Vilken modell av atomens struktur föreslog Rutherford. Några historiska och moderna modeller av atomen

Historiska modeller1 av atomen speglar de kunskapsnivåer som motsvarar en viss period i vetenskapens utveckling.

Det första steget i utvecklingen av atommodeller kännetecknades av frånvaron av experimentella data om dess struktur.

Genom att förklara fenomenen i mikrokosmos letade forskare efter analogier i makrokosmos och förlitade sig på den klassiska mekanikens lagar.

J. Dalton, skaparen av kemisk atomism (1803), antog att atomer av samma kemiskt elementär samma sfäriska minsta och därför odelbara partiklar.

Den franske fysikern Jean Baptiste Perrin (1901) föreslog en modell som faktiskt förutsåg den "planetära" modellen. Enligt denna modell finns en positivt laddad kärna i atomens centrum, runt vilken negativt laddade elektroner rör sig i vissa banor, som planeter runt solen. Perrin-modellen lockade inte forskarnas uppmärksamhet, eftersom den bara gav en kvalitativ, men inte en kvantitativ, egenskap hos atomen (i fig. 7 visas detta av skillnaden mellan laddningen av atomkärnan och antalet elektroner ).

År 1902 utvecklade den engelske fysikern William Thomson (Kelvin) idén om en atom som en positivt laddad sfärisk partikel, inuti vilken negativt laddade elektroner oscillerar (utstrålar och absorberar energi). Kelvin uppmärksammade det faktum att antalet elektroner är lika med den positiva laddningen av sfären, därför har atomen i allmänhet ingen elektrisk laddning (Fig. 7).

Ett år senare föreslog den tyske fysikern Philipp Lenard en modell enligt vilken atomen är en ihålig sfär, inuti vilken det finns elektriska dipoler (dynamider). Volymen som upptas av dessa dipoler är mycket mindre än sfärens volym, och huvuddelen av atomen är tom.

Enligt idéerna från den japanska fysikern Gontaro (Hantaro) Nagaoka (1904) är en positivt laddad kärna belägen i atomens centrum, och elektroner rör sig i rymden runt kärnan i platta ringar som liknar ringarna på planeten Saturnus (detta modellen kallades den "saturniska" atomen). De flesta forskare har inte uppmärksammat Nagaokas idéer, även om de till viss del har något gemensamt med den moderna idén om atomomloppsbanan.

Ingen av de övervägda modellerna (Fig. 7) förklarade hur egenskaperna hos kemiska element är relaterade till strukturen hos deras atomer.

Ris. 7. Några historiska modeller av atomen

År 1907 föreslog J. J. Thomson en statisk modell av atomens struktur, som representerar atomen som en sfärisk partikel laddad med positiv elektricitet, där negativt laddade elektroner är jämnt fördelade ( modell"pudding", Fig. 7).

Matematiska beräkningar har visat att elektronerna i en atom måste vara placerade på koncentriskt arrangerade ringar. Thomson gjorde mycket viktig slutsats: orsaken till den periodiska förändringen av egenskaperna hos kemiska grundämnen är förknippad med funktionerna elektronisk struktur deras atomer. Tack vare detta var Thomsons modell av atomen mycket uppskattad av hans samtida. Den förklarade dock inte vissa fenomen, till exempel spridningen av α-partiklar under deras passage genom metallplatta.

Baserat på sina idéer om atomen härledde Thomson en formel för att beräkna medelavvikelsen för α-partiklar, och denna beräkning visade att sannolikheten för spridning av sådana partiklar i stora vinklar är nära noll. Det har dock bevisats experimentellt att ungefär en av åtta tusen alfapartiklar som faller på guldfolie avböjs genom en vinkel större än 90°. Detta stred mot Thomsons modell, som antog avvikelser endast vid små vinklar.

Ernest Rutherford, som sammanfattar experimentella data, föreslog 1911 en "planetär" (ibland kallad "nukleär") modell av atomens struktur, enligt vilken 99,9% av atomens massa och dess positiva laddning är koncentrerade i en mycket liten kärna, och negativt laddade elektroner, antalet som är lika med kärnans laddning, kretsar runt den, liksom planeterna i solsystemet1 (fig. 7).

Rutherford satte tillsammans med sina elever upp experiment som gjorde det möjligt att undersöka atomens struktur (Fig. 8). En ström av positivt laddade partiklar (α-partiklar) riktades mot ytan av en tunn metallfolie (guld) 2 från en radioaktiv strålningskälla 1. På vägen installerades en fluorescerande skärm 3, som gjorde det möjligt att observera riktningen för den fortsatta rörelsen av a-partiklar.

