Modelul nuclear planetar al structurii definiției atomului. Modelul planetar al atomului

Modelul planetar al atomului a fost propus de E. Rutherford în 1910. Primele studii ale structurii atomului au fost făcute de el cu ajutorul particulelor alfa. Pe baza rezultatelor obținute în experimentele de împrăștiere a acestora, Rutherford a sugerat că toată sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-un nucleu minuscul din centrul său. Pe de altă parte, electronii încărcați negativ sunt distribuiți în restul volumului său.

Un mic fundal

Prima presupunere strălucitoare despre existența atomilor a fost făcută de savantul grec antic Democrit. De atunci, ideea existenței atomilor, ale căror combinații dau toate substanțele din jurul nostru, nu a părăsit imaginația oamenilor de știință. Din când în când, diverși reprezentanți ai acesteia au apelat la el, dar până la începutul secolului al XIX-lea, construcțiile lor au fost doar ipoteze, nesusținute de date experimentale.

În cele din urmă, în 1804, cu mai bine de o sută de ani înainte de apariția modelului planetar al atomului, omul de știință englez John Dalton a oferit dovezi pentru existența acestuia și a introdus conceptul de greutate atomică, care a fost prima sa caracteristică cantitativă. La fel ca predecesorii săi, el a conceput atomii ca fiind cele mai mici bucăți de materie, ca niște bile solide, care nu pot fi împărțite în particule chiar mai mici.

Descoperirea electronului și primul model al atomului

A trecut aproape un secol când, în sfârșit, la sfârșitul secolului al XIX-lea, tot englezul J. J. Thomson, a descoperit prima particulă subatomică, electronul încărcat negativ. Deoarece atomii sunt neutri din punct de vedere electric, Thomson a crezut că trebuie să fie alcătuiți dintr-un nucleu încărcat pozitiv cu electroni împrăștiați în volumul său. Pe baza diferitelor rezultate experimentale, în 1898 și-a propus modelul atomului, numit uneori „prune într-o budincă”, deoarece atomul din el era reprezentat ca o sferă plină cu un lichid încărcat pozitiv, în care erau încorporați electroni, ca „ prune în budincă. Raza unui astfel de model sferic a fost de aproximativ 10 -8 cm. Sarcina pozitivă totală a lichidului este echilibrată simetric și uniform de sarcinile negative ale electronilor, așa cum se arată în figura de mai jos.

Acest model a explicat în mod satisfăcător faptul că atunci când o substanță este încălzită, aceasta începe să emită lumină. Deși aceasta a fost prima încercare de a înțelege ce este un atom, nu a reușit să satisfacă rezultatele experimentelor efectuate ulterior de Rutherford și alții. Thomson a fost de acord în 1911 că modelul său pur și simplu nu a putut răspunde cum și de ce are loc împrăștierea razelor α observate în experimente. Prin urmare, a fost abandonat și a fost înlocuit cu un model planetar mai perfect al atomului.

Cum este aranjat atomul oricum?

Ernest Rutherford a dat o explicație despre fenomenul radioactivității, care l-a adus Premiul Nobel, dar contribuția sa cea mai semnificativă la știință a venit mai târziu, când a stabilit că atomul este format dintr-un nucleu dens înconjurat de orbite de electroni, la fel cum Soarele este înconjurat de orbitele planetelor.

Conform modelului planetar al unui atom, cea mai mare parte a masei sale este concentrată într-un nucleu mic (în comparație cu dimensiunea întregului atom). Electronii se mișcă în jurul nucleului, călătorind cu viteze incredibile, dar cea mai mare parte a volumului atomilor este spațiu gol.

Dimensiunea nucleului este atât de mică încât diametrul său este de 100.000 de ori mai mic decât cel al unui atom. Diametrul nucleului a fost estimat de Rutherford la 10-13 cm, în contrast cu dimensiunea atomului - 10-8 cm.În afara nucleului, electronii se învârt în jurul lui cu viteze mari, rezultând forțe centrifuge care echilibrează forțele electrostatice de atracție dintre protoni și electroni.

