Ce model de structură a atomului a propus Rutherford. Câteva modele istorice și moderne ale atomului

Modelele istorice1 ale atomului reflectă nivelurile de cunoaștere corespunzătoare unei anumite perioade în dezvoltarea științei.

Prima etapă în dezvoltarea modelelor atomice a fost caracterizată prin absența datelor experimentale cu privire la structura sa.

Explicând fenomenele microcosmosului, oamenii de știință au căutat analogii în macrocosmos, bazându-se pe legile mecanicii clasice.

J. Dalton, creatorul atomismului chimic (1803), a presupus că atomii acelorași element chimic sunt aceleași particule sferice cele mai mici și, prin urmare, indivizibile.

Fizicianul francez Jean Baptiste Perrin (1901) a propus un model care anticipa de fapt modelul „planetar”. Conform acestui model, în centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia electronii încărcați negativ se mișcă pe anumite orbite, precum planetele din jurul Soarelui. Modelul Perrin nu a atras atenția oamenilor de știință, deoarece a dat doar o caracteristică calitativă, dar nu cantitativă, a atomului (în Fig. 7, acest lucru este arătat de discrepanța dintre sarcina nucleului atomic și numărul de electroni).

În 1902, fizicianul englez William Thomson (Kelvin) a dezvoltat ideea unui atom ca o particulă sferică încărcată pozitiv, în interiorul căreia oscilează electronii încărcați negativ (radiază și absorb energie). Kelvin a atras atenția asupra faptului că numărul de electroni este egal cu sarcina pozitivă a sferei, prin urmare, în general, atomul nu are sarcină electrică (Fig. 7).

Un an mai târziu, fizicianul german Philipp Lenard a propus un model conform căruia atomul este o sferă goală, în interiorul căreia se află dipoli electrici (dinamide). Volumul ocupat de acești dipoli este mult mai mic decât volumul sferei, iar partea principală a atomului este goală.

Conform ideilor fizicianului japonez Gontaro (Hantaro) Nagaoka (1904), un nucleu încărcat pozitiv este situat în centrul atomului, iar electronii se mișcă în spațiu în jurul nucleului în inele plate asemănătoare cu inelele planetei Saturn (acest modelul a fost numit atomul „saturnian”). Majoritatea oamenilor de știință nu au acordat atenție ideilor lui Nagaoka, deși ei au într-o oarecare măsură ceva în comun cu ideea modernă a orbitalului atomic.

Niciunul dintre modelele luate în considerare (Fig. 7) nu a explicat modul în care proprietățile elementelor chimice sunt legate de structura atomilor lor.

Orez. 7. Câteva modele istorice ale atomului

În 1907, J. J. Thomson a propus un model static al structurii atomului, reprezentând atomul ca o particulă sferică încărcată cu electricitate pozitivă, în care electronii încărcați negativ sunt distribuiți uniform ( model"budincă", Fig. 7).

Calculele matematice au arătat că electronii dintr-un atom trebuie să fie localizați pe inele aranjate concentric. Thomson a făcut foarte mult concluzie importantă: motivul modificării periodice a proprietăților elementelor chimice este asociat cu caracteristicile structura electronica atomii lor. Datorită acestui fapt, modelul atomic al lui Thomson a fost foarte apreciat de contemporanii săi. Cu toate acestea, nu a explicat anumite fenomene, de exemplu, împrăștierea particulelor α în timpul trecerii lor prin placa metalica.

Pe baza ideilor sale despre atom, Thomson a derivat o formulă pentru calcularea abaterii medii a particulelor α, iar acest calcul a arătat că probabilitatea de împrăștiere a unor astfel de particule la unghiuri mari este aproape de zero. Cu toate acestea, s-a dovedit experimental că aproximativ una din opt mii de particule alfa care cad pe folia de aur este deviată printr-un unghi mai mare de 90°. Acest lucru a contrazis modelul lui Thomson, care presupunea abateri doar la unghiuri mici.

Ernest Rutherford, rezumând datele experimentale, în 1911 a propus un model „planetar” (numit uneori „nuclear”) al structurii atomului, conform căruia 99,9% din masa atomului și sarcina lui pozitivă sunt concentrate într-un nucleu foarte mic, iar electronii încărcați negativ, numărul care este egal cu sarcina nucleului, se învârt în jurul lui, ca planetele sistemului solar1 (Fig. 7).

Rutherford, împreună cu studenții săi, au pus la punct experimente care au făcut posibilă investigarea structurii atomului (Fig. 8). Un flux de particule încărcate pozitiv (particule α) a fost direcționat către suprafața unei folii subțiri de metal (aur) 2 de la o sursă de radiație radioactivă 1. Pe drumul lor, a fost instalat un ecran fluorescent 3, care a făcut posibilă observarea direcției de mișcare ulterioară a particulelor α.

Orez. 8. Experiența lui Rutherford

S-a constatat că majoritatea particulelor α au trecut prin folie, practic fără a-și schimba direcția. Doar particulele individuale (în medie una din zece mii) au fost deviate și au zburat aproape în direcția opusă. S-a ajuns la concluzia că cea mai mare parte a masei atomului este concentrată în nucleul încărcat pozitiv, motiv pentru care particulele α sunt atât de puternic deviate (Fig. 9).