Ris. 8. Rutherfords erfarenhet

Det visade sig att de flesta av a-partiklarna passerade genom folien, praktiskt taget utan att ändra sin riktning. Endast enskilda partiklar (i genomsnitt en av tio tusen) avböjdes och flög nästan i motsatt riktning. Man kom fram till att det mesta av atomens massa är koncentrerad i den positivt laddade kärnan, varför α-partiklarna är så kraftigt avböjda (fig. 9).

Ris. 9. Spridning av α-partiklar genom en atomkärna

Elektroner som rör sig i en atom, i enlighet med elektromagnetismens lagar, måste utstråla energi och, om de förlorar den, attraheras till den motsatt laddade kärnan och därför "falla" på den. Detta borde leda till att atomen försvann, men eftersom detta inte hände drogs slutsatsen att denna modell var otillräcklig.

I början av 1900-talet skapade den tyske fysikern Max Planck och den teoretiske fysikern Albert Einstein ljusets kvantteorin. Enligt denna teori sänds och absorberas strålningsenergi, såsom ljus, inte kontinuerligt utan i separata portioner (kvanta). Dessutom är värdet på energikvantumet inte detsamma för olika strålningar och är proportionell mot svängningsfrekvensen för den elektromagnetiska vågen: E = hν, där h – Plancks konstant lika med 6,6266 10 -34 J s, ν är strålningsfrekvensen. Denna energi bärs av ljuspartiklar - fotoner.

I ett försök att på konstgjord väg kombinera den klassiska mekanikens lagar och kvantteorin, kompletterade den danske fysikern Niels Bohr 1913 Rutherfords modell av atomen med två postulat om en stegvis (diskret) förändring av elektronernas energi i en atom. Bohr trodde att en elektron i en väteatom bara kan lokaliseras på väldefinierade stationära banor, vars radier är relaterade till varandra som kvadrater naturliga tal (1 2: 2 2: 3 2: ... :p 2). Elektroner rör sig atomkärnan i stationära banor. Atomen är i ett stabilt tillstånd, utan att absorbera eller avge energi – detta är Bohrs första postulat. Enligt det andra postulatet sker energiutsläpp endast när en elektron rör sig till en bana närmare atomkärnan. När en elektron rör sig till en mer avlägsen bana absorberas energi av atomen. Denna modell förbättrades 1916 av den tyske teoretiske fysikern Arnold Sommerfeld, som påpekade elektronernas rörelse längs elliptiska banor.

planetmodell, på grund av dess synlighet och Bohrs postulat, länge sedan används för att förklara atomära och molekylära fenomen. Det visade sig dock att en elektrons rörelse i en atom, en atoms stabilitet och egenskaper, i motsats till planeternas rörelse och solsystemets stabilitet, inte kan beskrivas av den klassiska mekanikens lagar. Denna mekanik är baserad på Newtons lagar, och ämnet för dess studie är rörelsen av makroskopiska kroppar, utförda med hastigheter som är små jämfört med ljusets hastighet. För att beskriva atomens struktur är det nödvändigt att tillämpa begreppen kvantmekanik (våg) om mikropartiklarnas dubbla korpuskulära vågnatur, som formulerades på 1920-talet av teoretiska fysiker: fransmannen Louis de Broglie, tyskarna Werner Heisenberg och Erwin Schrödinger, engelsmannen Paul Dirac m.fl.

1924 lade Louis de Broglie fram hypotesen att elektronen har vågegenskaper (kvantmekanikens första princip) och föreslog en formel för att beräkna dess våglängd. Stabiliteten hos en atom förklaras av det faktum att elektronerna i den inte rör sig i banor, utan i vissa områden i rymden runt kärnan, så kallade atomorbitaler. Elektronen upptar nästan hela atomens volym och kan inte "falla på kärnan" som ligger i dess centrum.

År 1926 valde Schrödinger, som fortsatte utvecklingen av L. de Broglies idéer om en elektrons vågegenskaper, empiriskt ut en matematisk ekvation som liknar strängvibrationsekvationen, som kan användas för att beräkna bindningsenergierna för en elektron i en atom vid kl. olika energinivåer. Denna ekvation har blivit kvantmekanikens grundläggande ekvation.

Upptäckten av elektronens vågegenskaper visade att spridning av kunskap om makrokosmos till objekten i mikrokosmos är olaglig. 1927 slog Heisenberg fast att det är omöjligt att bestämma den exakta positionen i rymden av en elektron med en viss hastighet, därför är idéer om en elektrons rörelse i en atom av probabilistisk natur (kvantmekanikens andra princip).

