Rutherford'un atom deneylerinin nükleer modeli. Okul ansiklopedisi

19. yüzyılın sonlarına kadar atomun bölünmez olduğuna inanılıyordu. Ancak İngiliz fizikçi Joseph John Thomson'un 1897'de elektronu keşfetmesinden sonra bilim adamlarının yanıldığı ortaya çıktı.

Böylece, elektronu keşfeden Thomson, onun kütlesi ve negatif yükü olduğu sonucuna vardı. Elektronun olduğu varsayıldı ayrılmaz parça atom. Ancak negatif bir yüke sahip olduğundan, genel olarak atom nötr olduğundan, atomun pozitif yüklü parçacıklar içermesi gerekir.

Thomson'ın atom modeli

Thomson atom modelini önerdi. Atomun top şeklinde olduğuna inanıyordu. Bu topun içinde negatif yüklü elektronların bulunduğu pozitif yüklü bir madde vardır. Thomson şakayla karışık modeline "kuru üzümlü çörek" adını verdi. Yani, onun modelinde elektronlar, bir çörekteki kuru üzüm gibi, pozitif yüklü bir kütle ile serpiştirilmiş durumda.

Rutherford'un deneyimi

Rutherford'un deneyimi

Bilim adamlarının atomla ilgili daha ileri çalışmaları, Thomson tarafından önerilen modelin yanlış olduğunu gösterdi.

1909'da İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, kimyasal element radyumun bozunması sırasında oluşan alfa parçacıklarının saçılmasıyla ilgili bir deney yaptı. Alfa parçacıklarının kütlesi elektronun kütlesinin 8000 katıdır.

Rutherford'un deneyinde, bir alfa parçacığı demeti ince altın folyodan geçirildi. Folyonun o kadar ince olduğu söylenmelidir ki kalınlığı neredeyse bir molekül tabakası kadardır. Thomson haklıysa ve atom bir tür elektron bulutundan oluşuyorsa, o zaman büyük bir kütleye sahip olan alfa parçacıkları folyodan kolayca geçmelidir. Ancak aslında, bazı alfa parçacıklarının aslında içinden geçerek yalnızca küçük bir açıyla saptıkları ve bazılarının bir tür engelle karşılaşıp geri sıçradığı ortaya çıktı. Bu inanılmazdı. Rutherford daha sonra deneyimini kağıt mendile 15 inçlik bir mermi atmakla karşılaştırdı. Deneyinin sonucu, sanki merminin sadece kağıt mendile nüfuz edememekle kalmayıp aynı zamanda kağıttan sektiğiydi. Yani atomun içinde alfa parçacıklarının atomun içinden geçmesini engelleyen bir şey vardı. Alfa parçacıkları pozitif yüke sahip olduğundan, büyük olasılıkla pozitif yüklü diğer parçacıkların yanından geçiyorlardı. Ve bu parçacıkların boyutları çok fazlaydı daha küçük boyutlar atomun kendisi. Altın atomunun, pozitif yüklü bir çekirdek ve onu çevreleyen negatif yüklü elektronlardan oluşması gerekiyordu.

Bunun nükleer fiziğin doğuşu olduğunu söyleyebiliriz.

Atomun gezegen modeli

Rutherford'un atom modeli

Rutherford, atomun yapısını açıklayan atom modelini önerdi. Atomun tüm kütlesinin pozitif yüklü bir çekirdekte yoğunlaştığına inanıyordu. Ve gezegenlerin Güneş'in etrafında dönmesi gibi, negatif yüklü elektronlar da bu çekirdeğin etrafında dönerler. Ve elektronlar, çekirdekten kendilerine etki eden Coulomb kuvvetinin etkisi altında dönerler. Rutherford'un modeline gezegensel adı verildi.

Bir atomdaki elektronlar o kadar büyük bir hızla dönerler ki, çekirdeğin yüzeyi üzerinde bir tür bulut oluştururlar. Tüm atomlar birbirinden belirli bir mesafede bulunur. Ve "birbirine yapışmazlar", çünkü her atomun çekirdeğinin etrafında negatif yüklü kendi elektron "bulut" vardır. Ve bu "bulut", başka bir atomun negatif yüklü elektron "bulutundan" itilir.

Ancak Rutherford'un atom modelinin kusurları vardı. Klasik fizik yasalarıyla bağdaşmıyordu. Elektron neden çekirdeğe düşmüyor? Çünkü her şey onun etrafında dönüyor. Ancak döndükçe yayılmalı elektromanyetik dalgalar ve enerjinizi kaybedersiniz. Ve yavaş yavaş tüm enerjiyi harcayan elektronun çekirdeğe düşmesi gerekir. Ancak bu gerçekte gerçekleşmez. Yani atomda meydana gelen olaylar klasik kanunlara uymamaktadır.

Daha sonra Danimarkalı fizikçi Niels Bohr bu fenomene bir açıklama yaptı. Bir atomdaki elektronların yalnızca enerji yaymadıkları sabit yörüngelerde hareket ettiklerini öne sürdü. Ve Bohr haklıydı.