Orez. 9. Imprăștirea particulelor α de către un nucleu atomic

Electronii care se deplasează într-un atom, în conformitate cu legile electromagnetismului, trebuie să radieze energie și, pierzând-o, să fie atrași de nucleul încărcat opus și, prin urmare, să „cadă” peste el. Acest lucru ar trebui să ducă la dispariția atomului, dar întrucât acest lucru nu s-a întâmplat, s-a ajuns la concluzia că acest model este inadecvat.

La începutul secolului al XX-lea, fizicianul german Max Planck și fizicianul teoretician Albert Einstein au creat teoria cuantică a luminii. Conform acestei teorii, energia radiantă, cum ar fi lumina, este emisă și absorbită nu continuu, ci în porțiuni separate (quanta). Mai mult, valoarea cuantumului de energie nu este aceeași pentru diferite radiații și este proporțională cu frecvența oscilațiilor undei electromagnetice: E = hν, unde h – Constanta lui Planck egală cu 6,6266 10 -34 J s, ν este frecvența radiației. Această energie este transportată de particule de lumină - fotonii.

În încercarea de a combina în mod artificial legile mecanicii clasice și teoria cuantică, fizicianul danez Niels Bohr a completat în 1913 modelul atomic al lui Rutherford cu două postulate despre o schimbare treptată (discretă) a energiei electronilor dintr-un atom. Bohr credea că un electron dintr-un atom de hidrogen poate fi localizat doar pe un loc bine definit orbite staționare, ale căror raze sunt legate între ele ca pătrate numere naturale (1 2: 2 2: 3 2: ... :p 2). Electronii se mișcă în jur nucleul atomic pe orbite staţionare. Atomul se află într-o stare stabilă, fără să absoarbă sau să emită energie - acesta este primul postulat al lui Bohr. Conform celui de-al doilea postulat, emisia de energie are loc numai atunci când un electron se deplasează pe o orbită mai aproape de nucleul atomic. Când un electron se deplasează pe o orbită mai îndepărtată, energia este absorbită de atom. Acest model a fost îmbunătățit în 1916 de către fizicianul teoretician german Arnold Sommerfeld, care a subliniat mișcarea electronilor de-a lungul orbite eliptice.

model planetar, datorită vizibilității sale și a postulatelor lui Bohr, perioadă lungă de timp folosit pentru a explica fenomenele atomice și moleculare. Cu toate acestea, s-a dovedit că mișcarea unui electron într-un atom, stabilitatea și proprietățile unui atom, în contrast cu mișcarea planetelor și stabilitatea sistemului solar, nu pot fi descrise de legile mecanicii clasice. Această mecanică se bazează pe legile lui Newton, iar subiectul studiului său este mișcarea corpurilor macroscopice, efectuată la viteze care sunt mici în comparație cu viteza luminii. Pentru a descrie structura atomului, este necesar să se aplice conceptele de mecanică cuantică (undă) despre natura undă corpusculară duală a microparticulelor, care au fost formulate în anii 1920 de către fizicienii teoreticieni: francezul Louis de Broglie, germanii Werner Heisenberg și Erwin Schrödinger, englezul Paul Dirac și alții.

În 1924, Louis de Broglie a înaintat ipoteza că electronul are proprietăți de undă (primul principiu al mecanicii cuantice) și a propus o formulă pentru calcularea lungimii de undă a acestuia. Stabilitatea unui atom se explică prin faptul că electronii din el nu se mișcă pe orbite, ci în anumite regiuni ale spațiului din jurul nucleului, numite orbitali atomici. Electronul ocupă aproape întregul volum al atomului și nu poate „cădea pe nucleul” situat în centrul acestuia.

În 1926, Schrödinger, continuând dezvoltarea ideilor lui L. de Broglie despre proprietățile undei ale unui electron, a selectat empiric o ecuație matematică similară cu ecuația vibrației corzilor, care poate fi folosită pentru a calcula energiile de legare ale unui electron într-un atom la diferite niveluri de energie. Această ecuație a devenit ecuația de bază a mecanicii cuantice.

Descoperirea proprietăților de undă ale electronului a arătat că diseminarea cunoștințelor despre macrocosmos către obiectele microcosmosului este ilegală. În 1927, Heisenberg a stabilit că este imposibil să se determine poziția exactă în spațiu a unui electron cu o anumită viteză, prin urmare, ideile despre mișcarea unui electron într-un atom sunt de natură probabilistică (al doilea principiu al mecanicii cuantice).

Modelul mecanic cuantic al atomului (1926) descrie starea atomului în termeni de functii matematiceși nu are expresie geometrică (Fig. 10). Un astfel de model nu ia în considerare natura dinamică a structurii atomului și problema dimensiunii unui electron ca particule. Se crede că electronii ocupă anumite niveluri de energie și emit sau absorb energie în timpul tranzițiilor la alte niveluri. Pe fig. 10 niveluri de energie sunt prezentate schematic ca inele concentrice situate la distanțe diferite de nucleul atomic. Săgețile arată tranzițiile electronilor între niveluri de energieși emisia de fotoni care însoțesc aceste tranziții. Schema este prezentată calitativ și nu reflectă distanțele reale dintre nivelurile de energie, care pot diferi unele de altele de zeci de ori.