The Quantum Mechanical Model of the Atom (1926) beskriver atomens tillstånd i termer av matematiska funktioner och har inget geometriskt uttryck (Fig. 10). En sådan modell tar inte hänsyn till den dynamiska naturen hos atomens struktur och frågan om storleken på en elektron som en partikel. Man tror att elektroner upptar vissa energinivåer och avger eller absorberar energi under övergångar till andra nivåer. På fig. 10 energinivåer visas schematiskt som koncentriska ringar placerade på olika avstånd från atomkärnan. Pilarna visar övergångarna för elektroner mellan energinivåer och emission av fotoner som åtföljer dessa övergångar. Schemat visas kvalitativt och återspeglar inte de verkliga avstånden mellan energinivåer, som kan skilja sig från varandra med dussintals gånger.

År 1931 föreslog den amerikanske vetenskapsmannen Gilbert White först en grafisk representation av atomära orbitaler och en "orbital" modell av atomen (fig. 10). Modeller av atomorbitaler används för att återspegla begreppet "elektrondensitet" och för att demonstrera fördelningen av negativ laddning runt en kärna i en atom eller ett system av atomkärnor i en molekyl.

Ris. 10. Historiska och moderna modeller atom

1963 föreslog den amerikanske konstnären, skulptören och ingenjören Kenneth Snelson en "ring-faced modell" av en atoms elektronskal (Fig. 10), som förklarar den kvantitativa fördelningen av elektroner i en atom över stabila elektronskal. Varje elektron är modellerad av en ringmagnet (eller en sluten krets med en elektrisk ström som har ett magnetiskt moment). Ringmagneter attraheras av varandra och bildar symmetriska former av ringar - ringhedra. Närvaron av två poler i magneter sätter en begränsning på möjliga alternativ sammansättningar av ringar. Modeller av stabila elektronskal är de mest symmetriska figurerna av ringarna, sammansatta med hänsyn till närvaron av deras magnetiska egenskaper.

Närvaron av ett spin i en elektron (se avsnitt 5) är en av huvudorsakerna till bildandet av stabila elektronskal i en atom. Elektroner bildar par med motsatta snurr. Den ringformade modellen av ett elektronpar, eller en fylld atomorbital, är två ringar placerade i parallella plan på motsatta sidor av atomkärnan. När mer än ett elektronpar är beläget nära kärnan i en atom, tvingas ringelektronerna att orientera sig ömsesidigt och bilda ett elektronskal. I det här fallet har ringar på nära avstånd från varandra olika magnetriktningar kraftlinjer, som betecknas annan färg ringar som representerar elektroner.

Modellexperiment visar att den mest stabila av alla möjliga ringmodeller är modellen med 8 ringar. Geometriskt är modellen utformad på ett sådant sätt som om en atom i form av en sfär delades upp i 8 delar (delade tre gånger på mitten) och en ringelektron placerades i varje del. I ring-faced modeller används ringar av två färger: röd och blå, som reflekterar positiva och negativ betydelse spinn av en elektron.

Den "vågformade modellen" (fig. 10) liknar den "ringformade" med skillnaden att varje elektron i en atom representeras av en "våg"-ring, som innehåller ett heltal av vågor (som föreslagen av L. de Broglie).

Samspelet mellan elektronerna i elektronskalet på denna modell av atomen visas genom sammanträffandet av kontaktpunkterna för de blå och röda "våg"-ringarna med noderna för de stående vågorna.

Modeller av atomen har rätten att existera och gränserna för tillämpningen. Varje modell av en atom är en approximation som i förenklad form återspeglar en viss del av kunskapen om atomen. Men ingen av modellerna återspeglar helt egenskaperna hos atomen eller dess ingående partiklar.

Många modeller idag är bara av historiskt intresse. När forskare byggde modeller av mikrovärldsobjekt förlitade sig forskare på vad som direkt kan observeras. Så här uppträdde modellerna av Perrin och Rutherford (en analogi med solsystemets struktur), Nagaoka (en sorts planet Saturnus), Thomson ("russinpudding"). Vissa idéer förkastades (Lenards dynamiska modell), andra återupptogs efter ett tag, men på en ny, högre nivå. teoretisk nivå: modellerna av Perrin och Kelvin utvecklades i modellerna av Rutherford och Thomson. Idéer om atomens struktur förbättras ständigt. Hur noggrann den moderna - "kvantmekaniska" modellen är - får tiden utvisa. Det är därför som ett frågetecken ritas längst upp i spiralen, som symboliserar kognitionens väg (fig. 7).

De blev ett viktigt steg i fysikens utveckling. Rutherfords modell var av stor betydelse. Atomen som system och partiklarna som den utgör har studerats mer noggrant och i detalj. Detta ledde till en framgångsrik utveckling av en sådan vetenskap som kärnfysik.

