Nīla Bora teoriju par stacionāru, stabilu atoma stāvokļu esamību un iespēju mainīt atomu enerģijas vērtības.

Divu zinātnieku sadarbība

Starp citu, Rezerfords ilgu laiku nevarēja noteikt Zinātnieki Marsdens un Geigers mēģināja vēlreiz pārbaudīt Ernesta Raterforda apgalvojumus un detalizētu un rūpīgu eksperimentu un aprēķinu rezultātā nonāca pie secinājuma, ka kodols ir vissvarīgākā atoma īpašība, un tajā ir koncentrēts viss tā lādiņš. Vēlāk tika pierādīts, ka kodola lādiņa vērtība ir skaitliski vienāda ar elementa kārtas numuru periodiska sistēma D. I. Mendeļejeva elementi. Interesanti, ka Nīls Bors drīz tikās ar Rezerfordu un pilnībā piekrita viņa uzskatiem. Pēc tam zinātnieki ilgu laiku strādāja kopā vienā laboratorijā. Rezerforda modelis, atoms kā sistēma, kas sastāv no elementārām lādētām daļiņām – visu to Nīlss Bors uzskatīja par godīgu un uz visiem laikiem nolika malā savu elektroniskais modelis. Locītava zinātniskā darbība zinātnieki bija ļoti veiksmīgi un ir nesis augļus. Katrs no viņiem iedziļinājās elementārdaļiņu īpašību izpētē un veica nozīmīgus atklājumus zinātnei. Vēlāk Raterfords atklāja un pierādīja kodolieroču sadalīšanās iespējamību, taču šī ir cita raksta tēma.

Detaļas Kategorija: Atoma un atoma kodola fizika Ievietots 2016.03.10. 18:27 Skatījumi: 4106

Senie grieķu un senie Indijas zinātnieki un filozofi uzskatīja, ka visas vielas mums apkārt sastāv no sīkām daļiņām, kas nedalās.

Viņi bija pārliecināti, ka pasaulē nav nekā, kas būtu mazāks par šīm daļiņām, kuras viņi sauca atomi . Un patiešām vēlāk atomu esamību pierādīja tādi slaveni zinātnieki kā Antuāns Lavuazjē, Mihails Lomonosovs, Džons Daltons. Atoms tika uzskatīts par nedalāmu līdz 19. gadsimta beigām - 20. gadsimta sākumam, kad izrādījās, ka tas tā nav.

Elektrona atklāšana. Tomsona atoma modelis

Džozefs Džons Tomsons

1897. gadā angļu fiziķis Džozefs Džons Tomsons, eksperimentāli pētot katodstaru uzvedību magnētiskajos un elektriskie lauki, noskaidroja, ka šie stari ir negatīvi lādētu daļiņu plūsma. Šo daļiņu kustības ātrums bija mazāks par gaismas ātrumu. Tāpēc viņiem bija masa. No kurienes viņi radās? Zinātnieks ierosināja, ka šīs daļiņas ir daļa no atoma. Viņš viņus sauca asinsķermenīši . Vēlāk viņus sauca elektroni . Tādējādi elektrona atklāšana pielika punktu atoma nedalāmības teorijai.

Tomsona atoma modelis

Tomsons ierosināja pirmo elektronisko atoma modeli. Saskaņā ar to atoms ir sfēra, kuras iekšpusē atrodas lādēta viela, kuras pozitīvais lādiņš ir vienmērīgi sadalīts visā tilpumā. Un šajā vielā, tāpat kā rozīnēs bulciņā, ir mijas elektroni. Kopumā atoms ir elektriski neitrāls. Šo modeli sauca par "plūmju pudiņa modeli".

Taču Tomsona modelis izrādījās nepareizs, kas tika pierādīts britu fiziķis Sers Ernests Rezerfords.

Rezerforda pieredze

Ernests Rezerfords

Kā patiesībā ir sakārtots atoms? Rezerfords sniedza atbildi uz šo jautājumu pēc sava eksperimenta, ko veica 1909. gadā kopā ar vācu fiziķi Hansu Geigeru un jaunzēlandiešu fiziķi Ernstu Marsdenu.

