Nuklearni model atomskih eksperimenata e Rutherford. Školska enciklopedija

Sve do kraja 19. vijeka vjerovalo se da je atom nedjeljiv. Ali nakon što je engleski fizičar Joseph John Thomson otkrio elektron 1897. godine, postalo je jasno da su naučnici pogriješili.

Dakle, nakon što je otkrio elektron, Thomson je došao do zaključka da ima masu i negativan naboj. Postavljena je pretpostavka da je elektron sastavni dio atoma. Ali budući da ima negativan naboj, stoga sastav atoma mora uključivati ​​čestice koje imaju pozitivan naboj, budući da je atom kao cjelina neutralan.

Thomsonov model atoma

Thomson je predložio svoj model atoma. Vjerovao je da je atom sfernog oblika. Unutar ove lopte nalazi se pozitivno nabijena tvar u kojoj se nalaze negativno nabijeni elektroni. Thomson je u šali nazvao svoj model "buhlica sa grožđicama". Odnosno, u njegovom modelu, elektroni su, takoreći, ugrađeni u neku vrstu pozitivno nabijene mase, poput grožđica u lepinji.

Rutherfordovo iskustvo

Rutherfordovo iskustvo

Dalja istraživanja atoma od strane naučnika pokazala su da je model koji je predložio Thomson netačan.

Engleski fizičar Ernest Rutherford je 1909. godine izveo eksperiment sa rasipanjem alfa čestica, koje nastaju tokom raspada hemijskog elementa radijuma. Masa alfa čestica je 8000 puta veća od mase elektrona.

U Rutherfordovom eksperimentu, snop alfa čestica je prošao kroz tanku zlatnu foliju. Mora se reći da je folija bila toliko tanka da je njena debljina bila gotovo jedan sloj molekula. Ako je Thomson bio u pravu, a atom se sastojao od neke vrste oblaka elektrona, onda bi alfa čestice, koje imaju veliku masu, trebale lako proći kroz foliju. Ali u stvari, pokazalo se da su neke od alfa čestica zapravo prošle, odstupajući samo za mali ugao, a neke kao da su naletele na neku prepreku i odbile se nazad. To je bilo nevjerovatno. Nakon toga, Rutherford je svoje iskustvo uporedio sa ispaljivanjem projektila od 15 inča na maramicu. Rezultat njegovog eksperimenta bio je isti kao da projektil ne samo da nije probio maramicu, već se i odbio od nje. To jest, unutar atoma je bilo nešto što je spriječilo alfa čestice da prođu kroz atom. Budući da su alfa čestice imale pozitivan naboj, najvjerovatnije su prošle pored drugih čestica s pozitivnim nabojem. A veličina ovih čestica bila je mnogo manja od veličine samog atoma. Atom zlata je trebao da se sastoji od jezgra s pozitivnim nabojem i negativno nabijenih elektrona koji ga okružuju.

Može se reći da je to bilo rođenje nuklearne fizike.

Planetarni model atoma

Rutherfordov model atoma

Rutherford je predložio vlastiti model atoma, koji je objasnio strukturu atoma. Vjerovao je da je najveći dio mase atoma koncentrisan u pozitivno nabijenom jezgru. I negativno nabijeni elektroni kruže oko ovog jezgra na isti način kao što se planete okreću oko Sunca. A elektroni se rotiraju pod utjecajem Kulonove sile koja na njih djeluje sa strane jezgra. Rutherfordov model je nazvan planetarnim.

Elektroni u atomu rotiraju tako ogromnom brzinom da formiraju neku vrstu oblaka iznad površine jezgra. Svi atomi se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog. I oni se ne "lijepe zajedno", jer oko jezgra svakog atoma postoji vlastiti elektronski "oblak", negativno nabijen. I ovaj "oblak" odbija negativno nabijeni elektronski "oblak" drugog atoma.

Ali Rutherfordov model atoma bio je pogrešan. To je bilo nespojivo sa zakonima klasične fizike. Zašto elektron ne padne u jezgro? Jer se vrti oko njega. Ali, rotirajući, mora zračiti elektromagnetnim talasima i gubiti energiju. I, nakon što je postepeno potrošio svu energiju, elektron mora pasti na jezgro. Ali to se u stvarnosti ne dešava. To jest, procesi koji se odvijaju u atomu ne poštuju klasične zakone.