Ders: Atomun gezegen modeli

Atomik yapı

Herhangi bir maddenin yapısını belirlemenin en doğru yolu spektral analizdir. Bir elementin her atomunun radyasyonu tamamen bireyseldir. Ancak spektral analizin nasıl gerçekleştiğini anlamadan önce, herhangi bir elementin atomunun nasıl bir yapıya sahip olduğunu anlayacağız.

Atomun yapısına ilişkin ilk varsayım J. Thomson tarafından ortaya atılmıştır. Bu bilim adamı uzun zaman atomları inceledi. Üstelik aldığı elektronu keşfeden de oydu. Nobel Ödülü. Thomson'un önerdiği modelin gerçeklikle hiçbir ilgisi yoktu, ancak Rutherford'un atomun yapısına ilişkin çalışmasında oldukça güçlü bir teşvik görevi gördü. Thomson tarafından önerilen modele "kuru üzümlü puding" adı verildi.

Thomson, atomun negatif elektrik yüküne sahip katı bir top olduğuna inanıyordu. Bunu telafi etmek için elektronlar, kuru üzüm gibi topun içine serpiştirilir. Elektronların toplam yükü, tüm çekirdeğin yüküyle çakışır, bu da atomu nötr yapar.

Atomun yapısını incelerken tüm atomların katılar salınım hareketleri yapın. Ve bildiğiniz gibi, hareket eden herhangi bir parçacık dalga yayar. Bu nedenle her atomun kendine ait bir spektrumu vardır. Ancak bu ifadeler Thomson’un modelinde hiçbir şekilde yer almamıştır.

Rutherford'un deneyimi

Thomson'ın modelini doğrulamak veya çürütmek için Rutherford, belirli bir elementin atomunun alfa parçacıklarıyla bombardıman edildiği bir deney önerdi. Bu deney sonucunda parçacığın nasıl davranacağını görmek önemliydi.

Radyumun radyoaktif bozunması sonucunda alfa parçacıkları keşfedildi. Akışları, her bir parçacığı pozitif yüke sahip olan alfa ışınlarıydı. Yapılan çok sayıda çalışma sonucunda alfa parçacığının elektron içermeyen helyum atomuna benzediği belirlendi. Mevcut bilgiyi kullanarak alfa parçacığının bir helyum çekirdeği olduğunu biliyoruz; o zamanlar Rutherford bunun helyum iyonları olduğuna inanıyordu.

Her alfa parçacığının muazzam enerji Bunun sonucunda söz konusu atomlara doğru yüksek hızda uçabiliyordu. Bu nedenle deneyin ana sonucu parçacığın sapma açısını belirlemekti.

Deneyi gerçekleştirmek için Rutherford ince altın folyo kullandı. Yüksek hızlı alfa parçacıklarını ona yöneltti. Bu deneyin sonucunda tüm parçacıkların folyodan hafif sapmalarla uçacağını varsaydı. Ancak kesin olarak emin olmak için öğrencilerine bu parçacıkların büyük sapmalara sahip olup olmadığını kontrol etmelerini söyledi.

Deneyin sonucu kesinlikle herkesi şaşırttı, çünkü birçok parçacık yalnızca oldukça büyük bir açıyla sapmakla kalmadı, bazı sapma açıları da 90 derecenin üzerine çıktı.

Bu sonuçlar kesinlikle herkesi şaşırttı; Rutherford, mermilerin yoluna alfa parçacığının içeri girmesine izin vermeyen bir kağıt parçası yerleştirilmiş gibi bir his verildiğini ve bunun sonucunda geri döndüğünü söyledi.

Eğer atom gerçekten katıysa, parçacığı yavaşlatacak bir elektrik alanına sahip olması gerekirdi. Ancak alanın gücü onu tamamen durdurmaya, hatta geri püskürtmeye bile yetmedi. Bu, Thomson'un modelinin çürütüldüğü anlamına gelir. Böylece Rutherford yeni bir model üzerinde çalışmaya başladı.

Böyle bir deneysel sonuç elde etmek için pozitif yükü daha küçük boyutta yoğunlaştırmak gerekir, bu da daha büyük bir elektrik alanıyla sonuçlanır. Alan potansiyeli formülünü kullanarak, bir alfa parçacığını ters yönde itebilecek pozitif parçacığın gerekli boyutunu belirleyebilirsiniz. Yarıçapı yaklaşık maksimum olmalıdır 10 -15m. Rutherford'un atomun gezegen modelini önermesinin nedeni budur.

Bu modelin bu şekilde adlandırılmasının bir nedeni var. Gerçek şu ki, atomun içinde güneş sistemindeki Güneş'e benzeyen pozitif yüklü bir çekirdek var. Elektronlar gezegenler gibi çekirdeğin etrafında dönerler. Güneş sistemi, gezegenlerin çekim kuvvetleri tarafından Güneş'e çekilmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır ancak onları yörüngelerinde tutan mevcut hız nedeniyle Güneş'in yüzeyine düşmezler. Aynı şey elektronlarda da olur - Coulomb kuvvetleri elektronları çekirdeğe çeker, ancak dönme nedeniyle çekirdeğin yüzeyine düşmezler.

