Jedrski planetarni model definicije strukture atoma. Planetarni model atoma

Planetarni model atoma je leta 1910 predlagal E. Rutherford. Prve študije strukture atoma je naredil s pomočjo alfa delcev. Na podlagi rezultatov, pridobljenih pri poskusih njihovega sipanja, je Rutherford predlagal, da je ves pozitivni naboj atoma skoncentriran v majhnem jedru v njegovem središču. Po drugi strani pa so negativno nabiti elektroni razporejeni po preostalem delu njegove prostornine.

Malo ozadja

Prvo briljantno ugibanje o obstoju atomov je dal starogrški znanstvenik Demokrit. Od takrat ideja o obstoju atomov, katerih kombinacije dajejo vse snovi okoli nas, ni zapustila domišljije ljudi znanosti. Občasno so se nanjo obračali njeni različni predstavniki, a vse do začetka 19. stoletja so bile njihove konstrukcije le hipoteze, ki niso bile podprte z eksperimentalnimi podatki.

Končno je leta 1804, več kot sto let pred pojavom planetarnega modela atoma, angleški znanstvenik John Dalton predložil dokaze za njegov obstoj in uvedel koncept atomske teže, ki je bila njegova prva kvantitativna značilnost. Tako kot njegovi predhodniki si je atome predstavljal kot najmanjše koščke snovi, kot trdne kroglice, ki jih ni bilo mogoče razdeliti na še manjše delce.

Odkritje elektrona in prvi model atoma

Skoraj stoletje je minilo, ko je končno konec 19. stoletja tudi Anglež J. J. Thomson odkril prvi subatomski delec, negativno nabit elektron. Ker so atomi električno nevtralni, je Thomson mislil, da morajo biti sestavljeni iz pozitivno nabitega jedra z elektroni, razpršenimi po vsej prostornini. Na podlagi različnih eksperimentalnih rezultatov je leta 1898 predlagal svoj model atoma, včasih imenovanega "slive v pudingu", ker je bil atom v njem predstavljen kot krogla, napolnjena z neko pozitivno nabito tekočino, v katero so bili vgrajeni elektroni, kot " slive v puding. Polmer takšnega sferičnega modela je bil približno 10 -8 cm Celoten pozitivni naboj tekočine je simetrično in enakomerno uravnotežen z negativnimi naboji elektronov, kot je prikazano na spodnji sliki.

Ta model je zadovoljivo razložil dejstvo, da pri segrevanju snov začne oddajati svetlobo. Čeprav je bil to prvi poskus razumeti, kaj je atom, ni uspel zadovoljiti rezultatov poskusov, ki so jih kasneje izvedli Rutherford in drugi. Thomson se je leta 1911 strinjal, da njegov model preprosto ne more odgovoriti, kako in zakaj pride do sipanja α-žarkov, opaženega v poskusih. Zato so ga opustili in ga nadomestil popolnejši planetarni model atoma.

Kako je sploh urejen atom?

Ernest Rutherford je podal razlago pojava radioaktivnosti, ki ga je prinesel Nobelova nagrada, vendar je njegov najpomembnejši prispevek k znanosti prišel pozneje, ko je ugotovil, da je atom sestavljen iz gostega jedra, ki ga obdajajo tirnice elektronov, tako kot je Sonce obkroženo z orbitami planetov.

Po planetarnem modelu atoma je večina njegove mase koncentrirana v majhnem (v primerjavi z velikostjo celotnega atoma) jedru. Elektroni se gibljejo okoli jedra in potujejo z neverjetno hitrostjo, vendar je večina volumna atomov prazen prostor.

Velikost jedra je tako majhna, da je njegov premer 100.000-krat manjši od premera atoma. Premer jedra je Rutherford ocenil na 10 -13 cm, v nasprotju z velikostjo atoma - 10-8 cm Zunaj jedra se elektroni vrtijo okoli njega z visoke hitrosti, kar ima za posledico centrifugalne sile, ki uravnovešajo elektrostatične sile privlačnosti med protoni in elektroni.

Rutherfordovi poskusi

planetarni model atom je nastal leta 1911, po znamenitem poskusu z zlato folijo, ki je omogočil pridobitev nekaterih temeljnih informacij o njegovi zgradbi. Rutherfordova pot do odkritja atomsko jedro je dober primer vlogo ustvarjalnosti v znanosti. Njegovo iskanje se je začelo že leta 1899, ko je odkril, da nekateri elementi oddajajo pozitivno nabite delce, ki lahko prodrejo v karkoli. Te delce je imenoval alfa (α) delci (zdaj vemo, da so bila helijeva jedra). Kot vsi dobri znanstveniki je bil Rutherford radoveden. Spraševal se je, ali bi lahko alfa delce uporabili za odkrivanje strukture atoma. Rutherford se je odločil, da bo žarek alfa delcev usmeril na list zelo tanke zlate folije. Izbral je zlato, ker lahko proizvede plošče, tanke do 0,00004 cm. Za list zlate folije je postavil zaslon, ki je žarel, ko so nanj udarili alfa delci. Uporabili so ga za odkrivanje alfa delcev, potem ko so šli skozi folijo. Majhna reža na zaslonu je omogočila, da je žarek alfa delcev dosegel folijo po izstopu iz vira. Nekaj jih mora preiti skozi folijo in se naprej premikati v isti smeri, drugi del pa se mora odbiti od folije in se odbiti pod ostrimi koti. Shemo poskusa si lahko ogledate na spodnji sliki.

Kaj se je zgodilo v Rutherfordovem poskusu?

Na podlagi J. J. Thomsonovega modela atoma je Rutherford domneval, da bodo trdna področja pozitivnega naboja, ki zapolnjujejo celotno prostornino atomov zlata, odklonila ali upognila poti vseh alfa delcev, ko bodo šli skozi folijo.

