Planetarny model atomu: doświadczenie Rutherforda

Planetarny model atomu zaproponował E. Rutherford w 1910 roku. Pierwsze badania struktury atomu zostały wykonane przy pomocy cząstek alfa. Na podstawie wyników uzyskanych w doświadczeniach dotyczących ich rozproszenia Rutherford zasugerował, że cały dodatni ładunek atomu jest skoncentrowany w maleńkim jądrze w jego centrum. Z drugiej strony, ujemnie naładowane elektrony są dystrybuowane w pozostałej części swojej objętości.

Trochę tła

Pierwsze genialne przypuszczenia na temat istnienia atomów zostały wykonane przez starożytnego greckiego naukowca Demokryt. Od tego czasu idea istnienia atomów, których kombinacje dają wszystkie substancje wokół nas, nie pozostawiła wyobraźni ludzi nauki. Od czasu do czasu zwracali się do niego różni przedstawiciele, ale aż do początków XIX wieku ich konstrukcje były jedynie hipotezami nie popartymi danymi eksperymentalnymi.

W końcu, w 1804 roku, ponad sto lat przed pojawieniem się planetarnego modelu atomu, angielski naukowiec John Dalton przedstawił dowody na jego istnienie i wprowadził pojęcie masy atomowej, które było jego pierwszą cechą ilościową. Podobnie jak jego poprzednicy, reprezentował on atomy w najmniejszych częściach materii, jak stałe kule, których nie można podzielić na jeszcze mniejsze cząstki.

Odkrycie elektronu i pierwszy model atomu

Minęło prawie sto lat, gdy wreszcie pod koniec XIX wieku Anglik JJ Thomson odkrył pierwszą cząstkę subatomową, ujemnie naładowany elektron. Ponieważ atomy są neutralne elektrycznie, Thomson uważał, że powinny one składać się z dodatnio naładowanego jądra z elektronami rozproszonymi w jego objętości. Opierając się na różnych doświadczalnie uzyskanych wynikach, w 1898 roku zaproponował swój własny model atomu, czasami nazywany "śliwkami w budyniu", ponieważ atom w nim był reprezentowany jako kula wypełniona pewnym dodatnio naładowanym płynem, w którym elektrony były osadzone jako "śliwki" w budyniu. " Promień takiego sferycznego modelu wynosił około ^10-8 cm, całkowity dodatni ładunek cieczy jest symetrycznie i równomiernie zrównoważony przez ładunki elektronów, jak pokazano na poniższym obrazku.

Model ten zadowalająco wyjaśnił fakt, że gdy substancja jest podgrzewana, zaczyna emitować światło. Chociaż była to pierwsza próba zrozumienia, czym jest atom, nie mogła ona zaspokoić wyników eksperymentów przeprowadzonych później przez Rutherforda i innych. Thomson w 1911 roku zgodził się, że jego model po prostu nie może odpowiedzieć na pytanie, dlaczego i dlaczego obserwowane jest rozpraszanie promieni rentgenowskich w eksperymentach. Dlatego został porzucony i zastąpił go doskonalszy planetarny model atomu.

Jak atom jest taki sam?

Ernest Rutherford wyjaśnił zjawisko radioaktywności, które przyniosło mu Nagrodę Nobla, ale jego najbardziej znaczący wkład w naukę powstał później, kiedy odkrył, że atom składa się z gęstego jądra otoczonego orbitami elektronowymi, tak jak Słońce otoczone jest przez orbity planet.

Zgodnie z planetarnym modelem atomu, większość jego masy skupia się w maleńkim (w porównaniu z rozmiarem całego atomu) jądrem. Elektrony poruszają się wokół jądra, podróżując z niewiarygodną prędkością, ale większość objętości atomów jest pustą przestrzenią.

Rozmiar jądra jest tak mały, że jego średnica jest 100 000 razy mniejsza niż atomu. Rutherford oszacował średnicę jądra jako 10 ^-13 cm, w przeciwieństwie do rozmiaru atomu - 10-8 cm, poza jądrem elektrony krążą wokół niego z dużą prędkością, co skutkuje siłami odśrodkowymi, które równoważą siły elektrostatyczne przyciągania między protonami i elektronami.