Gamla idéer om materiens struktur

Antagandet att de omgivande kropparna är sammansatta av de minsta partiklarna gjordes i antiken. Den tidens tänkare representerade atomen som den minsta och odelbara partikeln av något ämne. De hävdade att det inte finns något i universum som är mindre än en atom. Sådana åsikter hölls av de stora antika grekiska forskarna och filosoferna - Demokritos, Lucretius, Epikuros. Dessa tänkares hypoteser idag förenas under namnet "urgammal atomism".

Medeltida föreställningar

Antikens tider har passerat, och på medeltiden fanns det också vetenskapsmän som gjorde olika antaganden om ämnens struktur. Men dominansen av religiösa filosofiska åsikter och kyrkans makt vid den perioden av historien kvävde alla försök och strävanden från det mänskliga sinnet till materialistiska vetenskapliga slutsatser och upptäckter. Som ni vet uppträdde den medeltida inkvisitionen mycket ovänligt med företrädare för den tidens vetenskapliga värld. Det återstår att säga att de då ljusa sinnen hade en idé som kom från antiken om atomens odelbarhet.

Forskning på 1700- och 1800-talen

1700-talet präglades av allvarliga upptäckter inom materiens elementära struktur. Till stor del tack vare ansträngningar från forskare som Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov och oberoende av varandra kunde de bevisa att atomer verkligen existerar. Men frågan om dem intern struktur höll öppet. Slutet av 1700-talet präglades av sådana betydande händelse i vetenskapliga världen, som upptäckten av D. I. Mendeleev av det periodiska systemet av kemiska grundämnen. Detta var ett verkligt kraftfullt genombrott för den tiden och lyfte slöjan över förståelsen att alla atomer har en enda natur, att de är relaterade till varandra. Senare, på 1800-talet, var ett annat viktigt steg mot att reda ut atomens struktur beviset på att någon av dem innehåller en elektron. Arbetet från forskarna från denna period beredde fruktbar mark för upptäckterna av 1900-talet.

Thomson experimenterar

Den engelske fysikern John Thomson bevisade 1897 att sammansättningen av atomer inkluderar elektroner med negativ laddning. I detta skede förstördes slutligen de falska idéerna om att atomen är gränsen för delbarheten av något ämne. Hur lyckades Thomson bevisa att det fanns elektroner? Forskaren i sina experiment placerade elektroder i mycket förtärnade gaser och passerade elektricitet. Resultatet blev katodstrålar. Thomson studerade noggrant deras egenskaper och fann att de är en ström av laddade partiklar som rör sig i hög hastighet. Forskaren kunde beräkna massan av dessa partiklar och deras laddning. Han fick också reda på att de inte kunde omvandlas till neutrala partiklar pga elektrisk laddningär grunden för deras natur. Så var Thomson och skaparen av världens första modell av atomens struktur. Enligt henne är en atom ett gäng positivt laddad materia, där negativt laddade elektroner är jämnt fördelade. Denna struktur förklarar atomernas allmänna neutralitet, eftersom motsatta laddningar balanserar varandra. John Thomsons experiment blev ovärderliga för vidare studier av atomens struktur. Många frågor förblev dock obesvarade.

Rutherfords forskning

Thomson upptäckte förekomsten av elektroner, men han lyckades inte hitta positivt laddade partiklar i atomen. korrigerade detta missförstånd 1911. Under experiment, där han studerade aktiviteten av alfapartiklar i gaser, upptäckte han att det finns positivt laddade partiklar i atomen. Rutherford såg att när strålar passerar genom en gas eller genom en tunn metallplatta, avviker ett litet antal partiklar kraftigt från rörelsebanan. De kastades bokstavligen tillbaka. Forskaren gissade att detta beteende beror på en kollision med positivt laddade partiklar. Sådana experiment gjorde det möjligt för fysikern att skapa Rutherfords modell av atomens struktur.

planetmodell

Nu var vetenskapsmannens idéer något annorlunda än de antaganden som John Thomson gjorde. Deras modeller av atomer blev också annorlunda. tillät honom att skapa en helt ny teori på detta område. Forskarens upptäckter var avgörande för ytterligare utveckling fysik. Rutherfords modell beskriver en atom som en kärna som ligger i mitten och elektroner som rör sig runt den. Kärnan har en positiv laddning, och elektronerna har en negativ laddning. Rutherfords modell av atomen antog rotationen av elektroner runt kärnan längs vissa banor - banor. Upptäckten av forskaren hjälpte till att förklara orsaken till avvikelsen av alfapartiklar och blev drivkraften för utvecklingen av atomens kärnteorin. I Rutherfords modell av atomen finns en analogi med rörelsen av solsystemets planeter runt solen. Detta är en mycket exakt och levande jämförelse. Därför kallades Rutherford-modellen, där atomen rör sig runt kärnan i en bana, planetarisk.