Vendar pa je velika večina alfa delcev šla prav skozi zlato folijo, kot da je ne bi bilo. Zdelo se je, da gredo skozi prazen prostor. Le redki jih skrenejo z ravne poti, kot je bilo predvideno na začetku. Spodaj je graf števila delcev, razpršenih v ustrezni smeri, glede na kot sipanja.

Presenetljivo je, da se je majhen odstotek delcev odbil nazaj od folije, kot bi se košarkarska žoga odbila od table. Rutherford je spoznal, da so ta odstopanja posledica neposrednega trka med delci alfa in pozitivno nabitimi komponentami atoma.

Jedro je v središču pozornosti

Na podlagi zanemarljivega odstotka alfa delcev, ki se odbijejo od folije, lahko sklepamo, da sta ves pozitivni naboj in skoraj vsa masa atoma skoncentrirana na enem majhnem območju, preostali del atoma pa je večinoma prazen prostor. Rutherford je območje koncentriranega pozitivnega naboja imenoval jedro. Napovedal je in kmalu odkril, da vsebuje pozitivno nabite delce, ki jih je poimenoval protoni. Rutherford je napovedal obstoj nevtralnih atomskih delcev, imenovanih nevtroni, vendar jih ni uspel odkriti. Vendar jih je nekaj let pozneje odkril njegov učenec James Chadwick. Spodnja slika prikazuje zgradbo jedra atoma urana.

Atomi so sestavljeni iz pozitivno nabitih težkih jeder, obdanih z negativno nabitimi izjemno lahkimi delci-elektroni, ki se vrtijo okoli njih, in to s takšnimi hitrostmi, da mehanske centrifugalne sile preprosto uravnotežijo njihovo elektrostatično privlačnost do jedra, s tem pa naj bi bila zagotovljena stabilnost atoma.

Slabosti tega modela

Rutherfordova glavna ideja je bila povezana z idejo majhnega atomskega jedra. Predpostavka o orbitah elektronov je bila čista domneva. Ni natančno vedel, kje in kako se elektroni vrtijo okoli jedra. Zato Rutherfordov planetarni model ne pojasnjuje porazdelitve elektronov po orbitah.

Poleg tega je bila stabilnost Rutherfordovega atoma mogoča le z neprekinjenim gibanjem elektronov po orbitah brez izgube kinetične energije. Toda elektrodinamični izračuni so pokazali, da gibanje elektronov vzdolž kakršnih koli krivolinijskih poti, ki ga spremlja sprememba smeri vektorja hitrosti in pojav ustreznega pospeška, neizogibno spremlja oddajanje elektromagnetne energije. V tem primeru je treba po zakonu o ohranjanju energije kinetično energijo elektrona zelo hitro porabiti za sevanje in mora pasti na jedro, kot je shematično prikazano na spodnji sliki.

Toda to se ne zgodi, saj so atomi stabilne tvorbe. Med modelom pojava in eksperimentalnimi podatki je nastalo tipično znanstveno protislovje.

Od Rutherforda do Nielsa Bohra

Naslednji velik napredek v zgodovini atoma je prišel leta 1913, ko je danski znanstvenik Niels Bohr objavil opis podrobnejšega modela atoma. Jasneje je določil kraje, kjer bi lahko bili elektroni. Čeprav so kasnejši znanstveniki razvili bolj sofisticirane atomske zasnove, je bil Bohrov planetarni model atoma v bistvu pravilen in velik del je še danes sprejet. Imel je veliko uporabnih aplikacij, na primer z njegovo pomočjo razlagajo lastnosti različnih kemičnih elementov, naravo njihovega spektra sevanja in strukturo atoma. Planetarni model in Bohrov model sta bila najpomembnejša mejnika, ki sta zaznamovala nastanek nove smeri v fiziki – fizike mikrosveta. Bohr je leta 1922 prejel Nobelovo nagrado za fiziko za svoj prispevek k našemu razumevanju strukture atoma.

Kaj novega je Bohr prinesel v model atoma?

Bohr je kot mladenič delal v Rutherfordovem laboratoriju v Angliji. Ker je bil koncept elektronov v Rutherfordovem modelu slabo razvit, se je Bohr osredotočil nanje. Zaradi tega je bil planetarni model atoma bistveno izboljšan. Bohrovi postulati, ki jih je oblikoval v svojem članku "O strukturi atomov in molekul", objavljenem leta 1913, se glasijo:

1. Elektroni se lahko gibljejo okoli jedra le na določenih razdaljah od njega, ki jih določa količina energije, ki jo imajo. Te fiksne ravni je imenoval energijske ravni ali elektronske lupine. Bohr si jih je zamislil kot koncentrične krogle z jedrom v središču vsake. V tem primeru se bodo elektroni z nižjo energijo našli na nižjih ravneh, bližje jedru. Tisti z več energije se bodo našli na več visoke ravni, stran od jedra.

2. Če elektron absorbira nekaj (za dano raven precej gotovo) količino energije, potem bo skočil na naslednjo, višjo energijsko raven. Nasprotno, če izgubi enako količino energije, se bo vrnil na prvotno raven. Vendar pa elektron ne more obstajati na dveh energetskih ravneh.

To idejo ponazarja slika.

Deli energije za elektrone

Bohrov model atoma je pravzaprav kombinacija dveh različne ideje: Rutherfordov atomski model z elektroni, ki se vrtijo okoli jedra (v resnici je to Bohr-Rutherfordov planetarni model atoma), in ideje nemškega znanstvenika Maxa Plancka o kvantizaciji energije snovi, objavljene leta 1901. Kvant (v množina- quanta) je najmanjša količina energije, ki jo lahko absorbira ali odda snov. Gre za nekakšen korak diskretizacije količine energije.