Thomson'ın varsayımlarından birinin kesinlikle doğru olduğu ortaya çıktı - elektronların toplam yükü çekirdeğin yüküne karşılık geliyor. Ancak güçlü etkileşimler sonucunda elektronlar yörüngelerinin dışına çıkabilir, bunun sonucunda yük telafi edilmez ve atom pozitif yüklü bir iyona dönüşür.

Atomun yapısına ilişkin çok önemli bir bilgi, atomun kütlesinin neredeyse tamamının çekirdekte toplanmış olmasıdır. Örneğin, bir hidrojen atomunun kütlesi çekirdeğin kütlesinden bir buçuk bin kat daha az olan yalnızca bir elektrona sahiptir.

Bu dersin konusu “Atom modelleri. Rutherford'un deneyimi." Üzerinde bilim adamlarının atomların karmaşık yapısını nasıl incelediklerini, bu teori için nasıl bir açıklama bulduklarını, kazanılan bilgilerin bugün uygulandığı yerleri öğreneceğiz. Ayrıca Rutherford deneyinin atom modelini incelemek için nasıl kullanılabileceğine de bakacağız.

Önceki derste radyoaktivitenin ürettiğini tartışmıştık. Farklı türde radyasyon: a-, b- ve g-ışınları. Atomun yapısını incelemenin mümkün olduğu bir araç ortaya çıktı.

Atomun da karmaşık bir yapıya sahip olduğu, bir şekilde özel bir yapıya sahip olduğu anlaşıldıktan sonra atomun yapısını araştırmak, nasıl bir yapıya sahip olduğunu, nelerden oluştuğunu açıklamak gerekiyordu. Ve böylece bilim insanları bu çalışmaya başladı.

Karmaşık yapıya ilişkin ilk fikirler dile getirildi Thomson 1897 yılında elektronu keşfeden kişidir. 1903'te Thomson ilk kez bir atom modeli önerdi. Thomson'un teorisine göre atom, tüm hacmi boyunca pozitif yüke sahip bir toptu. Ve içeride yüzen elementler gibi elektronlar vardı. Genel olarak Thomson'a göre atom elektriksel olarak nötrdü, yani böyle bir atomun yükü 0'a eşitti. Elektronların negatif yükleri, atomun pozitif yükünü telafi ediyordu. Atomun boyutu yaklaşık 10 -10 m idi Thomson'ın modeline “kuru üzümlü puding” adı verildi: “pudingin” kendisi atomun pozitif yüklü “gövdesi” ve “kuru üzüm” elektronlardır (Şekil 1). ).

Pirinç. 1. Thomson'ın atom modeli (“kuru üzümlü tatlı”)

Atomun yapısını belirleyen ilk güvenilir deney yapıldı E.Rutherford. Bugün atomun gezegensel güneş sistemini andıran bir yapı olduğunu kesin olarak biliyoruz. Merkezde gezegenlerin etrafında döndüğü devasa bir cisim var. Bu atom modeline gezegen modeli denir.

Rutherford'un deneysel diyagramına (Şekil 2) dönelim ve gezegen modelinin oluşturulmasına yol açan sonuçları tartışalım.

Pirinç. 2. Rutherford deneyinin şeması

Radyum, dar bir deliğe sahip bir kurşun silindirin içine yerleştirildi. Bir diyafram kullanılarak, diyafram açıklığından geçerek özel bir bileşimle kaplanmış bir ekrana çarpan dar bir a-parçacıkları demeti oluşturuldu; vurulduğunda bir mikro flaş meydana geldi. Parçacıklar ekrana çarptığında oluşan bu parıltıya "parıldama parlaması" denir. Bu tür parlamalar mikroskop kullanılarak ekranın yüzeyinde gözlemlendi. Daha sonra devrede altın plaka olmadığı sürece silindirden dışarı fırlayan tüm parçacıklar bir noktaya çarpıyordu. Uçan a-parçacıklarının yoluna çok ince bir altın plaka ekranın içine yerleştirildiğinde tamamen anlaşılmaz şeyler gözlemlenmeye başladı. Altın plaka yerleştirilir yerleştirilmez a parçacıkları sapmaya başladı. Parçacıkların başlangıçtaki doğrusal hareketlerinden saparak bu ekranın tamamen farklı noktalarına ulaştığı fark edildi.

Üstelik ekran neredeyse kapalı hale getirildiğinde, bir şekilde içine uçan parçacıkların olduğu ortaya çıktı. ters taraf. 90° veya daha fazla bir açıyla saparlar. Bu gözlemler Rutherford tarafından analiz edildi ve aşağıdaki oldukça ilginç şey ortaya çıktı.