Kasnije je danski fizičar Niels Bohr dao objašnjenje za ovaj fenomen. On je sugerirao da se elektroni u atomu kreću samo u stacionarnim orbitama, gdje ne zrače energiju. I Bohr je bio u pravu.

Predavanje: Planetarni model atoma

Struktura atoma

Najprecizniji način za određivanje strukture bilo koje supstance je spektralna analiza. Zračenje svakog atoma elementa je isključivo individualno. Međutim, prije nego što shvatimo kako dolazi do spektralne analize, hajde da shvatimo kakvu strukturu ima atom bilo kojeg elementa.

Prvu pretpostavku o strukturi atoma iznio je J. Thomson. Ovaj naučnik već dugo proučava atome. Štaviše, on je taj koji je vlasnik otkrića elektrona - za šta je dobio Nobelovu nagradu. Model koji je Thomson predložio nije imao nikakve veze sa stvarnošću, ali je poslužio kao dovoljno snažan poticaj za Rutherforda da proučava strukturu atoma. Model koji je predložio Thomson nazvan je "puding od grožđica".

Thomson je vjerovao da je atom čvrsta lopta s negativnim električnim nabojem. Da bi se to nadoknadilo, elektroni se ubacuju u loptu, poput grožđica. Ukratko, naboj elektrona se poklapa sa nabojem čitavog jezgra, što atom čini neutralnim.

Tokom proučavanja strukture atoma, otkriveno je da svi atomi u čvrstim tijelima vrše oscilatorna kretanja. I, kao što znate, svaka pokretna čestica zrači talase. Zato svaki atom ima svoj spektar. Međutim, ove izjave se ni na koji način nisu uklapale u Thomsonov model.

Rutherfordovo iskustvo

Kako bi potvrdio ili opovrgnuo Thomsonov model, Rutherford je predložio eksperiment koji je rezultirao bombardiranjem atoma nekog elementa alfa česticama. Kao rezultat ovog eksperimenta, bilo je važno vidjeti kako će se čestica ponašati.

Alfa čestice su otkrivene kao rezultat radioaktivnog raspada radijuma. Njihovi tokovi su bili alfa zraci, od kojih je svaka čestica imala pozitivan naboj. Kao rezultat brojnih istraživanja, utvrđeno je da je alfa čestica poput atoma helija, u kojem nema elektrona. Koristeći trenutna saznanja, znamo da je alfa čestica jezgro helijuma, dok je Rutherford vjerovao da su to joni helijuma.

Svaka alfa čestica imala je ogromnu energiju, zbog čega je mogla velikom brzinom letjeti do dotičnih atoma. Stoga je glavni rezultat eksperimenta bio određivanje ugla skretanja čestica.

Za eksperiment je Rutherford koristio tanku zlatnu foliju. Na njega je usmjerio alfa čestice velike brzine. Pretpostavio je da će kao rezultat ovog eksperimenta sve čestice proletjeti kroz foliju, i to uz mala odstupanja. Međutim, da bi to sa sigurnošću saznao, uputio je svoje učenike da provjere ima li velikih odstupanja u ovim česticama.

Rezultat eksperimenta iznenadio je apsolutno sve, jer mnoge čestice ne samo da su odstupile za dovoljno veliki ugao - neki uglovi otklona dosezali su i više od 90 stepeni.

Ovi rezultati su iznenadili apsolutno sve, Rutherford je rekao da se osjećao kao da je komad papira stavljen na putanju projektila, koji nije dozvolio alfa čestici da prodre unutra, uslijed čega se ona vratila.

Ako je atom zaista čvrst, onda bi trebao imati neko električno polje, koje je usporilo česticu. Međutim, snaga polja nije bila dovoljna da je potpuno zaustavi, a kamoli da je gurne nazad. To znači da je Thomsonov model opovrgnut. Tako je Rutherford počeo raditi na novom modelu.

Da bi se dobio ovaj rezultat eksperimenta, potrebno je koncentrirati pozitivni naboj u manjoj količini, što rezultira većim električnim poljem. Koristeći formulu potencijala polja, možete odrediti potrebnu veličinu pozitivne čestice koja bi mogla odbiti alfa česticu u suprotnom smjeru. Njegov radijus bi trebao biti reda maksimalnog 10 -15 m. Zbog toga je Rutherford predložio planetarni model atoma.