Če energijo primerjamo z vodo in jo želite dodati materiji v obliki kozarca, ne morete točiti vode kar v neprekinjenem toku. Namesto tega ga lahko dodate v majhnih količinah, na primer čajno žličko. Bohr je verjel, da če lahko elektroni absorbirajo ali izgubijo samo določene količine energije, potem morajo svojo energijo spreminjati le za te fiksne količine. Tako lahko zasedajo le fiksne energetske ravni okoli jedra, ki ustrezajo kvantiziranim prirastkom njihove energije.

Iz Bohrovega modela torej raste kvantni pristop k razlagi strukture atoma. Planetarni model in Bohrov model sta bila nekakšna koraka od klasične fizike do kvantne fizike, ki je glavno orodje v fiziki mikrosveta, vključno z atomsko fiziko.

Planetarni model atoma

Planetarni model atoma: jedro (rdeče) in elektroni (zeleno)

Planetarni model atoma, oz Rutherfordov model, - zgodovinski model strukturo atoma, ki jo je predlagal Ernest Rutherford kot rezultat poskusa z sipanjem alfa delcev. Po tem modelu je atom sestavljen iz majhnega pozitivno nabitega jedra, v katerem je skoncentrirana skoraj celotna masa atoma, okoli katerega se gibljejo elektroni, tako kot se planeti gibljejo okoli sonca. Planetarni model atoma ustreza sodobnim predstavam o zgradbi atoma, ob upoštevanju dejstva, da je gibanje elektronov kvantne narave in ga ne opisujejo zakoni klasične mehanike. Zgodovinsko gledano je Rutherfordov planetarni model nasledil "model slivovega pudinga" Josepha Johna Thomsona, ki domneva, da so negativno nabiti elektroni nameščeni v pozitivno nabit atom.

Rutherford je leta 1911 predlagal nov model strukture atoma kot zaključek eksperimenta sipanja alfa delcev na zlati foliji, ki je bil izveden pod njegovim vodstvom. S tem razprševanjem, nepričakovano veliko število alfa delci so bili razpršeni pod velikimi koti, kar je nakazovalo, da ima razpršilno središče majhna velikost in vsebuje pomemben električni naboj. Rutherfordovi izračuni so pokazali, da mora biti razpršilno središče, pozitivno ali negativno nabito, vsaj 3000-krat manjše od velikosti atoma, ki je bila takrat že znana in ocenjena na približno 10 -10 m. Ker so bili elektroni že znani pri takrat in sta določena njuna masa in naboj, potem je moralo imeti središče sipanja, ki so ga pozneje imenovali jedro, nasproten naboj kot elektroni. Rutherford količine naboja ni povezal z atomskim številom. Ta sklep je bil sprejet pozneje. In sam Rutherford je predlagal, da je naboj sorazmeren z atomsko maso.

Pomanjkljivost planetarnega modela je bila njegova nezdružljivost z zakoni klasične fizike. Če se elektroni gibljejo okoli jedra kot planeti okoli Sonca, je njihovo gibanje pospešeno, zato bi po zakonih klasične elektrodinamike morali sevati elektromagnetnih valov, izgubijo energijo in padejo na jedro. Naslednji korak v razvoju planetarnega modela je bil Bohrov model, ki je postavil druge, drugačne od klasičnih, zakone gibanja elektronov. Popolnoma je protislovja elektrodinamike lahko rešila kvantna mehanika.

Fundacija Wikimedia. 2010 .

Planetarij Eise Eisingi
planetarna fantazija

Poglejte, kaj je "Planetarni model atoma" v drugih slovarjih:

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

Bohrov model atoma- Bohrov model vodiku podobnega atoma (Z jedrski naboj), kjer je negativno nabit elektron zaprt v atomsko lupino, ki obdaja majhno, pozitivno nabito atomsko jedro ... Wikipedia

Model (v znanosti)- Model (francosko modèle, ital. modello, iz latinščine modulus meri, meri, vzorec, norma), 1) vzorec, ki služi kot standard (standard) za serijsko ali masovno reprodukcijo (M. avto, M. oblačila itd. . ), pa tudi vrsto, blagovno znamko katerega koli ... ...

Model- I Model (Model) Walter (24. januar 1891, Gentin, Vzhodna Prusija, 21. april 1945, blizu Duisburga), nacistični nemški general feldmaršal (1944). V vojski od 1909, sodeloval v 1. svetovni vojni 1914 18. Od novembra 1940 je poveljeval 3. tanku ... ... Velika sovjetska enciklopedija

STRUKTURA ATOMA- (glej) zgrajen iz elementarni delci tri vrste (glej), (glej) in (glej), ki tvorijo stabilen sistem. Proton in nevtron sta del atomske (glej) tvorbe elektronov elektronska lupina. V jedru delujejo sile (glej), zaradi česar ... ... Velika politehnična enciklopedija

Atom- Ta izraz ima druge pomene, glej Atom (pomeni). Atom helija Atom (iz druge grščine ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), angleški fizik, eden od ustvarjalcev teorije radioaktivnosti in zgradbe atoma, ustanovitelj znanstvena šola, tuji dopisni član Ruske akademije znanosti (1922) in častni član Akademije znanosti ZSSR (1925). Rojen na Novi Zelandiji, po diplomi iz ... ... enciklopedični slovar