Her şeyden önce Thomson'un teorisi burada başarısız oldu. Thomson'un teorisine göre atom, içinde pozitif yükün bulunduğu ve bir elektronun bulunduğu 10-10 m büyüklüğünde bir toptur. Yani elektronlar çok küçük parçacıklardır; uygun bir hızda uçan a-parçacıklarına müdahale edemezler. Bu durumda a parçacıklarının hızı yaklaşık 10.000 km/s idi.

Bir kamyonun oyuncak arabaya çarptığı bir durumu hayal edin. Kamyonun böyle bir arabayı fark etmeyeceği bile açık. Bunu bir elektronun bir a parçacığı ile çarpışmasına benzetebiliriz. Bu da demek oluyor ki, Thomson'un iddia ettiği gibi değil, atomun farklı bir yapıya sahip olduğu sonucuna varmak gerekiyordu. Ve görünüşe göre, altın atomunda a parçacığından daha büyük, pozitif yüke sahip bir nesne var.

Rutherford'un atomda varlığını tahmin ettiği a-parçacıklarının bu devasa parçacık üzerindeki saçılımını karakterize eden başka bir resme bakalım (Şekil 3).

Pirinç. 3. Alfa parçacığı saçılması Deneylerin sonuçlarına göre atomda pozitif yüklü kütleli bir nesnenin olduğu söylenebilir. Bu büyük parçacıkla çarpışan bir a parçacığı geri yansıtılabilir. Yakından uçan parçacıklar farklı açılarda saptırılır. Bir a-parçacığı bu nesneden ne kadar uzağa uçarsa, saptığı açı da o kadar küçük olur. Bu fenomene " denir a-parçacığı saçılması».

Rutherford atomun içindeki büyük parçacığa çekirdek adını verdi. Ve hatta boyutunu takdir etti. Rutherford'a göre çekirdeğin boyutu 10 -14 -10 -15 m idi ve bu cisim atoma göre çok ama çok küçüktü. Atomun büyüklüğü 10-10 m civarındadır ve atomun neredeyse tüm kütlesi çekirdekte yoğunlaşmıştır. Ve elektronların döndüğü yer çekirdeğin etrafındadır.

bu şunu ima ediyor gezegensel modeli Rutherford, atomun, etrafında elektronların yörüngelerinde döndüğü, pozitif yüklü büyük bir çekirdek olduğunu belirtir (Şekil 4). Genel olarak atom elektriksel olarak nötrdür, yani atomun yükü sıfırdır. Bir atomda elektron fazlalığı veya eksikliği varsa buna iyon denir.

Pirinç. 4. Atomun gezegen modeli

Elbette başka ilgi teorileri de vardı. Bugün, bazı çekincelerle birlikte, daha sonra tartışacağımız genel kabul gören model, Ernest Rutherford'un önerdiği atomun gezegen modelidir.

Kaynakça

1. Bronştayn Milletvekili Atomlar ve elektronlar. “Kütüphane “Kuantum””. Cilt 1. - M .: Nauka, 1980.
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizik: Lise 9. sınıf ders kitabı. - M .: “Aydınlanma”.
3. Kitaygorodsky A.I. Herkes için fizik. Fotonlar ve çekirdekler. Kitap 4. - M .: Bilim.
4. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fizik. Optik Kuantum fiziği. 11. sınıf: derinlemesine fizik çalışması için ders kitabı. - M.: Bustard.
5. Newton I. Doğa felsefesinin matematiksel ilkeleri. - M.: Nauka, 1989.
6. Rutherford E. Seçilmiş bilimsel çalışmalar. Radyoaktivite. - M.: Bilim.
7. Rutherford E. Seçilmiş bilimsel çalışmalar. Atomun yapısı ve elementlerin yapay dönüşümü. - M.: Bilim.
8. Einstein A., Infeld L. Fiziğin evrimi. Başlangıç ​​kavramlarından görelilik ve kuantum teorisine kadar fikirlerin geliştirilmesi. - M.: Nauka, 1965.

Eski Yunan ve eski Hintli bilim adamları ve filozoflar, etrafımızdaki tüm maddelerin bölünemeyen küçük parçacıklardan oluştuğuna inanıyorlardı.

Dünyada, adını verdikleri bu parçacıklardan daha küçük hiçbir şeyin olmadığından emindiler. atomlar . Ve aslında atomların varlığı daha sonra Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton gibi ünlü bilim adamları tarafından kanıtlandı. 19. yüzyılın sonu ve 20. yüzyılın başına kadar atomun bölünmez olduğu düşünülüyordu, ancak durumun böyle olmadığı anlaşıldı.