experimentele lui Rutherford

model planetar atomul a apărut în 1911, după faimosul experiment cu folie de aur, care a făcut posibilă obținerea unor informații fundamentale despre structura sa. Calea lui Rutherford către descoperire nucleul atomic este o bun exemplu rolul creativității în știință. Căutarea sa a început încă din 1899 când a descoperit că anumite elemente emit particule încărcate pozitiv care pot pătrunde orice. El a numit aceste particule particule alfa (α) (acum știm că erau nuclee de heliu). Ca toți oamenii de știință buni, Rutherford era curios. S-a întrebat dacă particulele alfa ar putea fi folosite pentru a afla structura unui atom. Rutherford a decis să îndrepte un fascicul de particule alfa către o foaie de folie de aur foarte subțire. A ales aurul pentru că putea produce foi de până la 0,00004 cm. În spatele foii de aur, el a plasat un ecran care strălucea când particulele alfa îl loveau. A fost folosit pentru a detecta particulele alfa după ce acestea au trecut prin folie. O mică fantă a ecranului a permis fasciculului de particule alfa să ajungă la folie după ce a ieșit din sursă. Unele dintre ele trebuie să treacă prin folie și să continue să se miște în aceeași direcție, în timp ce cealaltă parte trebuie să sară de folie și să se reflecte în unghiuri ascuțite. Puteți vedea schema experimentului în figura de mai jos.

Ce s-a întâmplat în experimentul lui Rutherford?

Pe baza modelului atomic al lui J. J. Thomson, Rutherford a presupus că regiunile solide cu sarcină pozitivă care umple întregul volum de atomi de aur vor devia sau îndoi traiectoriile tuturor particulelor alfa pe măsură ce trec prin folie.

Cu toate acestea, marea majoritate a particulelor alfa au trecut chiar prin folia de aur ca și cum nu ar fi acolo. Păreau să treacă prin spațiu gol. Doar câțiva dintre ei se abat de la calea dreaptă, așa cum se presupunea la început. Mai jos este un grafic al numărului de particule împrăștiate în direcția respectivă față de unghiul de împrăștiere.

În mod surprinzător, un mic procent din particule au revenit din folie, ca o minge de baschet care sări de pe un panou. Rutherford și-a dat seama că aceste abateri erau rezultatul unei coliziuni directe între particulele alfa și componentele încărcate pozitiv ale atomului.

Nucleul ocupă centrul atenției

Pe baza procentului neglijabil de particule alfa reflectate de folie, putem concluziona că toată sarcina pozitivă și aproape toată masa atomului sunt concentrate într-o zonă mică, iar restul atomului este în mare parte spațiu gol. Rutherford a numit zona de sarcină pozitivă concentrată nucleu. El a prezis și a descoperit curând că acesta conținea particule încărcate pozitiv, pe care le-a numit protoni. Rutherford a prezis existența unor particule atomice neutre numite neutroni, dar nu a reușit să le detecteze. Cu toate acestea, elevul său James Chadwick le-a descoperit câțiva ani mai târziu. Figura de mai jos arată structura nucleului unui atom de uraniu.

Atomii constau din nuclee grele încărcate pozitiv, înconjurate de particule extrem de ușoare încărcate negativ - electroni care se rotesc în jurul lor și la astfel de viteze încât forțele centrifuge mecanice își echilibrează pur și simplu atracția electrostatică față de nucleu și, în acest sens, se presupune că stabilitatea atomului este asigurată.

Dezavantajele acestui model

Ideea principală a lui Rutherford a fost legată de ideea unui nucleu atomic mic. Ipoteza despre orbitele electronilor a fost o presupunere pură. El nu știa exact unde și cum se învârt electronii în jurul nucleului. Prin urmare, modelul planetar al lui Rutherford nu explică distribuția electronilor pe orbite.

În plus, stabilitatea atomului Rutherford a fost posibilă doar cu mișcarea continuă a electronilor pe orbite fără pierderea energiei cinetice. Dar calculele electrodinamice au arătat că mișcarea electronilor de-a lungul oricăror traiectorii curbilinii, însoțită de o schimbare a direcției vectorului viteză și apariția unei accelerații corespunzătoare, este însoțită inevitabil de emisia de energie electromagnetică. În acest caz, conform legii conservării energiei, energia cinetică a electronului trebuie cheltuită foarte repede pe radiație și trebuie să cadă pe nucleu, așa cum se arată schematic în figura de mai jos.

Dar acest lucru nu se întâmplă, deoarece atomii sunt formațiuni stabile. Între modelul fenomenului și datele experimentale a apărut o contradicție științifică tipică.