Ovaj model je tako nazvan s razlogom. Činjenica je da se unutar atoma nalazi pozitivno nabijeno jezgro, slično Suncu u Sunčevom sistemu. Elektroni se okreću oko jezgra poput planeta. Sunčev sistem je uređen na način da se planete privlače prema Suncu uz pomoć gravitacionih sila, ali ne padaju na površinu Sunca kao rezultat raspoložive brzine koja ih drži u orbiti. Ista stvar se dešava i sa elektronima – Kulonove sile privlače elektrone u jezgro, ali zbog rotacije ne padaju na površinu jezgra.

Jedna Thomsonova pretpostavka se pokazala potpuno tačnom - ukupni naboj elektrona odgovara naboju jezgra. Međutim, kao rezultat jake interakcije, elektroni mogu biti izbačeni iz svoje orbite, zbog čega se naboj ne kompenzira i atom se pretvara u pozitivno nabijeni ion.

Vrlo važna informacija u vezi sa strukturom atoma je da je gotovo sva masa atoma koncentrisana u jezgru. Na primjer, atom vodika ima samo jedan elektron, čija je masa više od hiljadu i pol puta manja od mase jezgra.

Tema ove lekcije je „Modeli atoma. Rutherfordovo iskustvo. Na njemu ćemo naučiti kako su naučnici proučavali složenu strukturu atoma, kako su pronašli objašnjenje za ovu teoriju, gdje se stečeno znanje danas primjenjuje. Također ćemo razmotriti kako se pomoću Rutherfordovog eksperimenta može proučavati model atoma.

U prethodnoj lekciji smo raspravljali o tome da se kao rezultat radioaktivnosti proizvode različite vrste zračenja: a-, b- i g-zraci. Pojavio se alat pomoću kojeg je bilo moguće proučavati strukturu atoma.

Nakon što je postalo jasno da i atom ima složenu strukturu, nekako uređenu na poseban način, bilo je potrebno istražiti samu strukturu atoma, objasniti kako je uređen, od čega se sastoji. I tako su naučnici započeli ovo istraživanje.

Izražene su prve ideje o složenoj strukturi Thomson koji je otkrio elektron 1897. Godine 1903. Thomson je prvi predložio model atoma. Prema Thomsonovoj teoriji, atom je bio sfera, po čijoj je zapremini "razmazan" pozitivan naboj. A unutra, poput lebdećih elemenata, bili su elektroni. Generalno, prema Thomsonu, atom je bio električno neutralan, odnosno naboj takvog atoma bio je jednak 0. Negativni naboji elektrona kompenzirali su pozitivni naboj samog atoma. Veličina atoma je bila otprilike 10 -10 m. Thomsonov model je nazvan "puding sa grožđicama": sam "puding" je pozitivno nabijeno "telo" atoma, a "grožđice" su elektroni (slika 1) .

Rice. 1. Thomsonov model atoma ("puding od grožđica")

Izveden je prvi pouzdan eksperiment za određivanje strukture atoma E. Rutherford. Danas čvrsto znamo da je atom struktura koja liči na planetarni solarni sistem. U centru se nalazi masivno tijelo oko kojeg se planete okreću. Ovaj model atoma naziva se planetarni model.

Okrenimo se Rutherfordovoj šemi eksperimenta (slika 2) i razgovarajmo o rezultatima koji su doveli do stvaranja planetarnog modela.

Rice. 2. Šema Rutherfordovog eksperimenta

Radijum je bio smešten u olovni cilindar sa uskim otvorom. Uz pomoć dijafragme nastao je uski snop a-čestica, koje su, leteći kroz otvor dijafragme, padale na ekran obložen posebnim sastavom, a pri udaru se pojavio mikro bljesak. Takav sjaj kada čestice udare u ekran naziva se "scintilacioni bljesak". Takvi bljeskovi su uočeni na površini ekrana pomoću mikroskopa. U budućnosti, sve dok u šemi nije bilo zlatne ploče, sve čestice koje su izletjele iz cilindra padale su u jednu tačku. Kada je vrlo tanka zlatna ploča postavljena unutar ekrana na putu letećih a-čestica, počele su da se posmatraju potpuno neshvatljive stvari. Čim je zlatna ploča postavljena, a-čestice su počele da se odbijaju. Videle su se čestice koje su odstupile od svog prvobitnog pravolinijskog kretanja i već pale u potpuno različite tačke na ovom ekranu.