Elektronun keşfi. Thomson'ın atom modeli

Joseph John Thomson

1897'de katot ışınlarının manyetik ve elektrik alanlardaki davranışını deneysel olarak inceleyen İngiliz fizikçi Joseph John Thomson, bu ışınların negatif yüklü parçacıklardan oluşan bir akış olduğunu keşfetti. Bu parçacıkların hareket hızı ışık hızından daha düşüktü. Bu nedenle kütleleri vardı. Nereden geldiler? Bilim adamı bu parçacıkların atomun bir parçası olduğunu öne sürdü. Onları aradı tanecikler . Daha sonra çağrılmaya başladılar elektronlar . Böylece elektronun keşfi atomun bölünmezliği teorisine son verdi.

Thomson'ın atom modeli

Thomson atomun ilk elektronik modelini önerdi. Buna göre atom, içinde pozitif yükü tüm hacim boyunca eşit olarak dağılmış yüklü bir madde bulunan bir toptur. Ve elektronlar, çörekteki kuru üzüm gibi bu maddenin içine serpiştirilmiştir. Genel olarak atom elektriksel olarak nötrdür. Bu modele "erikli puding modeli" adı verilmiştir.

Ancak Thomson'ın modelinin yanlış olduğu ortaya çıktı ve bu, İngiliz fizikçi Sir Ernest Rutherford tarafından kanıtlandı.

Rutherford'un deneyimi

Ernest Rutherford

Atomun yapısı nasıl? Rutherford, 1909 yılında Alman fizikçi Hans Geiger ve Yeni Zelandalı fizikçi Ernst Marsden ile birlikte yaptığı deneyin ardından bu soruyu yanıtladı.

Rutherford'un deneyimi

Deneyin amacı, odaklanmış bir ışının muazzam bir hızla uçarak en ince altın levhaya yönlendirildiği alfa parçacıklarını kullanarak atomu incelemekti. Folyonun arkasında floresan bir ekran vardı. Parçacıklar onunla çarpıştığında, mikroskopla gözlemlenebilecek parlamalar meydana geldi.

Thomson haklıysa ve atom bir elektron bulutundan oluşuyorsa, o zaman parçacıklar folyonun içinden sapmadan kolayca uçmalıdır. Alfa parçacığının kütlesi elektronun kütlesini yaklaşık 8000 kat aştığı için, tıpkı 10 g ağırlığındaki bir çakıl taşının hareket eden bir arabanın yörüngesini değiştiremeyeceği gibi, elektron da onu etkileyemedi ve yörüngesini büyük bir açıyla saptıramadı.

Ancak pratikte her şey farklı çıktı. Parçacıkların çoğu aslında çok az sapmayla veya hiç sapma olmadan folyonun içinden uçtu. Ancak bazı parçacıklar oldukça önemli ölçüde saptı, hatta sanki yollarına bir tür engel çıkmış gibi geri döndüler. Rutherford'un kendisinin de söylediği gibi, sanki 15 inçlik bir merminin bir parça kağıt mendilden sekmesi kadar inanılmazdı.

Bazı alfa parçacıklarının bu kadar yön değiştirmesine ne sebep oldu? Bilim adamı bunun nedeninin atomun çok küçük hacimde yoğunlaşan ve pozitif yük taşıyan bir parçası olduğunu öne sürdü. Onu aradı bir atomun çekirdeği.

Rutherford'un atomun gezegen modeli

Rutherford'un atom modeli

Rutherford, atomun, atomun merkezinde yer alan yoğun, pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluştuğu sonucuna vardı. Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdekte yoğunlaşmıştır. Genel olarak atom nötrdür. Çekirdeğin pozitif yükü, atomun tüm elektronlarının negatif yüklerinin toplamına eşittir. Ancak elektronlar, Thomson'ın modelindeki gibi çekirdeğe gömülü değil, Güneş'in etrafında dönen gezegenler gibi onun etrafında dönüyorlar. Elektronların dönüşü, çekirdekten onlara etki eden Coulomb kuvvetinin etkisi altında gerçekleşir. Elektronun dönme hızı çok büyüktür. Çekirdeğin yüzeyinin üzerinde bir tür bulut oluştururlar. Her atomun negatif yüklü kendi elektron bulutu vardır. Bu nedenle “birbirine yapışmazlar”, birbirlerini iterler.

Güneş sistemine benzerliği nedeniyle Rutherford'un modeline gezegensel adı verildi.

Atom neden var?

Ancak Rutherford'un atom modeli, atomun neden bu kadar kararlı olduğunu açıklayamıyordu. Sonuçta klasik fizik yasalarına göre yörüngede dönen bir elektron ivmeyle hareket eder, dolayısıyla elektromanyetik dalgalar yayar ve enerji kaybeder. Sonunda bu enerjinin tükenmesi ve elektronun çekirdeğe düşmesi gerekir. Eğer böyle olsaydı atom yalnızca 10-8 saniye boyunca var olabilirdi. Peki bu neden olmuyor?