De la Rutherford la Niels Bohr

Următorul pas important înainte în istoria atomului a avut loc în 1913, când omul de știință danez Niels Bohr a publicat o descriere a unui model mai detaliat al atomului. Ea a determinat mai clar locurile unde ar putea fi electronii. Deși mai târziu oamenii de știință au dezvoltat modele atomice mai sofisticate, modelul planetar al atomului lui Bohr a fost în esență corect și o mare parte din el este încă acceptat și astăzi. A avut multe aplicații utile, de exemplu, este folosit pentru a explica proprietățile diferitelor elemente chimice, natura spectrului lor de radiații și structura atomului. Modelul planetar și modelul Bohr au fost cele mai importante repere care au marcat apariția unei noi direcții în fizică - fizica microlumii. Bohr a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1922 pentru contribuțiile sale la înțelegerea noastră a structurii atomului.

Ce nou a adus Bohr modelului atomului?

Pe când era încă tânăr, Bohr a lucrat în laboratorul lui Rutherford din Anglia. Deoarece conceptul de electroni a fost slab dezvoltat în modelul lui Rutherford, Bohr s-a concentrat asupra lor. Ca urmare, modelul planetar al atomului a fost îmbunătățit semnificativ. Postulatele lui Bohr, pe care le-a formulat în articolul său „On the Structure of Atoms and Molecules”, publicat în 1913, suna:

1. Electronii se pot mișca în jurul nucleului doar la distanțe fixe față de acesta, determinate de cantitatea de energie pe care o au. El a numit aceste niveluri fixe niveluri de energie sau învelișuri de electroni. Bohr le-a imaginat ca sfere concentrice, cu un nucleu în centrul fiecăreia. În acest caz, electronii cu energie mai mică se vor găsi la niveluri inferioare, mai aproape de nucleu. Cei care au mai multa energie vor fi gasiti pe mai mult niveluri înalte, departe de miez.

2. Dacă un electron absoarbe o anumită cantitate (destul de sigură pentru un anumit nivel) de energie, atunci va sări la următorul nivel de energie mai înalt. În schimb, dacă pierde aceeași cantitate de energie, se va întoarce la nivelul inițial. Cu toate acestea, un electron nu poate exista pe două niveluri de energie.

Această idee este ilustrată printr-o figură.

Porțiuni de energie pentru electroni

Modelul Bohr al atomului este de fapt o combinație a două diverse idei: modelul atomic Rutherford cu electroni care se rotesc în jurul nucleului (de fapt, acesta este modelul planetar Bohr-Rutherford al atomului) și ideile omului de știință german Max Planck privind cuantizarea energiei materiei, publicate în 1901. O cuantică (în plural- quanta) este cantitatea minimă de energie care poate fi absorbită sau emisă de o substanță. Este un fel de pas de discretizare pentru cantitatea de energie.

Dacă energia este comparată cu apa și doriți să o adăugați materiei sub formă de pahar, nu puteți doar să turnați apă într-un flux continuu. În schimb, îl poți adăuga în cantități mici, ca o linguriță. Bohr credea că, dacă electronii pot absorbi sau pot pierde doar cantități fixe de energie, atunci ar trebui să-și varieze energia doar cu aceste cantități fixe. Astfel, ei pot ocupa doar niveluri fixe de energie în jurul nucleului care corespund unor incremente cuantificate ale energiei lor.

Deci, din modelul Bohr crește o abordare cuantică pentru a explica care este structura atomului. Modelul planetar și modelul Bohr au fost un fel de pași de la fizica clasică la fizica cuantică, care este instrumentul principal în fizica microlumilor, inclusiv fizica atomică.

Modelul planetar al atomului

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

Modelul planetar al atomului, sau Modelul Rutherford, - model istoric structura atomului, care a fost propusă de Ernest Rutherford ca rezultat al unui experiment cu împrăștierea particulelor alfa. Conform acestui model, atomul este format dintr-un nucleu mic încărcat pozitiv, în care este concentrată aproape toată masa atomului, în jurul căruia se mișcă electronii, 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 mai mic decât dimensiunea unui atom, care la acea vreme era deja cunoscut și estimat la aproximativ 10 -10 m. Deoarece electronii erau deja cunoscuți la în acel moment, iar masa și sarcina lor sunt determinate, apoi centrul de împrăștiere, care a fost numit mai târziu nucleu, trebuie să fi avut sarcina 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 planetele în jurul Soarelui, atunci mișcarea lor este accelerată și, prin urmare, conform legilor electrodinamicii clasice, ar fi trebuit să radieze undele electromagnetice, pierzi energie și cad pe miez. 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) construit din particule elementare trei tipuri (vezi), (vezi) și (vezi), formând un sistem stabil. Protonul și neutronul fac parte din atomul (vezi), se formează electronii învelișul 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- Atom de heliu Atom (un alt grecesc ἄτομος indivizibil) cea mai mică parte 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...