Verk av Niels Bohr

Två år senare försökte den danske fysikern Niels Bohr kombinera idéer om atomens struktur med kvantegenskaper. ljusflöde. kärnkraftsmodell Rutherfords atom sattes av forskare som grunden för hans ny teori. Enligt Bohr kretsar atomer runt kärnan i cirkulära banor. En sådan rörelsebana leder till acceleration av elektroner. Dessutom åtföljs Coulomb-interaktionen mellan dessa partiklar och atomens centrum av skapandet och förbrukningen av energi för att upprätthålla det rumsliga elektromagnetiskt fält på grund av elektronernas rörelse. Under sådana förhållanden måste negativt laddade partiklar någon gång falla ner på kärnan. Men detta händer inte, vilket indikerar den större stabiliteten hos atomer som system. Niels Bohr insåg att lagarna för klassisk termodynamik som beskrivs av Maxwells ekvationer inte fungerar under intraatomiska förhållanden. Därför satte vetenskapsmannen sig själv i uppgift att härleda nya mönster som skulle vara giltiga i världen elementarpartiklar.

Bohrs postulat

Till stor del på grund av att Rutherfords modell existerade, atomen och dess komponenter var väl studerade, kunde Niels Bohr närma sig skapandet av sina postulat. Den första av dem säger att en atom har som den inte ändrar sin energi, medan elektroner rör sig i banor utan att ändra sin bana. Enligt det andra postulatet, när en elektron rör sig från en bana till en annan, frigörs eller absorberas energi. Det är lika med skillnaden mellan energierna i atomens föregående och efterföljande tillstånd. I det här fallet, om elektronen hoppar till en bana närmare kärnan, uppstår strålning och vice versa. Trots det faktum att elektronernas rörelse påminner lite om en omloppsbana som ligger strikt i en cirkel, gav Bohrs upptäckt en utmärkt förklaring till existensen av ett linjespektrum. Ungefär samtidigt, fysiker Hertz och Frank, som bodde i Tyskland, bekräftade Niels Bohrs teori om existensen av stationära, stabila tillstånd av atomen och möjligheten att ändra värdena för atomenergi.

Samarbete mellan två forskare

Förresten, Rutherford länge sedan kunde inte avgöra. Forskarna Marsden och Geiger försökte på nytt kontrollera Ernest Rutherfords uttalanden och, som ett resultat av detaljerade och noggranna experiment och beräkningar, kom de till slutsatsen att det är kärnan som är den viktigaste egenskapen hos atomen, och all dess laddning är koncentrerad i den. Senare bevisades att värdet på kärnans laddning är numeriskt lika med ordningsnumret för elementet i periodiska systemet delar av D. I. Mendeleev. Intressant nog träffade Niels Bohr snart Rutherford och höll helt med om hans åsikter. Därefter arbetade forskare tillsammans under lång tid i samma laboratorium. Rutherfords modell, atomen som ett system bestående av elementärladdade partiklar - allt detta ansåg Niels Bohr vara rättvist och för alltid lagt åt sidan elektronisk modell. gemensam vetenskaplig verksamhet forskarna var mycket framgångsrika och har burit frukt. Var och en av dem grävde i studien av egenskaperna hos elementarpartiklar och gjorde betydande upptäckter för vetenskapen. Senare upptäckte och bevisade Rutherford möjligheten till nukleär nedbrytning, men detta är ett ämne för en annan artikel.

Detaljer Kategori: Atomens och atomkärnans fysik Upplagd 2016-03-10 18:27 Visningar: 4106

Forntida grekiska och forntida indiska forskare och filosofer trodde att alla ämnen runt omkring oss består av små partiklar som inte delar sig.

De var säkra på att det inte fanns något i världen som skulle vara mindre än dessa partiklar, som de kallade atomer . Och faktiskt, senare bevisades existensen av atomer av sådana kända vetenskapsmän som Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton. Atomen ansågs vara odelbar fram till slutet av 1800-talet - början av 1900-talet, då det visade sig att så inte var fallet.

Upptäckten av elektronen. Thomsons modell av atomen

Joseph John Thomson

År 1897 studerade den engelske fysikern Joseph John Thomson experimentellt beteendet hos katodstrålar i magnetiska och elektriska fält, fick reda på att dessa strålar är en ström av negativt laddade partiklar. Rörelsehastigheten för dessa partiklar var under ljusets hastighet. Därför hade de mässa. Var kom de ifrån? Forskaren föreslog att dessa partiklar är en del av atomen. Han ringde dem blodkroppar . Senare kallades de elektroner . Således satte upptäckten av elektronen stopp för teorin om atomens odelbarhet.