În 1931, omul de știință american Gilbert White a propus pentru prima dată o reprezentare grafică a orbitalilor atomici și un model „orbital” al atomului (Fig. 10). Modelele de orbitali atomici sunt folosite pentru a reflecta conceptul de „densitate de electroni” și pentru a demonstra distribuția sarcinii negative în jurul unui nucleu dintr-un atom sau al unui sistem de nuclee atomice dintr-o moleculă.

Orez. 10. Istoric şi modele moderne atom

În 1963, artistul, sculptorul și inginerul american Kenneth Snelson a propus un „model cu fața inelului” al învelișurilor de electroni ale unui atom (Fig. 10), care explică distribuția cantitativă a electronilor dintr-un atom peste învelișurile de electroni stabile. Fiecare electron este modelat de un magnet inel (sau un circuit închis cu un curent electric având un moment magnetic). Magneții inele sunt atrași unul de celălalt și formează forme simetrice din inele - ringhedra. Prezența a doi poli în magneți impune o limitare opțiuni posibile ansambluri de inele. Modelele de învelișuri de electroni stabile sunt cele mai simetrice figuri ale inelelor, compuse ținând cont de prezența proprietăților lor magnetice.

Prezența unui spin într-un electron (vezi Secțiunea 5) este unul dintre principalele motive pentru formarea unor învelișuri stabile de electroni într-un atom. Electronii formează perechi cu spini opuși. Modelul cu fața inelă a unei perechi de electroni, sau a unui orbital atomic umplut, este două inele situate în planuri paralele pe laturile opuse ale nucleului atomic. Când mai mult de o pereche de electroni este situată în apropierea nucleului unui atom, electronii inele sunt forțați să se orienteze reciproc, formând o înveliș de electroni. În acest caz, inelele apropiate au direcții diferite de magnetic linii de forță, care este notat culoare diferita inele reprezentând electronii.

Experimentul cu model arată că cel mai stabil dintre toate modelele posibile cu fața inelă este modelul cu 8 inele. Geometric, modelul este format astfel încât un atom sub formă de sferă a fost împărțit în 8 părți (împărțit de trei ori în jumătate) și ar fi plasat câte un electron inel în fiecare parte. În modelele cu față inelară se folosesc inele de două culori: roșu și albastru, care reflectă pozitiv și sens negativ spin al unui electron.

„Modelul cu fața undă” (Fig. 10) este similar cu modelul „cu fața inelului”, cu diferența că fiecare electron al unui atom este reprezentat de un inel „undă”, care conține un număr întreg de unde (ca propus de L. de Broglie).

Interacțiunea electronilor învelișului de electroni pe acest model de atom este arătată de coincidența punctelor de contact ale inelelor „unde” albastre și roșii cu nodurile undelor staţionare.

Modelele atomului au dreptul de a exista și limitele de aplicare. Orice model al unui atom este o aproximare care reflectă într-o formă simplificată o anumită parte a cunoștințelor despre atom. Dar niciunul dintre modele nu reflectă pe deplin proprietățile atomului sau ale particulelor sale constitutive.

Multe modele de astăzi sunt doar de interes istoric. Când construiau modele de obiecte din microlume, oamenii de știință s-au bazat pe ceea ce poate fi observat direct. Așa au apărut modelele lui Perrin și Rutherford (o analogie cu structura sistemului solar), Nagaoka (un fel de planetă Saturn), Thomson („budinca de stafide”). Unele idei au fost aruncate (modelul dinamic al lui Lenard), altele au fost revăzute după un timp, dar la un nivel nou, mai înalt. nivel teoretic: modelele lui Perrin și Kelvin au fost dezvoltate în modelele lui Rutherford și Thomson. Ideile despre structura atomului sunt în mod constant îmbunătățite. Cât de precis este modelul modern - „mecanic cuantic” - va spune timpul. De aceea, în vârful spiralei este desenat un semn de întrebare, simbolizând calea cunoașterii (Fig. 7).

Au devenit un pas important în dezvoltarea fizicii. Modelul lui Rutherford a fost de mare importanță. Atomul ca sistem și particulele care îl alcătuiesc au fost studiate mai precis și în detaliu. Acest lucru a condus la dezvoltarea cu succes a unei științe precum fizica nucleară.

Idei antice despre structura materiei

Presupunerea că corpurile înconjurătoare sunt compuse din cele mai mici particule a fost făcută în antichitate. Gânditorii de atunci au reprezentat atomul ca fiind cea mai mică și indivizibilă particulă din orice substanță. Ei au susținut că nu există nimic în univers mai mic decât un atom. Astfel de opinii au fost susținute de marii oameni de știință și filozofi greci antici - Democrit, Lucretius, Epicur. Ipotezele acestor gânditori de astăzi sunt unite sub denumirea de „atomism antic”.