Rezerforda pieredze

Eksperimenta mērķis bija izpētīt atomu ar alfa daļiņu palīdzību, kuru fokusēts stars, lidojot lielā ātrumā, tika novirzīts uz plānāko zelta foliju. Aiz folijas bija luminiscējošs ekrāns. Kad daļiņas ar to sadūrās, parādījās uzplaiksnījumi, kurus varēja novērot mikroskopā.

Ja Tomsonam ir taisnība un atomu veido elektronu mākonis, tad daļiņām vajadzētu viegli lidot cauri folijai, nenovirzoties. Tā kā alfa daļiņas masa aptuveni 8000 reižu pārsniedza elektrona masu, elektrons nevarēja uz to iedarboties un novirzīt savu trajektoriju lielā leņķī, tāpat kā 10 g oļu nevarēja mainīt braucošas automašīnas trajektoriju.

Bet praksē viss izrādījās savādāk. Lielākā daļa daļiņu faktiski lidoja caur foliju, praktiski nenovirzoties vai novirzoties nelielā leņķī. Bet dažas daļiņas diezgan ievērojami novirzījās vai pat atlēca atpakaļ, it kā viņu ceļā būtu kāds šķērslis. Kā teica pats Razerfords, tas bija tik neticami, it kā 15 collu šāviņš atspētu no salvešu papīra gabala.

Kas lika dažām alfa daļiņām tik ļoti mainīt virzienu? Zinātnieks ierosināja, ka iemesls tam bija atoma daļa, kas koncentrēta ļoti mazā tilpumā un ar pozitīvu lādiņu. Viņš viņu nosauca atoma kodols.

Rezerforda planētas atoma modelis

Rezerforda atoma modelis

Rezerfords nonāca pie secinājuma, ka atoms sastāv no blīva pozitīvi lādēta kodola, kas atrodas atoma centrā, un elektroniem, kuriem ir negatīvs lādiņš. Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta kodolā. Kopumā atoms ir neitrāls. Kodola pozitīvais lādiņš ir vienāds ar visu atomā esošo elektronu negatīvo lādiņu summu. Bet elektroni nav iegulti kodolā, kā Tomsona modelī, bet griežas ap to tāpat kā planētas ap sauli. Elektronu rotācija notiek Kulona spēka iedarbībā, kas uz tiem iedarbojas no kodola. Elektronu griešanās ātrums ir milzīgs. Virs serdes virsmas tie veido sava veida mākoni. Katram atomam ir savs elektronu mākonis, negatīvi lādēts. Šī iemesla dēļ viņi "nelīp kopā", bet atbaida viens otru.

Tā kā Rezerforda modelis ir līdzīgs Saules sistēmai, to sauca par planētu.

Kāpēc atoms pastāv

Tomēr Rezerforda atoma modelis nespēja izskaidrot, kāpēc atoms ir tik stabils. Galu galā, saskaņā ar klasiskās fizikas likumiem, elektrons, kas rotē orbītā, pārvietojas ar paātrinājumu, tāpēc tas izstaro elektromagnētiskie viļņi un zaudē enerģiju. Galu galā šai enerģijai ir jāizbeidzas, un elektronam jāiekrīt kodolā. Ja tas tā būtu, atoms varētu pastāvēt tikai 10–8 sekundes. Bet kāpēc tas nenotiek?

Šīs parādības iemeslu vēlāk skaidroja dāņu fiziķis Nīls Bors. Viņš ierosināja, ka elektroni atomā pārvietojas tikai fiksētās orbītās, kuras sauc par "atļautajām orbītām". Atrodoties uz tiem, tie neizstaro enerģiju. Un enerģijas emisija vai absorbcija notiek tikai tad, kad elektrons pārvietojas no vienas atļautās orbītas uz otru. Ja šī ir pāreja no attālas orbītas uz tuvāku kodolam, tad tiek izstarota enerģija un otrādi. Starojums notiek pa daļām, kuras sauc kvanti.