Άτομο

telesca- Atom helija Atom (še en grški ἄτομος nedeljiv) najmanjši del kemični element, ki je nosilec njegovih lastnosti. Atom je sestavljen iz atomskega jedra in elektronskega oblaka, ki ga obdaja. Jedro atoma sestavljajo pozitivno nabiti protoni in ... ... Wikipedia

telesca- Atom helija Atom (še en grški ἄτομος nedeljiv) je najmanjši del kemičnega elementa, ki je nosilec njegovih lastnosti. Atom je sestavljen iz atomskega jedra in elektronskega oblaka, ki ga obdaja. Jedro atoma sestavljajo pozitivno nabiti protoni in ... ... Wikipedia

knjige

Komplet miz. fizika. 11. razred (15 tabel), . Izobraževalni album 15 listov. transformator. Elektromagnetna indukcija v sodobna tehnologija. Elektronske svetilke. Katodna cev. Polprevodniki. polprevodniška dioda. Tranzistor.…

Predlagan je bil eden prvih modelov strukture atoma J. Thomson leta 1904 je bil atom predstavljen kot "morje pozitivne elektrike" z elektroni, ki nihajo v njem. Celoten negativni naboj elektronov električno nevtralnega atoma je bil izenačen s celotnim pozitivnim nabojem.

Rutherfordove izkušnje

Preizkusiti Thomsonovo hipotezo in natančneje določiti strukturo atoma E. Rutherford organiziral vrsto eksperimentov o razprševanju α -delci tanke kovinske plošče - folija. Leta 1910 študenti Rutherforda Hans Geiger in Ernest Marsden izvajali poskuse bombardiranja α - delci tankih kovinskih plošč. To so ugotovili največ α -delci prehajajo skozi folijo, ne da bi spremenili svojo pot. In to ni bilo presenetljivo, če sprejmemo pravilnost Thomsonovega modela atoma.

Vir α - sevanje je bilo postavljeno v svinčeno kocko z izvrtanim kanalom, tako da je bilo mogoče dobiti pretok α -delci, ki letijo v določeni smeri. Alfa delci so dvakrat ionizirani atomi helija ( Ne 2+). Imajo pozitiven naboj +2 in maso, ki je skoraj 7350-krat večja od mase elektrona. Udari zaslon, prevlečen s cinkovim sulfidom, α -delci so povzročili, da je žarel, s povečevalnim steklom pa je bilo mogoče videti in prešteti posamezne bliske, ki se pojavijo na zaslonu ob vsakem α -delci. Med vir sevanja in zaslon je bila nameščena folija. Po bliskavicah na zaslonu je bilo mogoče soditi o razpršenosti α -delci, t.j. o njihovem odstopanju od prvotne smeri pri prehodu skozi kovinsko plast.

Izkazalo se je, da večina α -delci prehajajo skozi folijo, ne da bi spremenili njeno smer, čeprav je debelina folije ustrezala več sto tisoč atomskim premerom. Nekateri pa si delijo α -delci še vedno odstopajo pod majhnimi koti in občasno α -delci so močno spremenili smer svojega gibanja in celo (približno 1 od 100.000) so bili vrženi nazaj, kot da bi naleteli na ogromno oviro. Primeri tako ostrega odstopanja α -delce je bilo mogoče opazovati s premikanjem zaslona s povečevalnim steklom v loku.

Iz rezultatov tega poskusa bi lahko izpeljali naslednje zaključke:

V atomu je neka "ovira", ki se imenuje jedro.
Jedro ima pozitiven naboj (sicer pozitivno nabit α delci se ne bi odbijali nazaj).
Jedro je zelo majhno v primerjavi z velikostjo samega atoma (le majhen del α -delci so spremenili smer).
Jedro ima večjo maso kot masa α -delci.

Rutherford je rezultate poskusa pojasnil s predlogom "planetarni" model atoma primerjal s sončnim sistemom. Po planetarnem modelu je v središču atoma zelo majhno jedro, katerega velikost je približno 100.000-krat manjše velikosti sam atom. To jedro vsebuje skoraj celotno maso atoma in nosi pozitiven naboj. Okoli jedra se gibljejo elektroni, katerih število je odvisno od naboja jedra. Zunanja pot elektronov določa zunanje dimenzije atoma. Premer atoma je približno 10 -8 cm, premer jedra pa približno 10 -13 ÷10 -12 cm.

Večji kot je naboj atomskega jedra, močnejši se bo od njega odvrnil α -delec, pogosteje se bodo pojavljali primeri močnih odstopanj α -delci, ki prehajajo skozi kovinsko plast, iz prvotne smeri gibanja. Zato poskusi razpršitve α -delci omogočajo ne samo odkrivanje obstoja atomskega jedra, temveč tudi določitev njegovega naboja. Že iz Rutherfordovih poskusov je sledilo, da je naboj jedra (izražen v enotah naboja elektrona) številčno enak redni številki elementa v periodnem sistemu. Potrjeno je G. Moseley, ki je leta 1913 vzpostavil preprosto razmerje med valovnimi dolžinami določenih linij rentgenskega spektra elementa in njegovo zaporedno številko, in D. Chadwick, ki je leta 1920 z veliko natančnostjo določil naboje atomskih jeder številnih elementov z razprševanjem α -delci.

je bil nameščen fizični pomen zaporedna številka elementa v periodnem sistemu: serijska številka se je izkazala za najpomembnejšo konstanto elementa, ki izraža pozitiven naboj jedra njegovega atoma. Iz električne nevtralnosti atoma izhaja, da je število elektronov, ki se vrtijo okoli jedra, enako redni številki elementa.

To odkritje je dalo novo utemeljitev za razporeditev elementov v periodnem sistemu. Hkrati je odpravila navidezno protislovje v Mendelejevskem sistemu – položaj nekaterih elementov z večjo atomsko maso pred elementi z nižjo atomsko maso (telur in jod, argon in kalij, kobalt in nikelj). Izkazalo se je, da tukaj ni protislovja, saj je mesto elementa v sistemu določeno z nabojem atomskega jedra. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je naboj jedra atoma telurja 52, atoma joda pa 53; torej telurja, kljub velikemu atomska masa, mora stati proti jodu. Podobno naboji jeder argona in kalija, niklja in kobalta v celoti ustrezajo zaporedju razporeditve teh elementov v sistemu.