Štaviše, kada je ekran bio gotovo zatvoren, pokazalo se da postoje čestice koje nekako lete u suprotnom smjeru. Skreću se pod uglom od 90° ili više. Ova zapažanja je analizirao Rutherford i na vidjelo je izašla sljedeća prilično zanimljiva stvar.

Prije svega, Thomsonova teorija je ovdje propala. Prema Thomsonovoj teoriji, atom je sfera veličine 10-10 m, u kojoj je razmazano pozitivno naelektrisanje i nalazi se elektron. Elektroni su vrlo male čestice, ne mogu ometati a-čestice koje lete pristojnom brzinom. Brzina a-čestica u ovom slučaju bila je oko 10.000 km/s.

Zamislite situaciju u kojoj se kamion sudari sa automobilom igračkom. Jasno je da kamion takav automobil neće ni primijetiti. Ovo možemo dati kao analogiju za sudar elektrona sa a-česticom. To znači da je trebalo zaključiti da je atom drugačije uređen, a ne na način na koji je Thomson tvrdio. I, očigledno, u atomu zlata postoji objekt masivniji od a-čestice, koji ima pozitivan naboj.

Pogledajmo još jednu sliku koja karakteriše rasipanje a-čestica na toj masivnoj čestici, čije je prisustvo Rutherford predvideo u atomu (slika 3).

Rice. 3. Rasipanje alfa čestica Na osnovu rezultata eksperimenata, moglo bi se reći da u atomu postoji masivni pozitivno nabijeni objekt. a-čestica, koja se sudara sa ovom velikom česticom, može se reflektovati nazad. One čestice koje lete u blizini se odbijaju pod različitim uglovima. Što dalje a-čestica leti od ovog objekta, manji je ugao koje odstupaju. Ovaj fenomen se zove " rasejanje a-čestica».

Rutherford je veliku česticu unutar atoma nazvao jezgrom. Čak i procijenio njegovu veličinu. Prema Rutherfordu, dimenzije jezgra bile su 10 -14 -10 -15 m. Ovaj objekat je bio vrlo, vrlo male veličine u poređenju sa atomom. Atom ima veličinu reda 10 -10 m. U ovom slučaju, gotovo cijela masa atoma bila je koncentrisana upravo u jezgru. A elektroni se vrte oko jezgra.

ovo implicira planetarni model Rutherford, koji tvrdi da je atom masivno pozitivno nabijeno jezgro oko koje se elektroni vrte u svojim orbitama (slika 4). Općenito, atom je električno neutralan, tj. naboj atoma je nula. Ako atom ima previše ili premalo elektrona, naziva se jonom.

Rice. 4. Planetarni model atoma

Naravno, bilo je i drugih zanimljivih teorija. Danas je općeprihvaćen planetarni model atoma koji je predložio Ernest Rutherford, uz neke rezerve, o kojima ćemo govoriti kasnije.

Bibliografija

1. Bronstein M.P. Atomi i elektroni. "Biblioteka "Kvant"". Problem. 1. - M.: Nauka, 1980.
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred gimnazije. - M.: "Prosvetljenje".
3. Kitaygorodsky A.I. Fizika za svakoga. Fotoni i jezgra. Knjiga 4. - M.: Nauka.
4. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. fizika. Optika Kvantna fizika. 11. razred: udžbenik za dubinsko proučavanje fizike. - M.: Drofa.
5. Newton I. Matematički principi prirodne filozofije. - M.: Nauka, 1989.
6. Rutherford E. Selected Scientific Works. Radioaktivnost. - M.: Nauka.
7. Rutherford E. Selected Scientific Works. Struktura atoma i umjetna transformacija elemenata. - M.: Nauka.
8. Einstein A., Infeld L. Evolucija fizike. Razvoj ideja od početnih koncepata do teorije relativnosti i kvanta. - M.: Nauka, 1965.

Drevni grčki i staroindijski naučnici i filozofi vjerovali su da se sve tvari oko nas sastoje od sitnih čestica koje se ne dijele.

Bili su sigurni da ne postoji ništa na svijetu što bi bilo manje od ovih čestica koje su zvali atomi . I zaista, kasnije su postojanje atoma dokazali poznati naučnici kao što su Antoine Lavoisier, Mihail Lomonosov, John Dalton. Atom se smatrao nedjeljivim sve do kraja 19. - početka 20. stoljeća, kada se pokazalo da to nije tako.