Bu olgunun nedeni daha sonra Danimarkalı fizikçi Niels Bohr tarafından açıklandı. Bir atomdaki elektronların yalnızca "izin verilen yörüngeler" adı verilen sabit yörüngelerde hareket ettiğini öne sürdü. Üzerlerindeyken enerji yaymazlar. Ve enerjinin emisyonu veya soğurulması yalnızca bir elektron izin verilen bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde meydana gelir. Eğer bu uzak bir yörüngeden çekirdeğe daha yakın bir yörüngeye geçişse, o zaman enerji yayılır ve bunun tersi de geçerlidir. Radyasyon adı verilen kısımlarda meydana gelir. kuantum.

Rutherford'un tanımladığı model atomun kararlılığını açıklayamasa da yapısının incelenmesinde önemli ilerlemelere olanak sağladı.

Atomun gezegen modeli 1910'da E. Rutherford tarafından önerildi. Atomun yapısına ilişkin ilk çalışmalarını alfa parçacıklarını kullanarak yaptı. Rutherford, saçılma deneylerinden elde ettiği sonuçlara dayanarak, bir atomun tüm pozitif yükünün, atomun merkezindeki küçük bir çekirdekte toplandığını öne sürdü. Öte yandan negatif yüklü elektronlar hacminin geri kalan kısmına dağılmıştır.

Biraz arka plan

Atomların varlığına ilişkin ilk parlak tahmin, antik Yunan bilim adamı Demokritos tarafından yapılmıştır. O zamandan beri, birleşimleri etrafımızdaki tüm maddeleri oluşturan atomların varlığı fikri bilim insanlarının hayal gücünü terk etmemiştir. Çeşitli temsilcileri periyodik olarak bu konuya değindi, ancak 19. yüzyılın başına kadar yapıları sadece hipotezlerden ibaretti ve deneysel verilerle desteklenmiyordu.

Sonunda, 1804'te, atomun gezegensel modelinin ortaya çıkmasından yüz yıldan fazla bir süre önce, İngiliz bilim adamı John Dalton, atomun varlığının kanıtlarını sunmuş ve onun ilk niceliksel özelliği olan atom ağırlığı kavramını ortaya atmıştır. Selefleri gibi o da atomları katı toplar gibi daha küçük parçacıklara bölünemeyen küçük madde parçaları olarak düşünüyordu.

Elektronun keşfi ve atomun ilk modeli

Nihayet 19. yüzyılın sonunda İngiliz J. J. Thomson'un da ilk atom altı parçacığı, negatif yüklü elektronu keşfetmesiyle neredeyse bir yüzyıl geçti. Atomlar elektriksel olarak nötr olduğundan Thomson, elektronların hacmi boyunca dağıldığı pozitif yüklü bir çekirdekten oluşması gerektiğini düşündü. Çeşitli deneysel sonuçlara dayanarak, 1898'de, bazen "pudingdeki erikler" olarak adlandırılan atom modelini önerdi çünkü bu model, atomu, içine elektronların "erikler" gibi gömülü olduğu pozitif yüklü bir sıvıyla dolu bir küre olarak temsil ediyordu. puding." Böyle bir küresel modelin yarıçapı yaklaşık 10-8 cm idi Sıvının genel pozitif yükü, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi elektronların negatif yükleri tarafından simetrik ve eşit bir şekilde dengelenmiştir.

Bu model, bir maddenin ısıtıldığında ışık yaymaya başladığı gerçeğini tatmin edici bir şekilde açıkladı. Her ne kadar bu, atomun ne olduğunu anlamaya yönelik ilk girişim olsa da, daha sonra Rutherford ve diğerleri tarafından gerçekleştirilen deneylerin sonuçlarını tatmin etmekte başarısız oldu. Thomson 1911'de modelinin deneysel olarak gözlemlenen α-ışınları saçılımının nasıl ve neden oluştuğuna cevap veremeyeceğini kabul etti. Bu nedenle terk edildi ve yerini atomun daha gelişmiş bir gezegen modeli aldı.

Atomun yapısı nasıldır?

Ernest Rutherford, kendisine Nobel Ödülü'nü kazandıran radyoaktivite olgusuna ilişkin bir açıklama yaptı, ancak bilime en önemli katkısı, daha sonra, atomun, tıpkı Güneş'in etrafını sardığı gibi, elektron yörüngeleriyle çevrelenmiş yoğun bir çekirdekten oluştuğunu tespit etmesiyle geldi. gezegenlerin yörüngeleri.

Atomun gezegen modeline göre, çoğu kütlesi (tüm atomun boyutuyla karşılaştırıldığında) küçük bir çekirdekte yoğunlaşmıştır. Elektronlar çekirdeğin etrafında inanılmaz hızlarda hareket eder, ancak atomların hacminin çoğu boş alandır.

Çekirdeğin boyutu o kadar küçüktür ki çapı atomunkinden 100.000 kat daha küçüktür. Çekirdeğin çapı Rutherford tarafından 10-13 cm, atomun büyüklüğünün aksine - 10-8 cm olarak tahmin edilmiştir. Çekirdeğin dışında, elektronlar onun etrafında yüksek hızlarda dönerek elektrostatik dengeyi sağlayan merkezkaç kuvvetlerine neden olur. Protonlar ve elektronlar arasındaki çekim kuvvetleri.