Torej je naboj atomskega jedra glavna količina, od katere so odvisne lastnosti elementa in njegov položaj v periodnem sistemu. Torej periodični zakon Mendelejev trenutno je mogoče oblikovati na naslednji način:

Lastnosti elementov in preprostih in kompleksne snovi so v periodični odvisnosti od naboja jedra atomov elementov

Določanje zaporednih številk elementov z naboji jeder njihovih atomov je omogočilo ugotovitev skupno število mesta v periodnem sistemu med vodikom, ki ima zaporedno številko 1, in uranom (atomsko številko 92), ki je takrat veljal za zadnjega člana periodnega sistema elementov. Ko je nastala teorija zgradbe atoma, so mesta 43, 61, 72, 75, 85 in 87 ostala nezasedena, kar je kazalo na možnost obstoja še neodkritih elementov. In res, leta 1922 je bil odkrit element hafnij, ki je nadomestil 72; nato leta 1925 - renij, ki se je zgodil 75. Elementi, ki bi morali zasedati preostala štiri prosta mesta v tabeli, so se izkazali za radioaktivne in jih v naravi niso našli, ampak so jih pridobili umetno. Novi elementi so bili poimenovani tehnecij (število 43), prometij (61), astatin (85) in francij (87). Trenutno so vse celice periodnega sistema med vodikom in uranom napolnjene. Vendar pa ona periodični sistem ni dokončan.

Atomski spektri

Planetarni model je bil velik korak v teoriji strukture atoma. Vendar je bilo v nekaterih pogledih v nasprotju z dobro uveljavljenimi dejstvi. Razmislimo o dveh takih protislovjih.

Prvič, Rutherfordova teorija ni mogla razložiti stabilnosti atoma. Elektron, ki se vrti okoli pozitivno nabitega jedra, mora, kot niha električni naboj, oddajajo elektromagnetna energija v obliki svetlobnih valov. Toda, ko oddaja svetlobo, elektron izgubi nekaj svoje energije, kar vodi do neravnovesja med centrifugalno silo, povezano z vrtenjem elektrona, in silo elektrostatičnega privlačenja elektrona v jedro. Za vzpostavitev ravnotežja se mora elektron približati jedru. Tako se bo elektron, ki nenehno oddaja elektromagnetno energijo in se giblje v spirali, približal jedru. Ko je izčrpal vso svojo energijo, mora "pasti" na jedro in atom bo prenehal obstajati. Ta sklep je v nasprotju nepremičnine atomi, ki so stabilne tvorbe in lahko obstajajo, ne da bi bili uničeni zelo dolgo.

Drugič, Rutherfordov model je pripeljal do napačnih zaključkov o naravi atomskih spektrov. Ko svetlobo, ki jo oddaja vroče trdno ali tekoče telo, prehaja skozi stekleno ali kremenovo prizmo, se na zaslonu, nameščenem za prizmo, opazi tako imenovani neprekinjen spekter, katerega vidni del je obarvan pas, ki vsebuje vse barve mavrica. Ta pojav razlagamo z dejstvom, da sevanje vroče trdne oz tekoče telo je sestavljen iz elektromagnetnih valov različnih frekvenc. Valovi različnih frekvenc se neenakomerno lomijo od prizme in padajo na različnih mestih zaslon. Frekvenčna konstelacija elektromagnetno sevanje, ki ga oddaja snov, in se imenuje emisijski spekter. Po drugi strani pa snovi absorbirajo sevanje določenih frekvenc. Celota slednjega se imenuje absorpcijski spekter snovi.

Za pridobitev spektra namesto prizme lahko uporabite difrakcijsko rešetko. Slednji je steklena plošča, na površini katere so nanesene tanke vzporedne poteze na zelo blizu drug od drugega (do 1500 udarcev na 1 mm). Ko gre skozi takšno rešetko, se svetloba razgradi in tvori spekter, podoben tistemu, ki ga dobimo s prizmo. Difrakcija je neločljivo povezana s katerim koli valovnim gibanjem in služi kot eden glavnih dokazov valovne narave svetlobe.

Pri segrevanju snov oddaja žarke (sevanje). Če ima sevanje eno valovno dolžino, se imenuje monokromatsko. V večini primerov je za sevanje značilno več valovnih dolžin. Ko sevanje razgradimo na monokromatske komponente, dobimo spekter sevanja, kjer so njegove posamezne komponente izražene s spektralnimi črtami.

Spektre, pridobljene z sevanjem prostih ali šibko vezanih atomov (na primer v plinih ali parah), imenujemo atomski spektri.

Sevanje, ki ga oddajajo trdne snovi ali tekočine, vedno daje neprekinjen spekter. Sevanje, ki ga oddajajo vroči plini in hlapi, v nasprotju s sevanjem trdne snovi in tekočine, vsebuje le določene valovne dolžine. Zato namesto neprekinjenega traku na zaslonu dobimo vrsto ločenih barvnih črt, ločenih s temnimi vrzeli. Število in lokacija teh vodov sta odvisna od narave vročega plina ali hlapov. Torej, kalijeva para daje - spekter, sestavljen iz treh črt - dveh rdečih in ene vijolične; v spektru kalcijevih hlapov je več rdečih, rumenih in zelenih črt itd.