Otkriće elektrona. Thomsonov model atoma

Joseph John Thomson

Godine 1897. engleski fizičar Joseph John Thomson, proučavajući eksperimentalno ponašanje katodnih zraka u magnetskom i električnom polju, otkrio je da su te zrake mlaz negativno nabijenih čestica. Brzina kretanja ovih čestica bila je ispod brzine svjetlosti. Dakle, imali su masu. Odakle su došli? Naučnik je sugerirao da su ove čestice dio atoma. Zvao ih je tjelešca . Kasnije su pozvani elektrona . Tako je otkriće elektrona stavilo tačku na teoriju o nedjeljivosti atoma.

Thomsonov model atoma

Thomson je predložio prvi elektronski model atoma. Prema njemu, atom je sfera, unutar koje se nalazi nabijena tvar, čiji je pozitivni naboj ravnomjerno raspoređen po volumenu. I u ovoj supstanci, poput grožđica u lepinji, elektroni su isprepleteni. Generalno, atom je električno neutralan. Ovaj model je nazvan "model pudinga od šljiva".

No, pokazalo se da je Thomsonov model pogrešan, što je dokazao britanski fizičar Sir Ernest Rutherford.

Rutherfordovo iskustvo

Ernest Rutherford

Kako je atom zapravo uređen? Rutherford je dao odgovor na ovo pitanje nakon svog eksperimenta, provedenog 1909. godine zajedno s njemačkim fizičarem Hansom Geigerom i novozelandskim fizičarem Ernstom Marsdenom.

Rutherfordovo iskustvo

Svrha eksperimenta bila je proučavanje atoma uz pomoć alfa čestica, čiji je fokusirani snop, leteći velikom brzinom, bio usmjeren na najtanju zlatnu foliju. Iza folije se nalazio luminiscentni ekran. Kada su se čestice sudarale s njim, pojavili su se bljeskovi koji su se mogli posmatrati pod mikroskopom.

Ako je Thomson u pravu, a atom je sastavljen od oblaka elektrona, onda bi čestice trebale lako proletjeti kroz foliju, a da se ne sklone. Budući da je masa alfa čestice premašila masu elektrona za oko 8000 puta, elektron nije mogao djelovati na nju i skrenuti joj putanju pod velikim uglom, kao što kamenčić od 10 g ne može promijeniti putanju automobila u pokretu.

Ali u praksi se sve ispostavilo drugačije. Većina čestica je zapravo proletjela kroz foliju, praktički ne odstupajući ili odstupajući pod malim uglom. Ali neke od čestica su prilično značajno skrenule ili su se čak odbile, kao da im je na putu bila neka prepreka. Kako je sam Rutherford rekao, bilo je nevjerovatno kao da se projektil od 15 inča odbio od komada maramice.

Šta je uzrokovalo da neke alfa čestice toliko promijene smjer? Naučnik je sugerirao da je razlog tome dio atoma, koncentrisan u vrlo maloj zapremini i koji ima pozitivan naboj. Dao joj je ime jezgro atoma.

Rutherfordov planetarni model atoma

Rutherfordov model atoma

Rutherford je došao do zaključka da se atom sastoji od gustog pozitivno nabijenog jezgra smještenog u središtu atoma i elektrona koji imaju negativan naboj. Gotovo sva masa atoma koncentrisana je u jezgru. Generalno, atom je neutralan. Pozitivni naboj jezgra jednak je zbiru negativnih naboja svih elektrona u atomu. Ali elektroni nisu ugrađeni u jezgro, kao u Thomsonovom modelu, već se okreću oko njega kao što se planete okreću oko Sunca. Rotacija elektrona nastaje pod dejstvom Kulonove sile koja na njih deluje iz jezgra. Brzina rotacije elektrona je ogromna. Iznad površine jezgra formiraju neku vrstu oblaka. Svaki atom ima svoj elektronski oblak, negativno nabijen. Iz tog razloga se ne "lepe zajedno", već se međusobno odbijaju.

Zbog svoje sličnosti sa Sunčevim sistemom, Rutherfordov model je nazvan planetarnim.

Zašto atom postoji

Međutim, Rutherfordov model atoma nije uspio objasniti zašto je atom tako stabilan. Uostalom, prema zakonima klasične fizike, elektron, rotirajući u orbiti, kreće se ubrzano, dakle, zrači elektromagnetnim valovima i gubi energiju. Na kraju, ova energija mora nestati, a elektron mora pasti u jezgro. Da je to slučaj, atom bi mogao postojati samo 10 -8 s. Ali zašto se to ne dešava?