Thomsons modell av atomen

Thomson föreslog den första elektroniska modellen av atomen. Enligt den är en atom en sfär, inuti vilken det finns ett laddat ämne, vars positiva laddning är jämnt fördelad över hela volymen. Och i detta ämne, som russin i en bulle, är elektroner insprängda. I allmänhet är atomen elektriskt neutral. Denna modell kallades "plommonpuddingmodellen".

Men Thomsons modell visade sig vara fel, vilket bevisades brittisk fysiker Sir Ernest Rutherford.

Rutherfords erfarenhet

Ernest Rutherford

Hur är en atom egentligen uppbyggd? Rutherford gav ett svar på denna fråga efter sitt experiment, utfört 1909 tillsammans med den tyske fysikern Hans Geiger och den Nya Zeelands fysiker Ernst Marsden.

Rutherfords erfarenhet

Syftet med experimentet var att studera atomen med hjälp av alfapartiklar, vars fokuserade stråle, som flög i hög hastighet, riktades mot den tunnaste guldfolien. Bakom folien fanns en självlysande skärm. När partiklar kolliderade med den uppstod blixtar som kunde observeras i mikroskop.

Om Thomson har rätt, och atomen består av ett moln av elektroner, borde partiklarna lätt flyga genom folien utan att avböjas. Eftersom alfapartikelns massa översteg elektronens massa med cirka 8000 gånger kunde elektronen inte verka på den och avvika sin bana i en stor vinkel, precis som en 10 g småsten inte kunde ändra banan för en bil i rörelse.

Men i praktiken blev allt annorlunda. De flesta partiklarna flög faktiskt genom folien, praktiskt taget inte avvikande eller avvikande med en liten vinkel. Men några av partiklarna avvek ganska avsevärt eller till och med studsade tillbaka, som om det fanns något slags hinder i deras väg. Som Rutherford själv sa, det var lika otroligt som om en 15-tums projektil studsade mot en bit silkespapper.

Vad fick vissa alfapartiklar att ändra riktning så mycket? Forskaren föreslog att orsaken till detta var en del av atomen, koncentrerad i en mycket liten volym och med en positiv laddning. Han döpte henne kärnan i en atom.

Rutherfords planetmodell av atomen

Rutherfords modell av atomen

Rutherford kom fram till att en atom består av en tät positivt laddad kärna som ligger i atomens centrum och elektroner som har en negativ laddning. Nästan all massa av en atom är koncentrerad i kärnan. I allmänhet är atomen neutral. Den positiva laddningen av kärnan är lika med summan av de negativa laddningarna för alla elektroner i atomen. Men elektronerna är inte inbäddade i kärnan, som i Thomsons modell, utan kretsar runt den som planeterna kretsar runt solen. Rotationen av elektroner sker under verkan av Coulomb-kraften som verkar på dem från kärnan. Elektronernas rotationshastighet är enorm. Ovanför kärnans yta bildar de ett slags moln. Varje atom har sitt eget elektronmoln, negativt laddat. Av denna anledning "håller de inte ihop", utan stöter bort varandra.

På grund av dess likhet med solsystemet kallades Rutherfords modell planetarisk.

Varför finns atomen

Men Rutherfords modell av atomen kunde inte förklara varför atomen är så stabil. När allt kommer omkring, enligt den klassiska fysikens lagar, rör sig en elektron, som roterar i omloppsbana, med acceleration, därför utstrålar den elektromagnetiska vågor och tappar energi. Till slut måste denna energi ta slut, och elektronen måste falla in i kärnan. Om så vore fallet skulle atomen bara kunna existera i 10 -8 s. Men varför händer inte detta?

Orsaken till detta fenomen förklarades senare av den danske fysikern Niels Bohr. Han föreslog att elektronerna i en atom endast rör sig i fasta banor, som kallas "tillåtna banor". Att vara på dem utstrålar inte energi. Och emission eller absorption av energi sker endast när en elektron rör sig från en tillåten bana till en annan. Om detta är en övergång från en avlägsen bana till en närmare kärnan, så utstrålas energi, och vice versa. Strålningen sker i portioner, som kallas kvanta.

Även om modellen som beskrevs av Rutherford inte kunde förklara atomens stabilitet, tillät den betydande framsteg i studiet av dess struktur.

Planetarisk modell av atomen

Planetmodell av en atom: kärna (röd) och elektroner (grön)

Planetarisk modell av atomen, eller Rutherford modell, - historisk modell av atomens struktur, som föreslogs av Ernest Rutherford som ett resultat av ett experiment med alfapartikelspridning. Enligt denna modell består atomen av en liten positivt laddad kärna, i vilken nästan hela atomens massa är koncentrerad, runt vilken elektroner rör sig, precis som planeterna rör sig runt solen. Atomens planetmodell motsvarar moderna idéer om atomens struktur, med hänsyn till det faktum att elektronernas rörelse är av kvantnatur och inte beskrivs av den klassiska mekanikens lagar. Historiskt sett efterträdde Rutherfords planetmodell Joseph John Thomsons "plommonpuddingmodell", som postulerar att negativt laddade elektroner är placerade inuti en positivt laddad atom.