Spectacole medievale

Vremurile antichității au trecut, iar în Evul Mediu au existat și oameni de știință care au făcut diverse presupuneri despre structura substanțelor. Cu toate acestea, predominanța viziunilor filozofice religioase și puterea bisericii în acea perioadă a istoriei au zguduit din răsputeri orice încercări și aspirații ale minții umane către concluzii și descoperiri științifice materialiste. După cum știți, Inchiziția medievală s-a comportat foarte neprietenos cu reprezentanții lumii științifice din acea vreme. Rămâne de spus că mințile strălucitoare de atunci au avut o idee venită din antichitate despre indivizibilitatea atomului.

Cercetări în secolele al XVIII-lea și al XIX-lea

Secolul al XVIII-lea a fost marcat de descoperiri serioase în domeniul structurii elementare a materiei. În mare parte datorită eforturilor oamenilor de știință precum Antoine Lavoisier, Mihail Lomonosov și independent unul de celălalt, aceștia au reușit să demonstreze că atomii există cu adevărat. Dar întrebarea despre ei structura interna rămas deschisă. Sfârșitul secolului al XVIII-lea a fost marcat de asemenea eveniment semnificativîn lumea științifică, ca descoperirea de către D. I. Mendeleev a sistemului periodic al elementelor chimice. Aceasta a fost o descoperire cu adevărat puternică a acelei vremuri și a ridicat vălul asupra înțelegerii că toți atomii au o singură natură, că sunt legați între ei. Mai târziu, în secolul al XIX-lea, un alt pas important spre dezlegarea structurii atomului a fost dovada că oricare dintre ele conține un electron. Munca oamenilor de știință din această perioadă a pregătit un teren fertil pentru descoperirile secolului al XX-lea.

experimente Thomson

Fizicianul englez John Thomson a demonstrat în 1897 că compoziția atomilor include electroni cu sarcină negativă. În această etapă, ideile false că atomul este limita divizibilității oricărei substanțe au fost în cele din urmă distruse. Cum a reușit Thomson să demonstreze existența electronilor? Omul de știință în experimentele sale a plasat electrozi în gaze foarte rarefiate și a trecut electricitate. Rezultatul au fost raze catodice. Thomson le-a studiat cu atenție caracteristicile și a descoperit că sunt un flux de particule încărcate care se mișcă cu viteză mare. Omul de știință a reușit să calculeze masa acestor particule și încărcătura lor. De asemenea, a aflat că nu pot fi convertite în particule neutre, deoarece incarcare electrica este baza naturii lor. La fel au fost Thomson și creatorul primului model din lume al structurii atomului. Potrivit ei, un atom este o grămadă de materie încărcată pozitiv, în care electronii încărcați negativ sunt distribuiți uniform. Această structură explică neutralitatea generală a atomilor, deoarece sarcinile opuse se echilibrează reciproc. Experimentele lui John Thomson au devenit de neprețuit pentru continuarea studiului structurii atomului. Cu toate acestea, multe întrebări au rămas fără răspuns.

cercetarea lui Rutherford

Thomson a descoperit existența electronilor, dar nu a reușit să găsească particule încărcate pozitiv în atom. a corectat această neînțelegere în 1911. În timpul experimentelor, studiind activitatea particulelor alfa din gaze, el a descoperit că există particule încărcate pozitiv în atom. Rutherford a văzut că atunci când razele trec printr-un gaz sau printr-o placă metalică subțire, un număr mic de particule deviază brusc de la traiectoria mișcării. Au fost literalmente aruncați înapoi. Omul de știință a ghicit că acest comportament se datorează unei coliziuni cu particule încărcate pozitiv. Astfel de experimente i-au permis fizicianului să creeze modelul lui Rutherford al structurii atomului.

model planetar

Acum, ideile omului de știință erau oarecum diferite de presupunerile făcute de John Thomson. Modelele lor de atomi au devenit și ele diferite. i-a permis să creeze o teorie complet nouă în acest domeniu. Descoperirile omului de știință au fost decisive pentru dezvoltare ulterioară fizică. Modelul lui Rutherford descrie un atom ca un nucleu situat în centru și electronii care se mișcă în jurul lui. Nucleul are o sarcină pozitivă, iar electronii o sarcină negativă. Modelul lui Rutherford al atomului presupunea rotația electronilor în jurul nucleului de-a lungul anumitor traiectorii - orbite. Descoperirea omului de știință a ajutat la explicarea motivului deviației particulelor alfa și a devenit impulsul dezvoltării teoriei nucleare a atomului. În modelul atomic al lui Rutherford, există o analogie cu mișcarea planetelor sistemului solar în jurul soarelui. Aceasta este o comparație foarte precisă și vie. Prin urmare, modelul Rutherford, în care atomul se mișcă în jurul nucleului pe o orbită, a fost numit planetar.