Razlog za ovaj fenomen kasnije je objasnio danski fizičar Niels Bohr. On je predložio da se elektroni u atomu kreću samo po fiksnim orbitama, koje se nazivaju "dozvoljene orbite". Budući da su na njima, ne zrače energiju. A do emisije ili apsorpcije energije dolazi samo kada se elektron kreće iz jedne dozvoljene orbite u drugu. Ako je ovo prijelaz sa udaljene orbite na orbitu bliže jezgru, tada se energija zrači i obrnuto. Zračenje se javlja u porcijama koje se nazivaju quanta.

Iako model koji je opisao Rutherford nije mogao objasniti stabilnost atoma, omogućio je značajan napredak u proučavanju njegove strukture.

Planetarni model atoma predložio je E. Rutherford 1910. godine. Prve studije strukture atoma napravio je uz pomoć alfa čestica. Na osnovu rezultata dobijenih u eksperimentima njihovog raspršenja, Rutherford je sugerirao da je sav pozitivni naboj atoma koncentrisan u sićušnom jezgru u njegovom središtu. S druge strane, negativno nabijeni elektroni su raspoređeni u ostatku svog volumena.

Malo pozadine

Prvu briljantnu pretpostavku o postojanju atoma iznio je starogrčki naučnik Demokrit. Od tada ideja o postojanju atoma, čije kombinacije daju sve supstance oko nas, nije napustila maštu ljudi nauke. S vremena na vrijeme su joj se obraćali njeni različiti predstavnici, ali sve do početka 19. stoljeća njihove su konstrukcije bile samo hipoteze, ne potkrijepljene eksperimentalnim podacima.

Konačno, 1804. godine, više od stotinu godina prije nego što se pojavio planetarni model atoma, engleski naučnik John Dalton pružio je dokaze za njegovo postojanje i uveo koncept atomske težine, što je bila njegova prva kvantitativna karakteristika. Kao i njegovi prethodnici, zamišljao je atome kao najmanji komadići materije, poput čvrstih kuglica, koje se ne mogu podijeliti na još manje čestice.

Otkriće elektrona i prvi model atoma

Prošao je skoro jedan vek kada je, konačno, krajem 19. veka, takođe Englez J. J. Thomson, otkrio prvu subatomsku česticu, negativno naelektrisan elektron. Budući da su atomi električno neutralni, Thomson je mislio da se sastoje od pozitivno nabijenog jezgra čiji su elektroni rasuti po cijelom volumenu. Na osnovu različitih eksperimentalnih rezultata, 1898. predložio je svoj model atoma, koji se ponekad naziva "šljive u pudingu", jer je atom u njemu predstavljen kao sfera ispunjena nekom pozitivno nabijenom tekućinom, u koju su ugrađeni elektroni, kao " šljive u puding. Radijus takvog sfernog modela bio je oko 10 -8 cm.Ukupni pozitivni naboj tečnosti je simetrično i ravnomerno uravnotežen negativnim naelektrisanjem elektrona, kao što je prikazano na slici ispod.

Ovaj model je na zadovoljavajući način objasnio činjenicu da kada se supstanca zagreje, ona počinje da emituje svetlost. Iako je ovo bio prvi pokušaj da se razumije šta je atom, nije uspio zadovoljiti rezultate eksperimenata koje su kasnije izveli Rutherford i drugi. Thomson se 1911. složio da njegov model jednostavno ne može odgovoriti kako i zašto dolazi do raspršivanja α-zraka uočenih u eksperimentima. Stoga je napušten, a zamijenjen je savršenijim planetarnim modelom atoma.

Kako je uopće uređen atom?

Ernest Rutherford je dao objašnjenje fenomena radioaktivnosti zbog čega je dobio Nobelovu nagradu, ali njegov najznačajniji doprinos nauci došao je kasnije, kada je ustanovio da se atom sastoji od gustog jezgra okruženog orbitama elektrona, baš kao što je okruženo Sunce. orbitama planeta.

Prema planetarnom modelu atoma, većina njegove mase je koncentrisana u malom (u poređenju sa veličinom cijelog atoma) jezgri. Elektroni se kreću oko jezgra, putujući nevjerovatnim brzinama, ali većina volumena atoma je prazan prostor.