Rutherford'un deneyleri

Atomun gezegen modeli, 1911'de, yapısı hakkında bazı temel bilgilerin elde edilmesini mümkün kılan ünlü altın folyo deneyinden sonra ortaya çıktı. Rutherford'un atom çekirdeğini keşfetmeye giden yolu, bilimde yaratıcılığın rolünün güzel bir örneğidir. Araştırması 1899'da bazı elementlerin her şeye nüfuz edebilen pozitif yüklü parçacıklar yaydığını keşfetmesiyle başladı. Bu parçacıklara alfa (α) parçacıkları adını verdi (artık bunların helyum çekirdeği olduğunu biliyoruz). Tüm iyi bilim insanları gibi Rutherford da meraklıydı. Alfa parçacıklarının bir atomun yapısını öğrenmek için kullanılıp kullanılamayacağını merak etti. Rutherford, çok ince bir altın folyo tabakasına bir alfa parçacıkları ışınını hedeflemeye karar verdi. Altını seçti çünkü 0,00004 cm kadar ince tabakalar halinde yapılabiliyordu ve bir altın folyo tabakasının arkasına, alfa parçacıkları çarptığında parlayan bir ekran yerleştirdi. Alfa parçacıklarını folyodan geçtikten sonra tespit etmek için kullanıldı. Ekrandaki küçük bir yarık, alfa parçacık ışınının kaynaktan ayrıldıktan sonra folyoya ulaşmasını sağladı. Bir kısmı folyodan geçip aynı yönde hareket etmeye devam etmeli, diğer kısmı ise folyodan sekerek keskin açılarla yansıtılmalıdır. Aşağıdaki şekilde deneysel tasarımı görebilirsiniz.

Rutherford'un deneyinde ne oldu?

J. J. Thomson'un atom modeline dayanarak Rutherford, altın atomlarının tüm hacmini dolduran sürekli pozitif yük bölgelerinin, folyodan geçerken tüm alfa parçacıklarının yörüngelerini saptıracağını veya bükeceğini varsaydı.

Bununla birlikte, alfa parçacıklarının büyük çoğunluğu sanki orada yokmuş gibi doğrudan altın folyonun içinden geçti. Sanki boş bir alandan geçiyorlardı. Başlangıçta beklendiği gibi çok az bir kısmı doğru yoldan sapar. Aşağıda karşılık gelen yönde saçılan parçacıkların sayısına karşı saçılma açısının grafiği verilmiştir.

Şaşırtıcı bir şekilde, parçacıkların çok küçük bir yüzdesi, bir basketbol topunun arkalıktan sekeni gibi, folyodan geri sıçradı. Rutherford, bu sapmaların alfa parçacıkları ile atomun pozitif yüklü bileşenleri arasındaki doğrudan çarpışmaların sonucu olduğunu fark etti.

Çekirdek ön plana çıkıyor

Folyodan yansıyan alfa parçacıklarının küçük yüzdesine dayanarak, atomun tüm pozitif yükünün ve neredeyse tüm kütlesinin küçük bir alanda yoğunlaştığı ve atomun geri kalanının çoğunlukla boş alan olduğu sonucuna varabiliriz. Rutherford, yoğunlaştırılmış pozitif yükün alanını çekirdek olarak adlandırdı. Proton adını verdiği pozitif yüklü parçacıklar içerdiğini tahmin etti ve çok geçmeden keşfetti. Rutherford, nötron adı verilen nötr atom parçacıklarının varlığını öngördü ancak bunları tespit edemedi. Ancak öğrencisi James Chadwick onları birkaç yıl sonra keşfetti. Aşağıdaki şekil bir uranyum atomunun çekirdeğinin yapısını göstermektedir.

Atomlar, etraflarında dönen negatif yüklü aşırı hafif elektron parçacıklarıyla çevrelenmiş pozitif yüklü ağır çekirdeklerden oluşur ve öyle hızlardadır ki, mekanik merkezkaç kuvvetleri çekirdeğe olan elektrostatik çekimlerini basitçe dengeler ve bu bakımdan sözde atomun kararlılığı sağlanır. .

Bu modelin dezavantajları

Rutherford'un ana fikri küçük atom çekirdeği fikriyle ilgiliydi. Elektron yörüngeleri hakkındaki varsayım saf bir hipotezdi. Elektronların çekirdeğin etrafında tam olarak nerede ve nasıl döndüğünü bilmiyordu. Bu nedenle Rutherford'un gezegen modeli elektronların yörüngelerdeki dağılımını açıklamamaktadır.