Lai gan Rezerforda aprakstītais modelis nevarēja izskaidrot atoma stabilitāti, tas ļāva ievērojami progresēt tā struktūras izpētē.

Atomu planētu modelis

Atomu planētu modelis: kodols (sarkans) un elektroni (zaļš)

Atomu planētu modelis, vai Rezerforda modelis, - atoma uzbūves vēsturiskais modelis, kuru ierosināja Ernests Raterfords eksperimenta ar alfa daļiņu izkliedes rezultātā. Pēc šī modeļa atoms sastāv no maza pozitīvi lādēta kodola, kurā ir koncentrēta gandrīz visa atoma masa, ap kuru pārvietojas elektroni, tāpat kā planētas pārvietojas ap sauli. Atoma planetārais modelis atbilst mūsdienu priekšstatiem par atoma uzbūvi, ņemot vērā to, ka elektronu kustībai ir kvantu raksturs un to neapraksta klasiskās mehānikas likumi. Vēsturiski Rezerforda planetārais modelis aizstāja Džozefa Džona Tomsona "plūmju pudiņa modeli", kas postulē, ka negatīvi lādēti elektroni atrodas pozitīvi lādētā atomā.

Rezerfords ierosināja jaunu atoma struktūras modeli 1911. gadā kā secinājumu no eksperimenta par alfa daļiņu izkliedi uz zelta folijas, kas tika veikts viņa vadībā. Ar šo izkliedi negaidīti liels skaits alfa daļiņas tika izkliedētas lielos leņķos, kas liecināja, ka izkliedes centrā ir mazs izmērs un tajā ir ievērojams elektriskais lādiņš. Rezerforda aprēķini parādīja, ka izkliedes centram, kas ir pozitīvi vai negatīvi lādēts, jābūt vismaz 3000 reižu mazāks izmērs atoms, kas tobrīd jau bija zināms un tika lēsts apmēram 10 -10 m Tā kā tajā laikā elektroni jau bija zināmi, un tika noteikta to masa un lādiņš, tad izkliedes centram, ko vēlāk sauca par kodolu ir bijis pretējs lādiņš elektroniem. Rezerfords nesaistīja lādiņa daudzumu ar atomskaitli. Šāds secinājums tika izdarīts vēlāk. Un pats Rutherfords ierosināja, ka lādiņš ir proporcionāls atomu masai.

Planētu modeļa trūkums bija tā nesaderība ar klasiskās fizikas likumiem. Ja elektroni pārvietojas ap kodolu kā planēta ap Sauli, tad to kustība tiek paātrināta, un tāpēc saskaņā ar klasiskās elektrodinamikas likumiem tiem vajadzētu izstarot elektromagnētiskos viļņus, zaudēt enerģiju un krist uz kodolu. Nākamais solis planētu modeļa izstrādē bija Bora modelis, kas postulēja citus, no klasiskajiem atšķirīgus elektronu kustības likumus. Pilnīgi elektrodinamikas pretrunas spēja atrisināt kvantu mehāniku.

Wikimedia fonds. 2010 .

• Eise Eisingi planetārijs
• planētu fantāzija

Skatiet, kas ir "Atomu planētu modelis" citās vārdnīcās:

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

Bora atoma modelis- Bora modelis ūdeņradim līdzīgam atomam (Z kodola lādiņš), kur negatīvi lādēts elektrons ir ietverts atoma apvalkā, kas ieskauj mazu, pozitīvi lādētu atoma kodolu ... Wikipedia

Modelis (zinātnē)- Modelis (franču modèle, itāļu modelo, no latīņu moduļa mērs, mērs, paraugs, norma), 1) paraugs, kas kalpo kā standarts (standarts) sērijveida vai masveida pavairošanai (M. auto, M. apģērbi u.c.). ), kā arī jebkura veida, zīmola ... ...