Veličina jezgra je toliko mala da je njegov prečnik 100 000 puta manji od prečnika atoma. Promjer jezgra Rutherford je procijenio na 10 -13 cm, za razliku od veličine atoma - 10 -8 cm. Izvan jezgra, elektroni se vrte oko njega velikim brzinama, što rezultira centrifugalnim silama koje balansiraju elektrostatičke sile. privlačnosti između protona i elektrona.

Rutherfordovi eksperimenti

Planetarni model atoma nastao je 1911. godine, nakon čuvenog eksperimenta sa zlatnom folijom, koji je omogućio da se dobiju neke fundamentalne informacije o njegovoj strukturi. Rutherfordov put do otkrića atomskog jezgra dobar je primjer uloge kreativnosti u nauci. Njegova potraga počela je još 1899. godine kada je otkrio da određeni elementi emituju pozitivno nabijene čestice koje mogu probiti bilo šta. On je te čestice nazvao alfa (α) česticama (sada znamo da su to jezgre helijuma). Kao i svi dobri naučnici, Rutherford je bio radoznao. Pitao se mogu li se alfa čestice koristiti za otkrivanje strukture atoma. Rutherford je odlučio da snop alfa čestica usmjeri na list vrlo tanke zlatne folije. Odabrao je zlato jer je moglo proizvesti limove tanke i do 0,00004 cm.Iza lista zlatne folije postavio je ekran koji je svijetlio kada su alfa čestice udarile u njega. Korišćen je za detekciju alfa čestica nakon što prođu kroz foliju. Mali prorez na ekranu omogućio je snopu alfa čestica da dođe do folije nakon izlaska iz izvora. Neki od njih moraju proći kroz foliju i nastaviti se kretati u istom smjeru, dok se drugi dio moraju odbijati od folije i reflektirati pod oštrim uglovima. Shemu eksperimenta možete vidjeti na donjoj slici.

Šta se dogodilo u Rutherfordovom eksperimentu?

Na osnovu J. J. Thomsonovog modela atoma, Rutherford je pretpostavio da će čvrste regije pozitivnog naboja koje ispunjavaju cijeli volumen atoma zlata odstupati ili savijati putanje svih alfa čestica dok prolaze kroz foliju.

Međutim, velika većina alfa čestica prošla je upravo kroz zlatnu foliju kao da je nije bilo. Činilo se da prolaze kroz prazan prostor. Samo nekoliko njih skreće s pravog puta, kako se na početku i pretpostavljalo. Ispod je grafikon broja čestica raspršenih u odgovarajućem smjeru u odnosu na kut raspršenja.

Iznenađujuće, mali procenat čestica se odbio od folije, poput košarkaške lopte koja se odbija od table. Rutherford je shvatio da su ova odstupanja rezultat direktnog sudara između alfa čestica i pozitivno nabijenih komponenti atoma.

Jezgro zauzima centralno mesto

Na osnovu zanemarljivog procenta alfa čestica reflektovanih od folije, možemo zaključiti da su sav pozitivni naboj i gotovo sva masa atoma koncentrirani u jednoj maloj površini, a ostatak atoma je uglavnom prazan prostor. Rutherford je područje koncentriranog pozitivnog naboja nazvao jezgrom. Predvidio je i ubrzo otkrio da sadrži pozitivno nabijene čestice, koje je nazvao protoni. Rutherford je predvidio postojanje neutralnih atomskih čestica zvanih neutroni, ali ih nije uspio otkriti. Međutim, njegov učenik James Chadwick otkrio ih je nekoliko godina kasnije. Slika ispod prikazuje strukturu jezgra atoma uranijuma.

Atomi se sastoje od pozitivno nabijenih teških jezgara okruženih negativno nabijenim ekstremno lakim česticama-elektronima koji rotiraju oko njih, i to takvim brzinama da mehaničke centrifugalne sile jednostavno balansiraju njihovu elektrostatičku privlačnost prema jezgri, te je s tim u vezi navodno osigurana stabilnost atoma.

Nedostaci ovog modela

Rutherfordova glavna ideja bila je povezana s idejom malog atomskog jezgra. Pretpostavka o orbitama elektrona bila je čista pretpostavka. Nije znao tačno gde i kako se elektroni okreću oko jezgra. Stoga, Rutherfordov planetarni model ne objašnjava raspodjelu elektrona u orbitama.