Ayrıca Rutherford atomunun kararlılığı ancak elektronların kinetik enerji kaybı olmadan yörüngelerde sürekli hareket etmesiyle mümkündü. Ancak elektrodinamik hesaplamalar, elektronların herhangi bir eğrisel yörünge boyunca hareketine, hız vektörünün yönündeki bir değişiklik ve buna karşılık gelen bir ivmenin ortaya çıkışının eşlik ettiği, kaçınılmaz olarak elektromanyetik enerjinin emisyonunun eşlik ettiğini göstermiştir. Bu durumda enerjinin korunumu yasasına göre elektronun kinetik enerjisinin çok hızlı bir şekilde radyasyona harcanması ve aşağıdaki şekilde şematik olarak gösterildiği gibi çekirdeğe düşmesi gerekir.

Ancak atomlar kararlı oluşumlar olduğundan bu gerçekleşmez. Olayın modeli ile deneysel veriler arasında bilime özgü bir çelişki ortaya çıktı.

Rutherford'dan Niels Bohr'a

Bir sonraki büyük adım atom tarihi 1913'te Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr'un atomun daha ayrıntılı bir modelinin tanımını yayınlamasıyla meydana geldi. Elektronların bulunabileceği yerleri daha net tanımladı. Her ne kadar bilim adamları daha sonra daha karmaşık atom tasarımları geliştirecek olsalar da, Bohr'un atoma ilişkin gezegensel modeli temelde doğruydu ve büyük bir kısmı bugün hâlâ kabul ediliyor. Pek çok faydalı uygulaması vardı; örneğin çeşitli maddelerin özelliklerini açıklamak için kullanılıyordu. kimyasal elementler, radyasyon spektrumunun doğası ve atomun yapısı. Gezegen modeli ve Bohr modeli, fizikte yeni bir yönün, mikro dünyanın fiziğinin ortaya çıkışına işaret eden en önemli kilometre taşlarıydı. Bohr, atomun yapısını anlamamıza yaptığı katkılardan dolayı 1922 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Bohr atom modeline ne gibi yenilikler getirdi?

Bohr henüz genç bir adamken İngiltere'de Rutherford'un laboratuvarında çalıştı. Rutherford'un modelinde elektron kavramı yeterince gelişmediğinden Bohr onlara odaklandı. Sonuç olarak, atomun gezegen modeli önemli ölçüde iyileştirildi. Bohr'un 1913'te yayınlanan "Atom ve Moleküllerin Yapısı Üzerine" adlı makalesinde formüle ettiği önermeleri şöyle diyor:

1. Elektronlar çekirdeğin etrafında yalnızca sahip oldukları enerji miktarına göre belirlenen sabit mesafelerde hareket edebilirler. Bu sabit seviyelere enerji seviyeleri veya elektron kabukları adını verdi. Bohr onları her birinin merkezinde bir çekirdek bulunan eşmerkezli küreler olarak hayal etti. Bu durumda daha düşük enerjili elektronlar daha fazla yerde bulunacaktır. alt seviyeler, çekirdeğe daha yakın. Bunlardan sahip olanlar daha fazla enerji, daha fazlasında bulunacaktır yüksek seviyeler, çekirdekten daha uzakta.

2. Eğer bir elektron belirli (belirli bir seviye için oldukça kesin) miktarda enerji soğurursa, bir sonraki daha yüksek enerji seviyesine atlayacaktır. Tersine, eğer aynı miktarda enerji kaybederse orijinal seviyesine geri döner. Ancak bir elektron iki enerji seviyesinde bulunamaz.

Bu fikir bir çizimle gösterilmiştir.

Elektronların enerji kısımları

Bohr'un atom modeli aslında iki farklı fikrin birleşimidir: Rutherford'un elektronların bir çekirdeğin etrafında döndüğü atom modeli (esasen atomun Bohr-Rutherford gezegen modeli) ve Alman bilim adamı Max Planck'ın maddenin enerjisini niceleme fikri, 1901'de yayınlandı. Kuantum (çoğul: quanta), bir madde tarafından emilebilen veya yayılabilen minimum enerji miktarıdır. Bu, enerji miktarının ayrıklaştırılmasına yönelik bir tür adımdır.

Enerjiyi suyla karşılaştırırsak ve onu bardak şeklindeki maddeye eklemek istiyorsanız, suyu sürekli bir akışa öylece dökemezsiniz. Bunun yerine bir çay kaşığı gibi küçük miktarlarda ekleyebilirsiniz. Bohr, eğer elektronlar yalnızca sabit miktarda enerji emebiliyor veya kaybedebiliyorsa, enerjilerini yalnızca bu sabit miktarlarda değiştirmeleri gerektiğine inanıyordu. Bu nedenle, çekirdek çevresinde yalnızca enerjilerinin nicemlenmiş artışlarına karşılık gelen sabit enerji seviyelerini işgal edebilirler.

Böylece Bohr'un modelinden atomun yapısının ne olduğunu açıklamaya yönelik bir kuantum yaklaşımı ortaya çıkıyor. Gezegensel model ve Bohr modeli, klasik fizikten, atom fiziği de dahil olmak üzere mikro dünya fiziğinin ana aracı olan kuantum fiziğine giden eşsiz adımlardı.