Lucrări de Niels Bohr

Doi ani mai târziu, fizicianul danez Niels Bohr a încercat să combine ideile despre structura atomului cu proprietățile cuantice. flux luminos. model nuclear Atomul lui Rutherford a fost pus de oamenii de știință ca bază al lui noua teorie. Potrivit lui Bohr, atomii se rotesc în jurul nucleului pe orbite circulare. O astfel de traiectorie de mișcare duce la accelerarea electronilor. În plus, interacțiunea Coulomb a acestor particule cu centrul atomului este însoțită de crearea și consumul de energie pentru a menține spațiul spațial. câmp electromagnetic datorită mișcării electronilor. În astfel de condiții, particulele încărcate negativ trebuie să cadă într-o zi pe nucleu. Dar acest lucru nu se întâmplă, ceea ce indică o mai mare stabilitate a atomilor ca sisteme. Niels Bohr a realizat că legile termodinamicii clasice descrise de ecuațiile lui Maxwell nu funcționează în condiții intraatomice. Prin urmare, omul de știință și-a propus sarcina de a deriva noi modele care să fie valabile în lume particule elementare.

postulatele lui Bohr

În mare parte datorită faptului că modelul lui Rutherford a existat, atomul și componentele sale au fost bine studiate, Niels Bohr a putut să se apropie de crearea postulatelor sale. Primul dintre ele spune că un atom are la care nu își schimbă energia, în timp ce electronii se mișcă pe orbite fără a-și schimba traiectoria. Conform celui de-al doilea postulat, atunci când un electron se deplasează de pe o orbită pe alta, energia este eliberată sau absorbită. Este egal cu diferența dintre energiile stărilor anterioare și ulterioare ale atomului. În acest caz, dacă electronul sare pe o orbită mai aproape de nucleu, atunci apare radiația și invers. În ciuda faptului că mișcarea electronilor seamănă puțin cu o traiectorie orbitală situată strict într-un cerc, descoperirea lui Bohr a oferit o explicație excelentă pentru existența unui spectru de linii.Aproape în același timp, fizicienii Hertz și Frank, care au trăit în Germania , a confirmat teoria lui Niels Bohr despre existența stărilor staționare, stabile ale atomului și a posibilității de a schimba valorile energiei atomice.

Colaborarea a doi oameni de știință

Apropo, Rutherford perioadă lungă de timp nu au putut determina Oamenii de știință Marsden și Geiger au încercat să verifice din nou afirmațiile lui Ernest Rutherford și, în urma unor experimente și calcule detaliate și atente, au ajuns la concluzia că nucleul este cea mai importantă caracteristică a atomului și toată sarcina sa este concentrată în el. Ulterior s-a dovedit că valoarea sarcinii nucleului este numeric egală cu numărul ordinal al elementului din sistem periodic elemente ale lui D. I. Mendeleev. Interesant este că Niels Bohr l-a întâlnit curând pe Rutherford și a fost pe deplin de acord cu părerile sale. Ulterior, oamenii de știință au lucrat împreună mult timp în același laborator. Modelul lui Rutherford, atomul ca sistem format din particule încărcate elementare - toate acestea Niels Bohr le considera corecte și le-a lăsat pentru totdeauna deoparte. model electronic. comun activitate științifică oamenii de știință a avut mare succes și a dat roade. Fiecare dintre ei sa adâncit în studiul proprietăților particulelor elementare și a făcut descoperiri semnificative pentru știință. Mai târziu, Rutherford a descoperit și a dovedit posibilitatea descompunerii nucleare, dar acesta este un subiect pentru un alt articol.

Detalii Categoria: Fizica atomului și a nucleului atomic Postat la 03.10.2016 la 18:27 Vizualizări: 4106

Oamenii de știință și filozofii din Grecia antică și din India antică credeau că toate substanțele din jurul nostru constau din particule minuscule care nu se divid.

Erau siguri că nu există nimic pe lume care să fie mai mic decât aceste particule, pe care le numeau atomi . Și, într-adevăr, mai târziu existența atomilor a fost dovedită de oameni de știință celebri precum Antoine Lavoisier, Mihail Lomonosov, John Dalton. Atomul a fost considerat indivizibil până la sfârșitul secolului al XIX-lea - începutul secolului al XX-lea, când s-a dovedit că nu era așa.

Descoperirea electronului. Modelul Thomson al atomului

Joseph John Thomson

În 1897, fizicianul englez Joseph John Thomson, a studiat experimental comportamentul razelor catodice în medii magnetice și câmpuri electrice, a descoperit că aceste raze sunt un flux de particule încărcate negativ. Viteza de mișcare a acestor particule a fost sub viteza luminii. Prin urmare, aveau masă. De unde au venit? Omul de știință a sugerat că aceste particule fac parte din atom. I-a sunat corpusculi . Mai târziu au fost chemați electroni . Astfel, descoperirea electronului a pus capăt teoriei indivizibilității atomului.

Modelul Thomson al atomului

Thomson a propus primul model electronic al atomului. Potrivit acestuia, un atom este o sferă, în interiorul căreia se află o substanță încărcată, a cărei sarcină pozitivă este distribuită uniform în volum. Și în această substanță, ca stafidele într-o chiflă, electronii sunt intercalate. În general, atomul este neutru din punct de vedere electric. Acest model a fost numit „model de budincă de prune”.