Modelis- I modelis (modelis) Valters (1891. gada 24. janvārī Džentinā, Austrumprūsijā, 1945. gada 21. aprīlī netālu no Duisburgas), nacistiskās Vācijas ģenerālfeldmaršals (1944). Armijā no 1909. gada, piedalījies 1914. gada 1. pasaules karā 18. No 1940. gada novembra komandējis 3. tanku ... ... Lielā padomju enciklopēdija

ATOMA UZBŪVE- (skat.) ir veidots no trīs veidu elementārdaļiņām (sk.), (sk.) un (sk.), veidojot stabilu sistēmu. Protons un neitrons ir atoma daļa (sk.), elektroni veido elektronu apvalku. Spēki darbojas kodolā (sk.), pateicoties kuriem ... ... Lielā Politehniskā enciklopēdija

Atom- Šim terminam ir arī citas nozīmes, skatiet Atom (nozīmes). Hēlija atoms Atom (no citām grieķu ... Wikipedia

Razerfords Ernests- (1871 1937), angļu fiziķis, viens no radioaktivitātes teorijas un atoma uzbūves radītājiem, dibinātājs zinātniskā skola, Krievijas Zinātņu akadēmijas ārvalstu korespondentloceklis (1922) un PSRS Zinātņu akadēmijas goda loceklis (1925). Dzimis Jaunzēlandē, absolvējis...... enciklopēdiskā vārdnīca

Άτομο

korpuskulis- Hēlija atoms Atoms (cits grieķu ἄτομος nedalāms) ir ķīmiskā elementa mazākā daļa, kas ir tā īpašību nesējs. Atoms sastāv no atoma kodola un elektronu mākoņa, kas to ieskauj. Atoma kodols sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un ... ... Wikipedia

asinsķermenīši- Hēlija atoms Atoms (cits grieķu ἄτομος nedalāms) ir ķīmiskā elementa mazākā daļa, kas ir tā īpašību nesējs. Atoms sastāv no atoma kodola un elektronu mākoņa, kas to ieskauj. Atoma kodols sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un ... ... Wikipedia

Grāmatas

• Galdu komplekts. Fizika. 11. klase (15 tabulas), . Izglītojošs albums ar 15 lapām. Transformators. Elektromagnētiskā indukcija iekšā modernās tehnoloģijas. Elektroniskās lampas. Katodstaru lampa. Pusvadītāji. pusvadītāju diode. Tranzistors...

Lekcija: Atomu planētu modelis

Atoma struktūra

Visprecīzākais veids, kā noteikt jebkuras vielas struktūru, ir spektrālā analīze. Katra elementa atoma starojums ir tikai individuāls. Tomēr, pirms izprotam, kā notiek spektrālā analīze, noskaidrosim, kāda ir jebkura elementa atoma struktūra.

Pirmo pieņēmumu par atoma uzbūvi sniedza J. Tomsons. Šis zinātnieks jau ilgu laiku ir pētījis atomus. Turklāt tieši viņam pieder elektrona atklājums, par ko viņš saņēma Nobela prēmija. Tomsona piedāvātajam modelim nebija nekāda sakara ar realitāti, bet tas bija pietiekami spēcīgs stimuls Razerfordam izpētīt atoma struktūru. Tomsona piedāvāto modeli sauca par "rozīņu pudiņu".

Tomsons uzskatīja, ka atoms ir cieta bumba ar negatīvu elektrisko lādiņu. Lai to kompensētu, elektroni ir iemaisīti bumbiņā, piemēram, rozīnēs. Rezumējot, elektronu lādiņš sakrīt ar visa kodola lādiņu, kas padara atomu neitrālu.

Pētot atoma uzbūvi, tika noskaidrots, ka visi atomi iekšā cietvielas apņemties svārstīgas kustības. Un, kā zināms, jebkura kustīga daļiņa izstaro viļņus. Tāpēc katram atomam ir savs spektrs. Taču šie apgalvojumi nekādi neiederējās Tomsona modelī.

Rezerforda pieredze

Lai apstiprinātu vai atspēkotu Tomsona modeli, Rezerfords ierosināja eksperimentu, kura rezultātā alfa daļiņas bombardēja kāda elementa atomu. Šī eksperimenta rezultātā bija svarīgi redzēt, kā daļiņa uzvedīsies.