A fost propus unul dintre primele modele ale structurii atomului J. Thomsonîn 1904, atomul a fost prezentat ca o „mare de electricitate pozitivă” cu electroni care oscilează în el. Sarcina negativă totală a electronilor unui atom neutru din punct de vedere electric a fost echivalată cu sarcina sa pozitivă totală.

experiența lui Rutherford

Pentru a testa ipoteza lui Thomson și a determina mai precis structura atomului E. Rutherford a organizat o serie de experimente privind împrăștierea α -particule placi metalice subtiri - folie. În 1910 studenții Rutherford Hans GeigerȘi Ernest Marsden a efectuat experimente de bombardare α - particule de plăci subțiri de metal. Ei au descoperit că cele mai multe α -particulele trec prin folie fara a-si schimba traiectoria. Și acest lucru nu a fost surprinzător, dacă acceptăm corectitudinea modelului atomic al lui Thomson.

O sursă α - radiația a fost plasată într-un cub de plumb cu un canal forat în el, astfel încât să se poată obține un flux α -particule care zboară într-o anumită direcție. Particulele alfa sunt atomi de heliu dublu ionizat ( Nu 2+). Au o sarcină pozitivă de +2 și o masă de aproape 7350 de ori masa unui electron. Lovind un ecran acoperit cu sulfură de zinc, α -particulele l-au făcut să strălucească, iar cu o lupă a fost posibil să se vadă și să se numere blițuri individuale care apar pe ecran atunci când fiecare α -particule. Între sursa de radiații și ecran a fost plasată o folie. Din blițurile de pe ecran a fost posibil să se judece împrăștierea α -particule, adică despre abaterea lor de la direcția inițială la trecerea prin stratul metalic.

S-a dovedit că majoritatea α -particulele trec prin folie fără a-și schimba direcția, deși grosimea foliei corespundea cu sute de mii de diametre atomice. Dar unii împărtășesc α -particule încă deviate de unghiuri mici, și ocazional α -particulele și-au schimbat brusc direcția de mișcare și chiar (aproximativ 1 din 100.000) au fost aruncate înapoi, de parcă ar fi întâlnit un obstacol masiv. Cazuri de abatere atât de puternică α -particulele puteau fi observate prin deplasarea ecranului cu o lupă într-un arc.

Din rezultatele acestui experiment s-au putut trage următoarele concluzii:

Există un „obstacol” în atom, care a fost numit nucleu.
Nucleul are o sarcină pozitivă (în caz contrar încărcat pozitiv α particulele nu ar fi reflectate înapoi).
Nucleul este foarte mic în comparație cu dimensiunea atomului însuși (doar o mică parte α -particulele și-au schimbat direcția).
Nucleul are mai multă masă decât masa α -particule.

Rutherford a explicat rezultatele experimentului propunând modelul „planetar” al atomului l-a asemănat cu sistemul solar. Conform modelului planetar, în centrul atomului există un nucleu foarte mic, a cărui dimensiune este de aproximativ 100.000 de ori. dimensiuni mai mici atomul însuși. Acest nucleu conține aproape întreaga masă a atomului și poartă o sarcină pozitivă. Electronii se mișcă în jurul nucleului, al cărui număr este determinat de sarcina nucleului. Traiectoria exterioară a electronilor determină dimensiunile exterioare ale atomului. Diametrul unui atom este de aproximativ 10 -8 cm, iar diametrul nucleului este de aproximativ 10 -13 ÷10 -12 cm.

Cu cât sarcina nucleului atomic este mai mare, cu atât mai puternic va fi respins din acesta α -particulă, cu atât vor fi mai des cazuri de abateri puternice α -particule care trec prin stratul metalic, din sensul iniţial de mişcare. Prin urmare, experimente de împrăștiere α -particulele fac posibilă nu numai detectarea existenței unui nucleu atomic, ci și determinarea sarcinii acestuia. Din experimentele lui Rutherford a reieșit deja că sarcina nucleului (exprimată în unități de sarcină a electronului) este numeric egală cu numărul ordinal al elementului din sistemul periodic. S-a confirmat G. Moseley, care în 1913 a stabilit o relație simplă între lungimile de undă ale anumitor linii din spectrul de raze X al unui element și numărul său de serie și D. Chadwick, care în 1920 a determinat cu mare precizie încărcările nucleelor atomice ale unui număr de elemente prin împrăștiere. α -particule.