Dar modelul lui Thomson s-a dovedit a fi greșit, ceea ce a fost dovedit fizician britanic Sir Ernest Rutherford.

experiența lui Rutherford

Ernest Rutherford

Cum este de fapt aranjat un atom? Rutherford a dat un răspuns la această întrebare după experimentul său, realizat în 1909 împreună cu fizicianul german Hans Geiger și cu fizicianul neozeelandez Ernst Marsden.

experiența lui Rutherford

Scopul experimentului a fost studierea atomului cu ajutorul particulelor alfa, un fascicul focal al căruia, zburând cu mare viteză, era îndreptat către cea mai subțire folie de aur. În spatele foliei era un ecran luminiscent. Când particulele s-au ciocnit cu el, au apărut fulgere care puteau fi observate la microscop.

Dacă Thomson are dreptate, iar atomul este format dintr-un nor de electroni, atunci particulele ar trebui să zboare cu ușurință prin folie fără a fi deviate. Deoarece masa particulei alfa a depășit masa electronului de aproximativ 8000 de ori, electronul nu și-a putut acționa asupra ei și să-și devieze traiectoria la un unghi mare, la fel cum o pietricică de 10 g nu ar putea schimba traiectoria unei mașini în mișcare.

Dar, în practică, totul s-a dovedit diferit. Majoritatea particulelor au zburat de fapt prin folie, practic fără să devieze sau să devieze cu un unghi mic. Dar unele dintre particule s-au abătut destul de semnificativ sau chiar au revenit înapoi, de parcă ar fi existat un fel de obstacol în calea lor. După cum a spus Rutherford însuși, a fost la fel de incredibil ca și cum un proiectil de 15 inci sări de pe o bucată de hârtie absorbantă.

Ce a determinat unele particule alfa să își schimbe atât de mult direcția? Omul de știință a sugerat că motivul pentru aceasta a fost o parte a atomului, concentrată într-un volum foarte mic și având o sarcină pozitivă. A sunat-o nucleul unui atom.

Modelul planetar al atomului lui Rutherford

Modelul Rutherford al atomului

Rutherford a ajuns la concluzia că atomul constă dintr-un nucleu dens încărcat pozitiv situat în centrul atomului și electroni care au o sarcină negativă. Aproape toată masa unui atom este concentrată în nucleu. În general, atomul este neutru. Sarcina pozitivă a nucleului este egală cu suma sarcinilor negative ale tuturor electronilor din atom. Dar electronii nu sunt încorporați în nucleu, ca în modelul lui Thomson, ci se învârt în jurul lui, așa cum planetele se învârt în jurul soarelui. Rotația electronilor are loc sub acțiunea forței Coulomb care acționează asupra lor din nucleu. Viteza de rotație a electronilor este mare. Deasupra suprafeței miezului formează un fel de nor. Fiecare atom are propriul nor de electroni, încărcat negativ. Din acest motiv, ei nu se „lipesc”, ci se resping reciproc.

Datorită asemănării sale cu sistemul solar, modelul lui Rutherford a fost numit planetar.

De ce există atomul

Cu toate acestea, modelul lui Rutherford al atomului nu a reușit să explice de ce atomul este atât de stabil. La urma urmei, conform legilor fizicii clasice, un electron, care se rotește pe orbită, se mișcă cu accelerație, prin urmare, radiază undele electromagneticeși pierde energie. În cele din urmă, această energie trebuie să se termine, iar electronul trebuie să cadă în nucleu. Dacă ar fi așa, atomul ar putea exista doar 10 -8 s. Dar de ce nu se întâmplă asta?

Motivul acestui fenomen a fost explicat ulterior de fizicianul danez Niels Bohr. El a sugerat că electronii dintr-un atom se mișcă numai pe orbite fixe, care sunt numite „orbite permise”. Fiind pe ele, ele nu radiază energie. Iar emisia sau absorbția de energie are loc numai atunci când un electron se deplasează de pe o orbită permisă pe alta. Dacă aceasta este o tranziție de la o orbită îndepărtată la una mai aproape de nucleu, atunci energia este radiată și invers. Radiația are loc în porțiuni, care sunt numite cuante.

Deși modelul descris de Rutherford nu a putut explica stabilitatea atomului, a permis progrese semnificative în studiul structurii sale.

Modelul planetar al atomului

Model planetar al unui atom: nucleu (roșu) și electroni (verde)

Modelul planetar al atomului, sau Modelul Rutherford, - model istoric al structurii atomului, care a fost propus de Ernest Rutherford ca urmare a unui experiment cu împrăștierea particulelor alfa. Conform acestui model, atomul este format dintr-un nucleu mic încărcat pozitiv, în care este concentrată aproape întreaga masă a atomului, în jurul căruia electronii se mișcă, la fel cum se mișcă planetele în jurul Soarelui. Modelul planetar al atomului corespunde ideilor moderne despre structura atomului, ținând cont de faptul că mișcarea electronilor este de natură cuantică și nu este descrisă de legile mecanicii clasice. Din punct de vedere istoric, modelul planetar al lui Rutherford i-a succedat „modelului de budincă de prune” al lui Joseph John Thomson, care postulează că electronii încărcați negativ sunt plasați în interiorul unui atom încărcat pozitiv.