Alfa daļiņas tika atklātas rādija radioaktīvās sabrukšanas rezultātā. Viņu plūsmas bija alfa stari, kuru katrai daļiņai bija pozitīvs lādiņš. Daudzu pētījumu rezultātā tika noskaidrots, ka alfa daļiņa ir kā hēlija atoms, kurā nav elektronu. Izmantojot pašreizējās zināšanas, mēs zinām, ka alfa daļiņa ir hēlija kodols, savukārt Rezerfords uzskatīja, ka tie ir hēlija joni.

Katrai alfa daļiņai bija milzīga enerģija, kā rezultātā tā varēja lidot pie attiecīgajiem atomiem liels ātrums. Tāpēc eksperimenta galvenais rezultāts bija daļiņu novirzes leņķa noteikšana.

Eksperimentam Rezerfords izmantoja plānu zelta foliju. Viņš vērsa uz to ātrgaitas alfa daļiņas. Viņš pieļāva, ka šī eksperimenta rezultātā visas daļiņas lidos cauri folijai, turklāt ar nelielām novirzēm. Taču, lai par to pārliecinātos, viņš saviem skolēniem lika pārbaudīt, vai šajās daļiņās nav lielas novirzes.

Eksperimenta rezultāts pārsteidza pilnīgi visus, jo daudzas daļiņas ne tikai novirzījās par pietiekami lielu leņķi – daži novirzes leņķi sasniedza vairāk nekā 90 grādus.

Šie rezultāti pārsteidza pilnīgi visus, Raterfords stāstīja, ka bija sajūta, ka šāviņu ceļā būtu ievietots papīrs, kas neļāva alfa daļiņai iekļūt iekšā, kā rezultātā tā pagriezās atpakaļ.

Ja atoms būtu patiešām ciets, tad tam vajadzētu būt elektriskais lauks, kas palēnināja daļiņu. Tomēr ar laukuma spēku nepietika, lai viņu pilnībā apturētu, nemaz nerunājot par atgrūšanu. Tas nozīmē, ka Tomsona modelis tika atspēkots. Tāpēc Rutherford sāka strādāt pie jauna modeļa.

Rezerforda modelis

Lai iegūtu šādu eksperimenta rezultātu, ir nepieciešams koncentrēt pozitīvo lādiņu mazākā daudzumā, kā rezultātā rodas lielāks elektriskais lauks. Pēc lauka potenciāla formulas var noteikt nepieciešamais izmērs pozitīva daļiņa, kas varētu atvairīt alfa daļiņu pretējā virzienā. Tās rādiusam ir jābūt no maksimālā 10-15 m. Tāpēc Rezerfords ierosināja atoma planētu modeli.

Šis modelis ir nosaukts tā iemesla dēļ. Fakts ir tāds, ka atoma iekšpusē ir pozitīvi uzlādēts kodols, kas līdzīgs Saulei Saules sistēmā. Elektroni riņķo ap kodolu kā planētas. Saules sistēma ir veidota tā, lai planētas tiktu piesaistītas Saulei ar palīdzību gravitācijas spēki tomēr tie nenokrīt uz Saules virsmas pieejamā ātruma dēļ, kas tos notur savā orbītā. Tas pats notiek ar elektroniem – Kulona spēki piesaista elektronus kodolam, bet rotācijas dēļ tie nenokrīt uz kodola virsmas.

Pilnīgi pareizs izrādījās viens Tomsona pieņēmums – kopējais elektronu lādiņš atbilst kodola lādiņam. Taču spēcīgas mijiedarbības rezultātā elektroni var tikt izsisti no savas orbītas, kā rezultātā lādiņš netiek kompensēts un atoms pārvēršas par pozitīvi lādētu jonu.

Ļoti svarīga informācija par atoma struktūru ir tāda, ka gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta kodolā. Piemēram, ūdeņraža atomam ir tikai viens elektrons, kura masa ir vairāk nekā pusotru tūkstoti reižu mazāka par kodola masu.