A fost instalat sens fizic numărul de serie al elementului în sistemul periodic: numărul de serie s-a dovedit a fi cea mai importantă constantă a elementului, exprimând sarcina pozitivă a nucleului atomului său. Din neutralitatea electrică a atomului rezultă că numărul de electroni care se rotesc în jurul nucleului este egal cu numărul ordinal al elementului.

Această descoperire a oferit o nouă justificare pentru aranjarea elementelor în sistemul periodic. În același timp, a eliminat aparenta contradicție din sistemul lui Mendeleev - poziția unor elemente cu o masă atomică mai mare înaintea elementelor cu o masă atomică mai mică (telur și iod, argon și potasiu, cobalt și nichel). S-a dovedit că nu există nicio contradicție aici, deoarece locul unui element în sistem este determinat de sarcina nucleului atomic. S-a stabilit experimental că sarcina nucleului atomului de telur este 52, iar cea a atomului de iod este 53; prin urmare telurul, în ciuda dimensiunilor mari masă atomică, trebuie să reziste la iod. În mod similar, sarcinile nucleelor de argon și potasiu, nichel și cobalt corespund pe deplin secvenței de aranjare a acestor elemente în sistem.

Deci, sarcina nucleului atomic este mărimea principală de care depind proprietățile elementului și poziția sa în sistemul periodic. De aceea lege periodică Mendeleev poate fi formulată în prezent după cum urmează:

Proprietățile elementelor și ale simplei și substanțe complexe sunt într-o dependență periodică de sarcina nucleului atomilor elementelor

Determinarea numerelor de serie ale elementelor prin sarcinile nucleelor atomilor lor a permis stabilirea numărul total plasează în sistemul periodic între hidrogen, care are numărul de serie 1, și uraniu (numărul atomic 92), care era considerat la acea vreme ultimul membru al sistemului periodic de elemente. Când a fost creată teoria structurii atomului, locurile 43, 61, 72, 75, 85 și 87 au rămas neocupate, ceea ce indica posibilitatea existenței unor elemente încă nedescoperite. Și într-adevăr, în 1922, a fost descoperit elementul hafniu, care a luat locul 72; apoi în 1925 - reniu, care a avut loc 75. Elementele care ar trebui să ocupe restul de patru locuri libere din tabel s-au dovedit a fi radioactive și nu au fost găsite în natură, dar au fost obținute artificial. Noile elemente au fost numite tehnețiu (numărul 43), prometiu (61), astatin (85) și franciu (87). În prezent, toate celulele sistemului periodic dintre hidrogen și uraniu sunt umplute. Cu toate acestea, ea sistem periodic nu este finalizată.

Spectrele atomice

Modelul planetar a fost un pas major în teoria structurii atomului. Cu toate acestea, în unele privințe a contrazis fapte bine stabilite. Să luăm în considerare două astfel de contradicții.

În primul rând, teoria lui Rutherford nu a putut explica stabilitatea atomului. Un electron care se rotește în jurul unui nucleu încărcat pozitiv trebuie, ca un oscilant incarcare electrica, emit energie electromagnetică sub formă de unde luminoase. Dar, emitând lumină, electronul își pierde o parte din energie, ceea ce duce la un dezechilibru între forța centrifugă asociată cu rotația electronului și forța de atracție electrostatică a electronului către nucleu. Pentru a restabili echilibrul, electronul trebuie să se apropie de nucleu. Astfel, electronul, radiind continuu energie electromagnetică și mișcându-se în spirală, se va apropia de nucleu. După ce și-a epuizat toată energia, trebuie să „cadă” pe nucleu, iar atomul va înceta să mai existe. Această concluzie contrazice proprietăți reale atomi, care sunt formațiuni stabile, și pot exista fără a fi distruși pentru un timp extrem de lung.

În al doilea rând, modelul lui Rutherford a condus la concluzii incorecte despre natura spectrelor atomice. Când lumina emisă de un corp solid sau lichid fierbinte este trecută printr-o prismă de sticlă sau de cuarț, pe un ecran plasat în spatele prismei se observă un așa-numit spectru continuu, a cărui parte vizibilă este o bandă colorată care conține toate culorile curcubeu. Acest fenomen se explică prin faptul că radiația unui solid fierbinte sau corp lichid constă din unde electromagnetice de diferite frecvențe. Undele de frecvențe diferite sunt refractate inegal de o prismă și cad locuri diferite ecran. Constelație de frecvență radiatie electromagnetica, emisă de substanță și se numește spectru de emisie. Pe de altă parte, substanțele absorb radiațiile de anumite frecvențe. Totalitatea acestora din urmă se numește spectrul de absorbție al unei substanțe.