Sevanje, ki ga oddajajo trdne snovi ali tekočine, vedno daje neprekinjen spekter. Sevanje, ki ga oddajajo vroči plini in hlapi, v nasprotju s sevanjem trdnih snovi in tekočin vsebuje le določene valovne dolžine. Zato namesto neprekinjenega traku na zaslonu dobimo vrsto ločenih barvnih črt, ločenih s temnimi vrzeli. Število in lokacija teh vodov sta odvisna od narave vročega plina ali hlapov. Torej, kalijeva para daje spekter, sestavljen iz treh črt - dveh rdečih in ene vijolične; v spektru kalcijevih hlapov je več rdečih, rumenih in zelenih črt itd.

Takšni spektri se imenujejo linijski spektri. Ugotovljeno je bilo, da ima svetloba, ki jo oddajajo atomi plinov, linijski spekter, v katerem se spektralne črte lahko serijsko kombinirajo.

V vsaki seriji razporeditev črt ustreza določenemu vzorcu. Lahko se opišejo frekvence posameznih linij Balmerjeva formula:

Dejstvo, da atomi vsakega elementa dajejo popolnoma določen spekter, ki je lasten samo temu elementu, in je intenzivnost ustreznih spektralnih črt višja, več vsebine element v vzorcu se pogosto uporablja za določanje kvalitativne in kvantitativne sestave snovi in materialov. Ta raziskovalna metoda se imenuje spektralna analiza.

Izkazalo se je, da planetarni model strukture atoma ne more razložiti linijskega emisijskega spektra atomov vodika, še bolj pa kombinacije spektralnih linij v seriji. Elektron, ki se vrti okoli jedra, se mora približati jedru in nenehno spreminjati hitrost svojega gibanja. Frekvenca svetlobe, ki jo oddaja, je določena s frekvenco njenega vrtenja in se mora zato nenehno spreminjati. To pomeni, da mora biti sevalni spekter atoma stalen, neprekinjen. Po tem modelu mora biti frekvenca sevanja atoma enaka frekvenci mehanskih vibracij ali večkratnik, kar ni v skladu z Balmerjevo formulo. Tako Rutherfordova teorija ni mogla razložiti niti obstoja stabilnih atomov niti prisotnosti njihovih linijskih spektrov.

kvantna teorija svetlobe

Leta 1900 M. Plank pokazala, da je sposobnost segretega telesa, da oddaja sevanje, pravilno kvantitativno opisati le s predpostavko, da sevalna energija oddaja in absorbira telesa ne neprekinjeno, ampak diskretno, t.j. v ločenih delih - kvanti. Hkrati pa energija E vsak takšen del je povezan s frekvenco sevanja z razmerjem, ki se imenuje Planckove enačbe:

Sam Planck dolgo časa je verjel, da je oddajanje in absorpcija svetlobe s kvantovi lastnost sevalnih teles in ne sevanja samega, ki je sposobno imeti kakršno koli energijo in se zato lahko neprekinjeno absorbira. Vendar pa je leta 1905 Einstein, ki je analiziral pojav fotoelektričnega učinka, prišel do zaključka, da elektromagnetna (sevalna) energija obstaja le v obliki kvantov in da je torej sevanje tok nedeljivih materialnih »delcev« (fotonov), katerih energija je odločen Planckova enačba.

fotoelektrični učinek Imenuje se emisija elektronov kovine pod vplivom svetlobe, ki pada nanjo. Ta pojav je bil podrobno preučen v letih 1888-1890. A. G. Stoletov. Če postavite nastavitev v vakuum in nanesete na ploščo M negativni potencial, potem v vezju ne bo opaziti toka, saj v prostoru med ploščo in mrežo ni nabitih delcev, ki bi lahko prenašali elektrika. Ko pa je plošča osvetljena s svetlobnim virom, galvanometer zazna pojav toka (imenovanega fototok), katerega nosilci so elektroni, ki jih svetloba izvleče iz kovine.

Izkazalo se je, da se ob spremembi jakosti svetlobe spremeni samo število elektronov, ki jih oddaja kovina, t.j. jakost fototoka. Toda največja kinetična energija vsakega elektrona, ki se oddaja iz kovine, ni odvisna od intenzivnosti osvetlitve, ampak se spremeni le, ko se spremeni frekvenca svetlobe, ki pada na kovino. S povečanjem valovne dolžine (tj. z zmanjšanjem frekvence) se energija elektronov, ki jih oddaja kovina, zmanjša, nato pa pri valovni dolžini, določeni za vsako kovino, fotoelektrični učinek izgine in se ne pojavi niti pri zelo visoka intenzivnost svetlobe. Torej, ko je osvetljen z rdečo ali oranžno svetlobo, natrij ne kaže fotoelektričnega učinka in začne oddajati elektrone le pri valovni dolžini manj kot 590 nm (rumena svetloba); pri litiju se fotoelektrični učinek zazna še pri nižjih valovne dolžine, od 516 nm ( zelena luč); in izvleke elektronov iz platine pod delovanjem vidne svetlobe sploh ne pride in se začne šele, ko platino obsevamo z ultravijoličnimi žarki.

Te lastnosti fotoelektričnega učinka so popolnoma nerazložljive s stališča klasične valovne teorije svetlobe, po kateri naj bi učinek določili (za dano kovino) samo s količino energije, ki jo kovinska površina absorbira na enoto časa, vendar ne sme biti odvisen od vrste sevanja, ki je vpadlo na kovino. Vendar pa te iste lastnosti dobijo preprosto in prepričljivo razlago, če predpostavimo, da je sevanje sestavljeno iz ločenih delov, fotonov, z natančno določeno energijo.