Rutherford föreslog en ny modell för atomens struktur 1911 som en slutsats från ett experiment om spridning av alfapartiklar på guldfolie, utfört under hans ledning. Med denna spridning, oväntat Ett stort antal alfapartiklar spreds i stora vinklar, vilket indikerade att spridningscentrum har liten storlek och den innehåller en betydande elektrisk laddning. Rutherfords beräkningar visade att ett spridningscentrum, positivt eller negativt laddat, måste vara minst 3000 gånger mindre storlek en atom, som vid den tiden redan var känd och uppskattades till cirka 10 -10 m. Eftersom elektronerna vid den tiden redan var kända, och deras massa och laddning var bestämda, måste spridningscentrumet, som senare kallades kärnan, har haft en motsatt laddning till elektronerna. Rutherford kopplade inte mängden laddning till atomnummer. Denna slutsats drogs senare. Och Rutherford själv föreslog att laddningen är proportionell mot atommassan.

Nackdelen med planetmodellen var dess oförenlighet med den klassiska fysikens lagar. Om elektroner rör sig runt kärnan som en planet runt solen, accelereras deras rörelse, och därför bör de, enligt lagarna för klassisk elektrodynamik, utstråla elektromagnetiska vågor, förlora energi och falla på kärnan. Nästa steg i utvecklingen av planetmodellen var Bohr-modellen, som postulerade andra, annorlunda än de klassiska, lagarna för elektronrörelse. Helt motsägelserna i elektrodynamiken kunde lösa kvantmekaniken.

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Eise Eisingi Planetarium
• planetarisk fantasi

Se vad "Planetary Model of the Atom" är i andra ordböcker:

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

Bohr modell av atomen- Bohr-modell av en väteliknande atom (Z-kärnladdning), där en negativt laddad elektron är innesluten i ett atomskal som omger en liten, positivt laddad atomkärna ... Wikipedia

Modell (i vetenskap)- Modell (franska modèle, italienska modello, från latin modulus mått, mått, prov, norm), 1) ett prov som fungerar som standard (standard) för serie- eller massreproduktion (M. bil, M. kläder, etc. . ), liksom typ, märke för alla ... ...

Modell- Jag modell (modell) Walter (24 januari 1891, Gentin, Ostpreussen, 21 april 1945, nära Duisburg), tysk nazistisk generalfältmarskalk (1944). I armén sedan 1909, deltog i första världskriget 1914 18. Från november 1940 befäl han den 3:e stridsvagnen ... ... Stora sovjetiska uppslagsverk

ATOMENS STRUKTUR- (se) är byggd av elementarpartiklar av tre typer (se), (se) och (se), vilket bildar ett stabilt system. Protonen och neutronen är en del av atom (se), elektroner bildar ett elektronskal. Krafter verkar i kärnan (se), tack vare vilken ... ... Great Polytechnic Encyclopedia

Atom- Denna term har andra betydelser, se Atom (betydelser). Heliumatom Atom (från annan grekisk ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), engelsk fysiker, en av skaparna av teorin om radioaktivitet och atomens struktur, grundare vetenskaplig skola, utländsk motsvarande ledamot av Ryska vetenskapsakademin (1922) och hedersmedlem i USSR:s vetenskapsakademi (1925). Född i Nya Zeeland, efter examen från ... ... encyklopedisk ordbok

Άτομο

blodkropp- Heliumatom Atom (en annan grekisk ἄτομος odelbar) är den minsta delen av ett kemiskt grundämne, som är bäraren av dess egenskaper. En atom består av en atomkärna och ett elektronmoln som omger den. En atoms kärna består av positivt laddade protoner och ... ... Wikipedia

blodkroppar- Heliumatom Atom (en annan grekisk ἄτομος odelbar) är den minsta delen av ett kemiskt grundämne, som är bäraren av dess egenskaper. En atom består av en atomkärna och ett elektronmoln som omger den. En atoms kärna består av positivt laddade protoner och ... ... Wikipedia

Böcker

• En uppsättning bord. Fysik. Årskurs 11 (15 bord), . Pedagogiskt album med 15 ark. Transformator. Elektromagnetisk induktion i modern teknologi. Elektroniska lampor. Katodstrålerör. Halvledare. halvledardiod. Transistor.…

Föreläsning: Planetarisk modell av atomen

Atomens struktur

Det mest exakta sättet att bestämma strukturen av något ämne är spektralanalys. Strålningen från varje atom i ett element är uteslutande individuell. Men innan vi förstår hur spektralanalys sker, låt oss ta reda på vilken struktur en atom av något element har.