Pentru a obține un spectru, în loc de o prismă, puteți folosi un rețele de difracție. Aceasta din urmă este o placă de sticlă, pe suprafața căreia se aplică curse subțiri paralele la o distanță foarte apropiată una de alta (până la 1500 de mișcări pe 1 mm). Trecând printr-un astfel de grătar, lumina se descompune și formează un spectru similar cu cel obținut cu o prismă. Difracția este inerentă oricărei mișcări ondulatorii și servește ca una dintre principalele dovezi ale naturii ondulatorii a luminii.

Când este încălzită, o substanță emite raze (radiații). Dacă radiația are o lungime de undă, atunci se numește monocromatic. În cele mai multe cazuri, radiația este caracterizată de mai multe lungimi de undă. Când radiația este descompusă în componente monocromatice, se obține un spectru de radiație, în care componentele sale individuale sunt exprimate prin linii spectrale.

Spectrele obţinute prin radiaţie din atomi liberi sau slab legaţi (de exemplu, în gaze sau vapori) se numesc spectre atomice.

Radiația emisă de solide sau lichide oferă întotdeauna un spectru continuu. Radiația emisă de gaze și vapori fierbinți, spre deosebire de radiații solideși lichide, conține doar anumite lungimi de undă. Prin urmare, în loc de o bandă continuă pe ecran, se obține o serie de linii colorate separate, separate de goluri întunecate. Numărul și locația acestor linii depind de natura gazului sau vaporilor fierbinți. Deci, vaporii de potasiu dă - un spectru format din trei linii - două roșii și una violetă; există mai multe linii roșii, galbene și verzi în spectrul vaporilor de calciu etc.

Radiația emisă de solide sau lichide oferă întotdeauna un spectru continuu. Radiația emisă de gaze și vapori fierbinți, spre deosebire de radiația de solide și lichide, conține doar anumite lungimi de undă. Prin urmare, în loc de o bandă continuă pe ecran, se obține o serie de linii colorate separate, separate de goluri întunecate. Numărul și locația acestor linii depind de natura gazului sau vaporilor fierbinți. Deci, vaporii de potasiu dau un spectru format din trei linii - două roșii și una violetă; există mai multe linii roșii, galbene și verzi în spectrul vaporilor de calciu etc.

Astfel de spectre sunt numite spectre de linii. S-a constatat că lumina emisă de atomii gazelor are un spectru de linii, în care liniile spectrale pot fi combinate în serie.

În fiecare serie, aranjarea liniilor corespunde unui anumit model. Pot fi descrise frecvențele liniilor individuale Formula lui Balmer:

Faptul că atomii fiecărui element dau un spectru complet definit inerent numai acestui element, iar intensitatea liniilor spectrale corespunzătoare este cu atât mai mare, cu atât mai mult conținut elementul dintr-o probă este utilizat pe scară largă pentru a determina compoziția calitativă și cantitativă a substanțelor și materialelor. Această metodă de cercetare se numește analiza spectrală.

Modelul planetar al structurii atomului s-a dovedit a fi incapabil să explice spectrul de emisie de linii ale atomilor de hidrogen și cu atât mai mult combinația liniilor spectrale într-o serie. Un electron care se rotește în jurul nucleului trebuie să se apropie de nucleu, schimbând continuu viteza de mișcare a acestuia. Frecvența luminii emise de acesta este determinată de frecvența de rotație a acesteia și, prin urmare, trebuie să fie în continuă schimbare. Aceasta înseamnă că spectrul de radiații al unui atom trebuie să fie continuu, continuu. Conform acestui model, frecvența de radiație a unui atom trebuie să fie egală cu frecvența vibrației mecanice sau să fie un multiplu al acesteia, ceea ce este incompatibil cu formula Balmer. Astfel, teoria lui Rutherford nu a putut explica nici existența atomilor stabili, nici prezența spectrelor lor de linii.

teoria cuantică a luminii

În 1900 M. Plank a arătat că capacitatea unui corp încălzit de a emite radiații poate fi descrisă corect cantitativ doar presupunând că energia radiantă este emisă și absorbită de corpuri nu continuu, ci discret, adică. în porții separate - cuante. În același timp, energia E fiecare astfel de porțiune este legată de frecvența radiației printr-o relație numită Ecuațiile lui Planck:

Planck însuși perioadă lungă de timp credea că emisia și absorbția luminii de către cuante este o proprietate a corpurilor radiante, și nu a radiației în sine, care este capabilă să aibă orice energie și, prin urmare, ar putea fi absorbită continuu. Cu toate acestea, în 1905 Einstein, analizând fenomenul efectului fotoelectric, a ajuns la concluzia că energia electromagnetică (radiantă) există doar sub formă de cuante și că, prin urmare, radiația este un flux de „particule” materiale indivizibile (fotoni), a cărui energie este determinat Ecuația lui Planck.

efect fotoelectric Se numește emisia de electroni de către un metal sub acțiunea luminii incidente asupra acestuia. Acest fenomen a fost studiat în detaliu în anii 1888-1890. A. G. Stoletov. Dacă puneți instalația în vid și aplicați pe placă M potențial negativ, atunci nu se va observa nici un curent în circuit, deoarece nu există particule încărcate în spațiul dintre placă și rețea care să poată transporta electricitate. Dar când placa este iluminată cu o sursă de lumină, galvanometrul detectează apariția unui curent (numit fotocurent), ai cărui purtători sunt electronii scoși de lumină din metal.

S-a dovedit că atunci când se modifică intensitatea luminii, se modifică doar numărul de electroni emisi de metal, adică. puterea fotocurentului. Dar energia cinetică maximă a fiecărui electron emis de metal nu depinde de intensitatea iluminării, ci se modifică numai atunci când se modifică frecvența luminii incidente asupra metalului. Cu o creștere a lungimii de undă (adică cu o scădere a frecvenței) scade energia electronilor emiși de metal, iar apoi, la o lungime de undă determinată pentru fiecare metal, efectul fotoelectric dispare și nu apare nici măcar la foarte puțin timp. intensitate luminoasă ridicată. Deci, atunci când este iluminat cu lumină roșie sau portocalie, sodiul nu prezintă efect fotoelectric și începe să emită electroni doar la o lungime de undă mai mică de 590 nm (lumină galbenă); în litiu, efectul fotoelectric este detectat chiar mai jos lungimi de undă, începând de la 516 nm ( lumina verde); iar scoaterea electronilor din platină sub acțiunea luminii vizibile nu are loc deloc și începe doar atunci când platina este iradiată cu raze ultraviolete.

Aceste proprietăți ale efectului fotoelectric sunt complet inexplicabile din punctul de vedere al teoriei ondulatorii clasice a luminii, conform căreia efectul ar trebui determinat (pentru un metal dat) doar de cantitatea de energie absorbită de suprafața metalului pe unitatea de timp, dar nu ar trebui să depindă de tipul de radiație incidentă pe metal. Cu toate acestea, aceleași proprietăți primesc o explicație simplă și convingătoare dacă presupunem că radiația este formată din porțiuni separate, fotoni, care au o energie bine definită.

De fapt, un electron dintr-un metal este legat de atomii metalului, astfel încât o anumită cantitate de energie trebuie cheltuită pentru a-l scoate. Dacă fotonul are cantitatea necesară de energie (și energia fotonului este determinată de frecvența radiației), atunci electronul va fi ejectat și se va observa efectul fotoelectric. În procesul de interacțiune cu metalul, fotonul renunță complet la energia sa electronului, deoarece fotonul nu poate fi împărțit în părți. Energia fotonului va fi cheltuită parțial pentru ruperea legăturii dintre electron și metal și parțial pentru transmiterea energiei cinetice a mișcării electronului. Prin urmare, energia cinetică maximă a unui electron scos dintr-un metal nu poate fi mai mare decât diferența dintre energia fotonului și energia de legare a unui electron cu atomi de metal. În consecință, odată cu creșterea numărului de fotoni incidenti pe suprafața metalului pe unitatea de timp (adică, cu creșterea intensității iluminării), va crește doar numărul de electroni ejectați din metal, ceea ce va duce la o creștere a fotocurent, dar energia fiecărui electron nu va crește. Dacă energia fotonului este mai mică decât energia minimă necesară pentru a ejecta un electron, efectul fotoelectric nu va fi observat pentru nici un număr de fotoni incidenti pe metal, de exemplu. la orice intensitate luminoasă.

teoria cuantică a luminii, dezvoltat Einstein, a putut explica nu numai proprietățile efectului fotoelectric, ci și legile acțiunii chimice a luminii, dependență de temperatură capacitatea termică a solidelor și o serie de alte fenomene. S-a dovedit a fi extrem de util în dezvoltarea ideilor despre structura atomilor și moleculelor.