Dejansko je elektron v kovini vezan na atome kovine, tako da je treba za njegovo izvlečenje porabiti določeno količino energije. Če ima foton potrebno količino energije (in je energija fotona določena s frekvenco sevanja), bo elektron izvržen in opazen bo fotoelektrični učinek. V procesu interakcije s kovino foton popolnoma preda svojo energijo elektronu, ker fotona ni mogoče razdeliti na dele. Energija fotona bo delno porabljena za prekinitev vezi med elektronom in kovino, deloma pa za prenos kinetične energije gibanja elektronu. Zato največja kinetična energija elektrona, ki je izbiti iz kovine, ne more biti večja od razlike med energijo fotona in energijo vezave elektrona z atomi kovine. Posledično se bo s povečanjem števila fotonov, ki padejo na kovinsko površino na enoto časa (tj. s povečanjem intenzivnosti osvetlitve), povečalo le število elektronov, izvrženih iz kovine, kar bo povzročilo povečanje fototok, vendar se energija vsakega elektrona ne bo povečala. Če je energija fotona manjša od minimalne energije, potrebne za izstrelitev elektrona, fotoelektrični učinek ne bo opažen pri nobenem številu fotonov, ki padejo na kovino, t.j. pri kateri koli jakosti svetlobe.

kvantna teorija svetlobe, razvit Einstein, je znal razložiti ne le lastnosti fotoelektričnega učinka, ampak tudi zakonitosti kemičnega delovanja svetlobe, temperaturna odvisnost toplotna zmogljivost trdnih snovi in številni drugi pojavi. Izkazalo se je za izjemno koristno pri razvoju idej o strukturi atomov in molekul.

Iz kvantne teorije svetlobe sledi, da se foton ne more razbiti: deluje kot celota s kovinskim elektronom in ga izbije iz plošče; kot celota deluje tudi s svetlobno občutljivo snovjo fotografskega filma, zaradi česar ta na določeni točki potemni ipd.. V tem smislu se foton obnaša kot delec, t.j. kaže korpuskularne lastnosti. Vendar ima foton tudi valovne lastnosti: to se kaže v valovni naravi širjenja svetlobe, v sposobnosti fotona, da interferira in difrakcijo. Foton se od delca v klasičnem pomenu besede razlikuje po tem, da njegovega natančnega položaja v prostoru, kot točnega položaja katerega koli vala, ni mogoče določiti. Vendar se razlikuje tudi od "klasičnega" vala - nezmožnosti delitve na dele. Ker združuje korpuskularne in valovne lastnosti, foton, strogo gledano, ni niti delec niti val – ima korpuskularno-valovno dualnost.

Podrobnosti Kategorija: Fizika atoma in atomskega jedra Objavljeno 10.3.2016 18:27 Ogledov: 4106

Starogrški in staroindijski znanstveniki in filozofi so verjeli, da so vse snovi okoli nas sestavljene iz drobnih delcev, ki se ne delijo.

Prepričani so bili, da na svetu ni nič manjšega od teh delcev, ki so jih imenovali atomi . In res, kasneje so obstoj atomov dokazali tako znani znanstveniki, kot so Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton. Atom je veljal za nedeljivega do konec XIX- začetek dvajsetega stoletja, ko se je izkazalo, da ni tako.

Odkritje elektrona. Thomsonov model atoma

Joseph John Thomson

Leta 1897 je angleški fizik Joseph John Thomson eksperimentalno preučeval obnašanje katodnih žarkov v magnetnih in električna polja, ugotovili, da so ti žarki tok negativno nabitih delcev. Hitrost gibanja teh delcev je bila pod hitrostjo svetlobe. Zato so imeli mašo. od kod so prišli? Znanstvenik je predlagal, da so ti delci del atoma. Poklical jih je telesca . Kasneje so jih poklicali elektronov . Tako je odkritje elektrona končalo teorijo o nedeljivosti atoma.

Thomsonov model atoma

Thomson je predlagal prvo elektronski model atom. Po njem je atom krogla, znotraj katere je nabita snov, katere pozitivni naboj je enakomerno razporejen po prostornini. In v tej snovi so, kot rozine v žemlji, vmešani elektroni. Na splošno je atom električno nevtralen. Ta model se je imenoval "model slivovega pudinga".

Toda Thomsonov model se je izkazal za napačnega, kar je bilo dokazano britanski fizik Sir Ernest Rutherford.

Rutherfordove izkušnje

Ernest Rutherford

Kako je atom pravzaprav urejen? Rutherford je na to vprašanje dal odgovor po svojem poskusu, ki so ga leta 1909 opravili skupaj z nemškim fizikom Hansom Geigerjem in novozelandskim fizikom Ernstom Marsdenom.

Rutherfordove izkušnje

Namen poskusa je bil preučiti atom s pomočjo alfa delcev, katerih fokusiran žarek je bil, ki je letel z veliko hitrostjo, usmerjen v najtanjšo zlato folijo. Za folijo je bil luminiscentni zaslon. Ko so delci trčili vanj, so se pojavili bliski, ki jih je bilo mogoče opazovati pod mikroskopom.

Če ima Thomson prav in je atom sestavljen iz oblaka elektronov, bi morali delci zlahka leteti skozi folijo, ne da bi se odvrnili. Ker je masa alfa delca presegla maso elektrona za približno 8000-krat, elektron ni mogel delovati nanj in zamakniti njegove poti pod velikim kotom, tako kot 10 g kamenček ne bi mogel spremeniti poti premikajočega se avtomobila.

Toda v praksi se je vse izkazalo drugače. Večina delcev je dejansko letela skozi folijo in praktično ne odstopajo ali odstopajo za majhen kot. Toda nekateri delci so se precej močno odmaknili ali celo odbili nazaj, kot da bi bila na njihovi poti kakšna ovira. Kot je dejal sam Rutherford, je bilo tako neverjetno, kot da bi se 15-palčni izstrelek odbil od kosa papirja.