Det första antagandet om atomens struktur presenterades av J. Thomson. Den här forskaren har studerat atomer under lång tid. Dessutom är det han som äger upptäckten av elektronen - för vilken han fick Nobelpriset. Den modell som Thomson föreslog hade inget med verkligheten att göra, utan fungerade som ett tillräckligt starkt incitament för Rutherford att studera atomens struktur. Den modell som Thomson föreslog kallades "russinpudding".

Thomson trodde att atomen är en solid boll med en negativ elektrisk laddning. För att kompensera för det, är elektroner insprängda i bollen, som russin. Sammanfattningsvis sammanfaller laddningen av elektronerna med laddningen av hela kärnan, vilket gör atomen neutral.

Under studiet av atomens struktur fann man att alla atomer i fasta ämnen begå oscillerande rörelser. Och, som ni vet, utstrålar alla rörliga partiklar vågor. Det är därför varje atom har sitt eget spektrum. Dessa uttalanden passade dock inte in i Thomson-modellen på något sätt.

Rutherfords erfarenhet

För att bekräfta eller motbevisa Thomsons modell föreslog Rutherford ett experiment som resulterade i att en atom av något grundämne bombades av alfapartiklar. Som ett resultat av detta experiment var det viktigt att se hur partikeln skulle bete sig.

Alfa-partiklar upptäcktes som ett resultat av radioaktivt sönderfall av radium. Deras strömmar var alfastrålar, av vilka varje partikel hade en positiv laddning. Som ett resultat av många studier fastställdes det att alfapartikeln är som en heliumatom, i vilken det inte finns några elektroner. Med dagens kunskap vet vi att alfapartikeln är heliumkärnan, medan Rutherford trodde att dessa var heliumjoner.

Varje alfapartikel hade en enorm energi, som ett resultat av vilken den kunde flyga mot atomerna i fråga med hög hastighet. Därför var det huvudsakliga resultatet av experimentet att bestämma partikelavböjningsvinkeln.

För experimentet använde Rutherford tunn guldfolie. Han riktade höghastighets alfapartiklar mot den. Han antog att som ett resultat av detta experiment skulle alla partiklar flyga genom folien, och med små avvikelser. Men för att ta reda på det säkert instruerade han sina elever att kontrollera om det fanns några stora avvikelser i dessa partiklar.

Resultatet av experimentet överraskade absolut alla, eftersom många partiklar inte bara avvek med en tillräckligt stor vinkel - vissa avböjningsvinklar nådde mer än 90 grader.

Dessa resultat överraskade absolut alla, Rutherford sa att det kändes som att ett papper placerades i projektilernas väg, vilket inte tillät alfapartikeln att tränga in i det, vilket ledde till att den vände tillbaka.

Om atomen verkligen var fast, så måste den ha några elektriskt fält, vilket bromsade partikeln. Fältstyrkan räckte dock inte till för att stoppa henne helt, än mindre trycka henne tillbaka. Det betyder att Thomsons modell motbevisades. Så Rutherford började arbeta på en ny modell.

Rutherford modell

För att få detta resultat av experimentet är det nödvändigt att koncentrera den positiva laddningen i en mindre mängd, vilket resulterar i ett större elektriskt fält. Enligt fältpotentialformeln kan man bestämma önskad storlek en positiv partikel som skulle kunna stöta bort en alfapartikel i motsatt riktning. Dess radie bör vara i storleksordningen maximum 10 -15 m. Det är därför Rutherford föreslog den planetariska modellen för atomen.

Denna modell heter så av en anledning. Faktum är att inuti atomen finns en positivt laddad kärna, liknande solen i solsystemet. Elektroner kretsar runt kärnan som planeter. solsystemär utformad på ett sådant sätt att planeterna attraheras till solen med hjälp av gravitationskrafter, dock faller de inte till solens yta som ett resultat av den tillgängliga hastigheten som håller dem i sin bana. Samma sak händer med elektroner - Coulombkrafter drar till sig elektroner till kärnan, men på grund av rotation faller de inte på kärnans yta.

Ett antagande från Thomson visade sig vara helt korrekt - den totala laddningen av elektroner motsvarar laddningen av kärnan. Men som ett resultat av en stark interaktion kan elektroner slås ut ur sin omloppsbana, vilket gör att laddningen inte kompenseras och atomen förvandlas till en positivt laddad jon.

Mycket viktig information angående atomens struktur är att nästan all atoms massa är koncentrerad i kärnan. Till exempel har en väteatom bara en elektron, vars massa är mer än ett och ett halvt tusen gånger mindre än kärnans massa.