Osim toga, stabilnost Rutherfordovog atoma bila je moguća samo uz kontinuirano kretanje elektrona po orbitama bez gubitka kinetičke energije. Ali elektrodinamički proračuni su pokazali da kretanje elektrona duž bilo koje krivolinijske putanje, praćeno promjenom smjera vektora brzine i pojavom odgovarajućeg ubrzanja, neizbježno je praćeno emisijom elektromagnetske energije. U ovom slučaju, prema zakonu održanja energije, kinetička energija elektrona mora se vrlo brzo potrošiti na zračenje, te mora pasti na jezgro, kao što je shematski prikazano na donjoj slici.

Ali to se ne dešava, jer su atomi stabilne formacije. Između modela fenomena i eksperimentalnih podataka nastala je tipična naučna kontradikcija.

Od Rutherforda do Nielsa Bohra

Sljedeći veliki korak naprijed u istoriji atoma dogodio se 1913. godine, kada je danski naučnik Niels Bohr objavio opis detaljnijeg modela atoma. Ona je jasnije odredila mjesta gdje bi elektroni mogli biti. Iako su kasniji naučnici razvili sofisticiranije atomske dizajne, Bohrov planetarni model atoma bio je u osnovi ispravan, a veliki dio se i danas prihvaća. Imao je mnoge korisne primjene, na primjer, koristi se za objašnjenje svojstava različitih kemijskih elemenata, prirode njihovog spektra zračenja i strukture atoma. Planetarni model i Bohrov model bili su najvažnije prekretnice koje su označile nastanak novog pravca u fizici - fizike mikrosvijeta. Bohr je 1922. dobio Nobelovu nagradu za fiziku za svoj doprinos našem razumijevanju strukture atoma.

Šta je novo Bohr unio u model atoma?

Dok je još bio mladić, Bohr je radio u Rutherfordovoj laboratoriji u Engleskoj. Budući da je koncept elektrona bio slabo razvijen u Rutherfordovom modelu, Bohr se fokusirao na njih. Kao rezultat toga, planetarni model atoma je značajno poboljšan. Borovi postulati, koje je formulirao u svom članku "O strukturi atoma i molekula", objavljenom 1913., glase:

1. Elektroni se mogu kretati oko jezgra samo na fiksnim udaljenostima od njega, koje su određene količinom energije koju imaju. On je ove fiksne nivoe nazvao energetskim nivoima ili elektronskim školjkama. Bor ih je zamislio kao koncentrične sfere, sa jezgrom u središtu svake. U ovom slučaju, elektroni sa nižom energijom naći će se na nižim nivoima, bliže jezgru. Oni sa više energije naći će se na višim nivoima, dalje od jezgra.

2. Ako elektron apsorbuje neku (sasvim izvesnu za dati nivo) količinu energije, onda će skočiti na sledeći, viši energetski nivo. Suprotno tome, ako izgubi istu količinu energije, vratit će se na prvobitni nivo. Međutim, elektron ne može postojati na dva nivoa energije.

Ova ideja je ilustrovana slikom.

Energetski dijelovi za elektrone

Bohrov model atoma je zapravo kombinacija dvije različite ideje: Rutherfordov atomski model s elektronima koji se okreću oko jezgra (u suštini planetarni Bohr-Rutherfordov model atoma) i Max Planckova ideja kvantiziranja energije materije, objavljeno 1901. Kvant (množina - kvanti) je minimalna količina energije koju supstanca može apsorbirati ili emitovati. To je neka vrsta koraka diskretizacije količine energije.

Ako se energija poredi sa vodom i želite da je dodate materiji u obliku čaše, ne možete tek tako sipati vodu u neprekidnom mlazu. Umjesto toga, možete ga dodati u malim količinama, poput kašičice. Bohr je vjerovao da ako elektroni mogu apsorbirati ili izgubiti samo fiksne količine energije, onda bi svoju energiju trebali mijenjati samo za te fiksne količine. Dakle, oni mogu zauzeti samo fiksne energetske nivoe oko jezgra koji odgovaraju kvantizovanim prirastima njihove energije.

Tako iz Borovog modela izrasta kvantni pristup objašnjavanju strukture atoma. Planetarni model i Borov model bili su svojevrsni koraci od klasične fizike do kvantne fizike, koja je glavno oruđe u fizici mikrokosmosa, uključujući atomsku fiziku.