Rutherford a propus un nou model pentru structura atomului în 1911 ca o concluzie a unui experiment de împrăștiere a particulelor alfa pe folie de aur, efectuat sub conducerea sa. Cu această împrăștiere, în mod neașteptat un numar mare de particulele alfa au fost împrăștiate la unghiuri mari, ceea ce a indicat că centrul de împrăștiere are mărime micăși conține o sarcină electrică semnificativă. Calculele lui Rutherford au arătat că un centru de împrăștiere, încărcat pozitiv sau negativ, trebuie să fie de cel puțin 3000 de ori dimensiune mai mică un atom, care la acea vreme era deja cunoscut și estimat la aproximativ 10 -10 m. Deoarece în acel moment electronii erau deja cunoscuți, iar masa și sarcina lor erau determinate, centrul de împrăștiere, care a fost numit ulterior nucleu, trebuie au avut o sarcină opusă electronilor. Rutherford nu a legat cantitatea de sarcină de numărul atomic. Această concluzie a fost făcută mai târziu. Și Rutherford însuși a sugerat că sarcina este proporțională cu masa atomică.

Dezavantajul modelului planetar era incompatibilitatea acestuia cu legile fizicii clasice. Dacă electronii se mișcă în jurul nucleului ca o planetă în jurul Soarelui, atunci mișcarea lor este accelerată și, prin urmare, conform legilor electrodinamicii clasice, ar trebui să radieze unde electromagnetice, să piardă energie și să cadă pe nucleu. Următorul pas în dezvoltarea modelului planetar a fost modelul Bohr, postulând alte legi, diferite de cele clasice, ale mișcării electronilor. Pe deplin contradicțiile electrodinamicii au putut rezolva mecanica cuantică.

Fundația Wikimedia. 2010 .

• Planetariul Eise Eisingi
• fantezie planetară

Vedeți ce este „Modelul planetar al atomului” în alte dicționare:

modelul planetar al atomului- planetinis atomo modelis statusas T sritis fizica atitikmenys: angl. modelul atomului planetar vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. model planetar al atomului, f pranc. modele planétaire de l'atome, m … Fizikos terminų žodynas

Modelul Bohr al atomului- Modelul Bohr al unui atom asemănător hidrogenului (sarcină de nucleu Z), în care un electron încărcat negativ este închis într-o înveliș atomic care înconjoară un nucleu atomic mic, încărcat pozitiv ... Wikipedia

Model (în știință)- Model (model francez, modello italian, din latină modulus measure, measure, sample, norm), 1) o probă care servește ca standard (standard) pentru reproducerea în serie sau în masă (M. mașină, M. îmbrăcăminte etc. . ), precum și tipul, marca oricărei ......

Model- I Model (Model) Walter (24 ianuarie 1891, Gentin, Prusia de Est, 21 aprilie 1945, lângă Duisburg), mareșal general nazist german (1944). În armată din 1909, a participat la primul război mondial din 1914 18. Din noiembrie 1940 a comandat al 3-lea tanc ... ... Marea Enciclopedie Sovietică

STRUCTURA ATOMULUI- (vezi) este construit din particule elementare de trei tipuri (vezi), (vezi) și (vezi), formând un sistem stabil. Protonul și neutronul fac parte din atomul (vezi), electronii formează un înveliș de electroni. Forțele acționează în nucleu (vezi), datorită căruia ...... Marea Enciclopedie Politehnică

Atom- Acest termen are alte semnificații, vezi Atom (sensuri). Atom de heliu Atom (din altă greacă ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), fizician englez, unul dintre creatorii teoriei radioactivității și a structurii atomului, fondator scoala stiintifica, membru corespondent străin al Academiei Ruse de Științe (1922) și membru de onoare al Academiei de Științe a URSS (1925). Născut în Noua Zeelandă, după absolvirea ...... Dicţionar enciclopedic

Άτομο

corpuscul- Atomul de heliu Atomul (un alt grecesc ἄτομος indivizibil) este cea mai mică parte a unui element chimic, care este purtătorul proprietăților sale. Un atom este format dintr-un nucleu atomic și un nor de electroni care îl înconjoară. Nucleul unui atom este format din protoni încărcați pozitiv și ... ... Wikipedia

corpusculi- Atomul de heliu Atomul (un alt grecesc ἄτομος indivizibil) este cea mai mică parte a unui element chimic, care este purtătorul proprietăților sale. Un atom este format dintr-un nucleu atomic și un nor de electroni care îl înconjoară. Nucleul unui atom este format din protoni încărcați pozitiv și ... ... Wikipedia

Cărți

• Un set de mese. Fizică. Nota 11 (15 mese), . Album educativ de 15 coli. Transformator. Inductie electromagneticaîn tehnologie moderna. Lămpi electronice. Tub catodic. Semiconductori. dioda semiconductoare. tranzistor...