Din teoria cuantică a luminii rezultă că un foton este incapabil să se rupă: interacționează ca un întreg cu un electron metalic, scoțându-l din placă; în ansamblu, ea interacționează și cu substanța sensibilă la lumină a filmului fotografic, făcându-l să se întunece într-un anumit punct și așa mai departe.În acest sens, fotonul se comportă ca o particulă, adică. prezintă proprietăți corpusculare. Cu toate acestea, fotonul are și proprietăți de undă: aceasta se manifestă în natura ondulatorie a propagării luminii, în capacitatea fotonului de a interfera și de a difracție. Un foton diferă de o particulă în sensul clasic al termenului prin faptul că poziția sa exactă în spațiu, ca și poziția exactă a oricărei unde, nu poate fi specificată. Dar diferă și de valul „clasic” - incapacitatea de a se împărți în părți. Combinând proprietăți corpusculare și ondulatorii, fotonul nu este, strict vorbind, nici o particulă, nici o undă - are o dualitate corpuscular-undă.

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 împart.

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 sfârşitul 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 l-a propus pe primul model electronic atom. 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. El a numit-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 sistem 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. Într-adevăr, conform legilor fizicii clasice, un electron, care se rotește pe orbită, se mișcă cu accelerație, prin urmare, radiază unde electromagnetice și 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.

În 1903, omul de știință englez Thomson a propus un model al atomului, care a fost numit în glumă „chiflă cu stafide”. Potrivit lui, un atom este o sferă cu o sarcină pozitivă uniformă, în care electronii încărcați negativ sunt intercalate ca stafidele.

Cu toate acestea, studii ulterioare ale atomului au arătat că această teorie nu este sustenabilă. Și câțiva ani mai târziu, un alt fizician englez, Rutherford, a efectuat o serie de experimente. Pe baza rezultatelor, el a construit o ipoteză despre structura atomului, care este încă recunoscută la nivel mondial.

Experiența lui Rutherford: propunerea modelului său de atom

În experimentele sale, Rutherford a trecut un fascicul de particule alfa printr-o folie de aur subțire. Aurul a fost ales pentru plasticitatea sa, ceea ce a făcut posibilă crearea unei folii foarte subțiri, de aproape un strat de molecule grosime. În spatele foliei era un ecran special care era iluminat atunci când era bombardat de particulele alfa care cădeau pe ea. Conform teoriei lui Thomson, particulele alfa ar fi trebuit să treacă prin folie nestingherite, deviând destul de mult în lateral. Cu toate acestea, s-a dovedit că unele dintre particule s-au comportat în acest fel, iar o parte foarte mică a revenit, de parcă ar lovi ceva.

Adică, s-a constatat că în interiorul atomului există ceva solid și mic, din care au sărit particulele alfa. Atunci Rutherford a propus un model planetar al structurii atomului. Modelul planetar al atomului lui Rutherford a explicat atât rezultatele experimentelor sale, cât și ale colegilor săi. Nu este oferit până în prezent cel mai bun model, deși unele aspecte ale acestei teorii nu sunt încă în concordanță cu practica în unele domenii foarte înguste ale științei. Dar, practic, modelul planetar al atomului este cel mai util dintre toate. Ce este acest model?

Model planetar al structurii atomului

După cum sugerează și numele, un atom este comparat cu o planetă. În acest caz, planeta este nucleul unui atom. Și electronii se învârt în jurul nucleului la o distanță destul de mare, la fel cum sateliții se învârt în jurul planetei. Doar viteza de rotație a electronilor este de sute de mii de ori mai mare decât viteza de rotație a celui mai rapid satelit. Prin urmare, în timpul rotației sale, electronul creează, parcă, un nor deasupra suprafeței nucleului. Iar sarcinile existente ale electronilor resping aceleași sarcini formate de alți electroni în jurul altor nuclee. Prin urmare, atomii nu se „lipesc împreună”, ci sunt situați la o anumită distanță unul de celălalt.

Și când vorbim despre ciocnirea particulelor, ne referim la faptul că acestea se apropie una de cealaltă la o distanță suficient de mare și sunt respinse de câmpurile sarcinilor lor. Nu există contact direct. Particulele din materie sunt în general foarte îndepărtate. Dacă prin orice mijloace ar fi posibil să implodez particulele oricărui corp, aceasta ar fi redusă de un miliard de ori. Pământul ar deveni mai mic decât un măr. Deci volumul principal al oricărei substanțe, oricât de ciudat ar suna, este ocupat de un gol în care se află particulele încărcate, ținute la distanță de forțele electronice de interacțiune.