Kaj je povzročilo, da so nekateri alfa delci tako močno spremenili smer? Znanstvenik je predlagal, da je razlog za to del atoma, koncentriran v zelo majhnem volumnu in ima pozitiven naboj. Poimenoval jo je jedro atoma.

Rutherfordov planetarni model atoma

Rutherfordov model atoma

Rutherford je prišel do zaključka, da je atom sestavljen iz gostega pozitivno nabitega jedra, ki se nahaja v središču atoma, in elektronov, ki imajo negativen naboj. Skoraj vsa masa atoma je koncentrirana v jedru. Na splošno je atom nevtralen. Pozitivni naboj jedra je enak vsoti negativnih nabojev vseh elektronov v atomu. Toda elektroni niso vgrajeni v jedro, kot v Thomsonovem modelu, ampak se vrtijo okoli njega, kot se planeti vrtijo okoli sonca. Do vrtenja elektronov pride pod delovanjem Coulombove sile, ki nanje deluje iz jedra. Hitrost vrtenja elektronov je ogromna. Nad površino jedra tvorijo nekakšen oblak. Vsak atom ima svoj elektronski oblak, ki je negativno nabit. Zaradi tega se ne "lepijo skupaj", ampak se odbijajo.

Zaradi svoje podobnosti z solarni sistem Rutherfordov model se je imenoval planetarni.

Zakaj atom obstaja

Vendar Rutherfordov model atoma ni uspel pojasniti, zakaj je atom tako stabilen. Dejansko se po zakonih klasične fizike elektron, ki se vrti v orbiti, premika s pospeškom, zato oddaja elektromagnetne valove in izgublja energijo. Na koncu mora te energije zmanjkati, elektron pa mora pasti v jedro. Če bi bilo tako, bi atom lahko obstajal le 10-8 s. Toda zakaj se to ne dogaja?

Razlog za ta pojav je kasneje pojasnil danski fizik Niels Bohr. Predlagal je, da se elektroni v atomu premikajo le po fiksnih orbitah, ki se imenujejo "dovoljene orbite". Ker so na njih, ne oddajajo energije. In do emisije ali absorpcije energije pride le, ko se elektron premika iz ene dovoljene orbite v drugo. Če je to prehod iz oddaljene orbite v tisto, ki je bližje jedru, se energija seva in obratno. Sevanje se pojavlja v delih, ki se imenujejo kvanti.

Čeprav model, ki ga je opisal Rutherford, ni mogel razložiti stabilnosti atoma, je omogočil pomemben napredek pri preučevanju njegove strukture.

Leta 1903 je angleški znanstvenik Thomson predlagal model atoma, ki so ga v šali imenovali "žemlja z rozinami". Po njegovem mnenju je atom krogla z enotnim pozitivnim nabojem, v kateri so kot rozine vpleteni negativno nabiti elektroni.

Vendar pa so nadaljnje študije atoma pokazale, da je ta teorija nevzdržna. In nekaj let pozneje je drugi angleški fizik, Rutherford, izvedel vrsto poskusov. Na podlagi rezultatov je zgradil hipotezo o zgradbi atoma, ki je še danes priznana po vsem svetu.

Rutherfordova izkušnja: predlog njegovega modela atoma

V svojih poskusih je Rutherford prepustil snop alfa delcev skozi tanko zlato folijo. Zlato je bilo izbrano zaradi svoje plastičnosti, ki je omogočila izdelavo zelo tanke folije, debele skoraj eno plast molekul. Za folijo je bil poseben zaslon, ki je bil ob bombardiranju z alfa delci, ki so padali nanjo, osvetljen. Po Thomsonovi teoriji bi morali alfa delci neovirano prehajati skozi folijo in pri tem precej odstopati v stranice. Vendar se je izkazalo, da so se nekateri delci obnašali tako, zelo majhen del pa se je odbil nazaj, kot da bi nekaj zadel.

To pomeni, da je bilo ugotovljeno, da je znotraj atoma nekaj trdnega in majhnega, od česar so se alfa delci odbili. Takrat je Rutherford predlagal planetarni model strukture atoma. Rutherfordov planetarni model atoma je pojasnil rezultate tako njegovih eksperimentov kot rezultatov njegovih kolegov. Do danes ni na voljo najboljši model, čeprav nekateri vidiki te teorije še vedno niso skladni s prakso na nekaterih zelo ozkih področjih znanosti. Toda v bistvu je planetarni model atoma najbolj uporaben od vseh. Kaj je ta model?

Planetarni model strukture atoma

Kot pove že ime, se atom primerja s planetom. V tem primeru je planet jedro atoma. In elektroni se vrtijo okoli jedra na precej veliki razdalji, tako kot se sateliti vrtijo okoli planeta. Samo hitrost vrtenja elektronov je več sto tisočkrat večja od hitrosti vrtenja najhitrejšega satelita. Zato med svojim vrtenjem elektron ustvari tako rekoč oblak nad površino jedra. In obstoječi naboji elektronov odbijajo enake naboje, ki jih tvorijo drugi elektroni okoli drugih jeder. Zato se atomi ne "lepijo skupaj", ampak se nahajajo na določeni razdalji drug od drugega.

In ko govorimo o trku delcev, mislimo na to, da se približujejo drug drugemu na dovolj veliko razdaljo in se odbijajo od polj njihovih nabojev. Neposrednega stika ni. Delci v snovi so na splošno zelo oddaljeni. Če bi bilo mogoče na kakršen koli način implodirati delce katerega koli telesa, bi se to zmanjšalo za milijardo krat. Zemlja bi postala manjša od jabolka. Torej glavni volumen katere koli snovi, naj se sliši čudno, zaseda praznina, v kateri se nahajajo nabiti delci, ki jih na daljavo držijo elektronske sile interakcije.