Lectura: Modelul planetar al atomului

Structura atomului

Cea mai precisă modalitate de a determina structura oricărei substanțe este analiza spectrală. Radiația fiecărui atom al unui element este exclusiv individuală. Cu toate acestea, înainte de a înțelege cum are loc analiza spectrală, să ne dăm seama ce structură are un atom al oricărui element.

Prima ipoteză despre structura atomului a fost prezentată de J. Thomson. Acest om de știință a studiat atomii de mult timp. Mai mult, el este cel care deține descoperirea electronului - pentru care a primit Premiul Nobel. Modelul propus de Thomson nu avea nimic de-a face cu realitatea, dar a servit ca un stimulent suficient de puternic pentru ca Rutherford să studieze structura atomului. Modelul propus de Thomson se numea „budinca de stafide”.

Thomson credea că atomul este o bilă solidă cu o sarcină electrică negativă. Pentru a compensa, electronii sunt intercalate în minge, ca stafidele. În concluzie, sarcina electronilor coincide cu sarcina întregului nucleu, ceea ce face atomul neutru.

În timpul studiului structurii atomului, s-a constatat că toți atomii din solide comite mișcări oscilatorii. Și, după cum știți, orice particulă în mișcare radiază unde. De aceea fiecare atom are propriul spectru. Cu toate acestea, aceste afirmații nu s-au încadrat în nici un fel în modelul Thomson.

experiența lui Rutherford

Pentru a confirma sau infirma modelul lui Thomson, Rutherford a propus un experiment care a dus la bombardarea unui atom al unui element de către particule alfa. Ca rezultat al acestui experiment, a fost important să vedem cum se va comporta particula.

Particulele alfa au fost descoperite ca urmare a dezintegrarii radioactive a radiului. Fluxurile lor erau raze alfa, fiecare particulă având o sarcină pozitivă. Ca urmare a numeroaselor studii, s-a stabilit că particula alfa este ca un atom de heliu, în care nu există electroni. Folosind cunoștințele actuale, știm că particula alfa este nucleul heliului, în timp ce Rutherford credea că aceștia sunt ioni de heliu.

Fiecare particulă alfa avea o energie extraordinară, ca urmare a căreia putea zbura la atomii în cauză viteza mare. Prin urmare, principalul rezultat al experimentului a fost determinarea unghiului de deviere a particulelor.

Pentru experiment, Rutherford a folosit folie subțire de aur. El a îndreptat particulele alfa de mare viteză către el. El a presupus că, în urma acestui experiment, toate particulele vor zbura prin folie și cu mici abateri. Cu toate acestea, pentru a afla cu siguranță, el și-a instruit studenții să verifice dacă există abateri mari în aceste particule.

Rezultatul experimentului a surprins absolut pe toată lumea, deoarece multe particule nu numai că au deviat de un unghi suficient de mare - unele unghiuri de deviere au ajuns la mai mult de 90 de grade.

Aceste rezultate au surprins absolut pe toată lumea, Rutherford a spus că s-a simțit ca o bucată de hârtie a fost plasată în calea proiectilelor, ceea ce nu a permis particulei alfa să pătrundă înăuntru, drept care s-a întors înapoi.

Dacă atomul ar fi cu adevărat solid, atunci ar trebui să aibă ceva câmp electric, care a încetinit particulele. Cu toate acestea, puterea câmpului nu a fost suficientă pentru a o opri complet, cu atât mai puțin să o împingă înapoi. Aceasta înseamnă că modelul lui Thomson a fost respins. Așa că Rutherford a început să lucreze la un nou model.

Modelul Rutherford

Pentru a obține acest rezultat al experimentului, este necesar să se concentreze sarcina pozitivă într-o cantitate mai mică, rezultând un câmp electric mai mare. Conform formulei potențialului de câmp, se poate determina dimensiunea cerută o particulă pozitivă care ar putea respinge o particulă alfa în direcția opusă. Raza sa ar trebui să fie de ordinul maximului 10 -15 m. De aceea Rutherford a propus modelul planetar al atomului.

Acest model este numit așa dintr-un motiv. Cert este că în interiorul atomului există un nucleu încărcat pozitiv, similar cu Soarele din sistemul solar. Electronii se învârt în jurul nucleului ca planetele. sistem solar este conceput în așa fel încât planetele să fie atrase de Soare cu ajutorul forte gravitationale, cu toate acestea, ei nu cad la suprafața Soarelui ca urmare a vitezei disponibile care îi menține pe orbita lor. Același lucru se întâmplă și cu electronii - forțele coulombiane atrag electronii către nucleu, dar din cauza rotației, aceștia nu cad pe suprafața nucleului.

O presupunere a lui Thomson s-a dovedit a fi absolut corectă - sarcina totală a electronilor corespunde sarcinii nucleului. Cu toate acestea, ca urmare a unei interacțiuni puternice, electronii pot fi scoși din orbita lor, drept urmare sarcina nu este compensată și atomul se transformă într-un ion încărcat pozitiv.

Informații foarte importante referitoare la structura atomului sunt că aproape toată masa atomului este concentrată în nucleu. De exemplu, un atom de hidrogen are un singur electron, a cărui masă este de peste o mie și jumătate de ori mai mică decât masa nucleului.