Doświadczenia Rutherforda

Planetarny model atomu powstał w 1911 roku, po słynnym eksperymencie ze złotą folią, co pozwoliło nam uzyskać pewne podstawowe informacje o jego strukturze. Droga Rutherforda do odkrycia jądra atomowego jest dobrym przykładem roli kreatywności w nauce. Jego poszukiwania rozpoczęły się w 1899 roku, gdy odkrył, że niektóre pierwiastki emitują dodatnio naładowane cząstki, które mogą przeniknąć cokolwiek. Nazwał te cząstki cząstkami alfa (α) (teraz wiemy, że były to jądra helu). Jak wszyscy dobrzy naukowcy, Rutherford był ciekawy. Zastanawiał się, czy cząsteczki alfa mogłyby zostać użyte do odkrycia struktury atomu. Rutherford postanowił skierować wiązkę cząstek alfa na arkusz bardzo cienkiej złotej folii. Wybrał złoto, ponieważ można go wykorzystać do produkcji arkuszy o grubości zaledwie 0,00004 cm. Na arkusz złotej folii położył ekran, który świecił, gdy uderzyły go cząstki alfa. Był używany do wykrywania cząstek alfa po przejściu przez folię. Mała szczelina w ekranie pozwalała belce cząstek alfa dotrzeć do folii po wyjściu ze źródła. Niektóre z nich powinny przejść przez folię i nadal poruszać się w tym samym kierunku, druga część powinna odbijać się od folii i odbijać ją pod ostrymi kątami. Schemat eksperymentu można zobaczyć na poniższym rysunku.

Co stało się z doświadczeniem Rutherforda?

Opierając się na modelu atomu JJ Thomsona, Rutherford zasugerował, że obszary stałego ładunku dodatniego wypełniające całą objętość atomów złota będą odchylać lub zginać trajektorie wszystkich cząstek alfa podczas ich przechodzenia przez folię.

Jednak ogromna większość cząstek alfa przechodziła przez złotą folię, jakby nie istniała. Zdawali się przechodzić przez pustą przestrzeń. Tylko kilka z nich odchodzi od prostej ścieżki, jak to było na początku. Poniżej znajduje się wykres liczby cząstek rozproszonych w odpowiednim kierunku na kąt rozproszenia.

Niespodziewanie, niewielki procent cząstek powrócił z folii, gdy koszykówka odbił się od tarczy. Rutherford zdał sobie sprawę, że te odchylenia są wynikiem bezpośredniego zderzenia cząstek alfa i dodatnio naładowanych składników atomu.

Rdzeń jest centralny

Na podstawie niewielkiego procentu cząstek alfa odbitych od folii można wywnioskować, że cały ładunek dodatni i prawie cała masa atomu są skoncentrowane na jednym małym obszarze, a reszta atomu to w większości pusta przestrzeń. Rutherford nazwał obszar skoncentrowanego ładunku dodatniego rdzenia. Przepowiedział i wkrótce odkrył, że zawiera dodatnio naładowane cząstki, które nazwał protonami. Rutherford przewidział istnienie neutralnych cząstek atomowych zwanych neutronami, ale nie mógł ich wykryć. Niemniej jednak jego uczeń James Chadwick odkrył je kilka lat później. Poniższy rysunek pokazuje strukturę jądra atomu uranu.

Atomy składają się z dodatnio naładowanych ciężkich jąder, otoczonych przez ujemnie naładowane, niezwykle lekkie cząstki elektronów obracające się wokół nich, i przy takich prędkościach, że mechaniczne siły odśrodkowe po prostu równoważą ich przyciąganie elektrostatyczne do jądra, i w związku z tym zapewniona jest stabilność atomu.

Wady tego modelu

Główna idea Rutherforda należała do idei małego atomowego jądra. Założenie orbit elektronów było czystą hipotezą. Nie wiedział dokładnie, gdzie i w jaki sposób elektrony krążą wokół jądra. Dlatego planetarny model Rutherforda nie wyjaśnia rozkładu elektronów na orbitach.

Główna idea Rutherforda należała do idei małego atomowego jądra. Założenie orbit elektronów było czystą hipotezą. Nie wiedział dokładnie, gdzie i w jaki sposób elektrony krążą wokół jądra. Dlatego planetarny model Rutherforda nie wyjaśnia rozkładu elektronów na orbitach.

Ponadto stabilność atomu Rutherforda była możliwa tylko przy ciągłym ruchu elektronów na orbitach bez utraty energii kinetycznej. Ale obliczenia elektrodynamiczne wykazały, że ruch elektronów wzdłuż dowolnych trajektorii krzywoliniowych, któremu towarzyszy zmiana kierunku wektora prędkości i pojawienie się odpowiedniego przyspieszenia, nieuchronnie towarzyszy emisji energii elektromagnetycznej. W tym samym czasie, zgodnie z prawem ochrony energia, energia kinetyczna Elektron musi być bardzo szybko zużyty na promieniowanie i musi spaść na jądro, jak schematycznie pokazano na poniższym rysunku. Ale tak się nie dzieje, ponieważ atomy są stabilnymi formacjami. Typowa dla nauki sprzeczność powstała między modelem zjawiska a danymi eksperymentalnymi.

Z Rutherford do Niels Bohr

Kolejny duży krok naprzód w historii atomów nastąpił w 1913 roku, kiedy duński naukowiec Niels Bohr opublikował opis bardziej szczegółowego modelu atomu. Bardziej precyzyjnie określiła miejsca, w których można zlokalizować elektrony. Chociaż później naukowcy opracują bardziej wyrafinowane struktury atomowe, ale model planetarny atomu Bohra był w zasadzie poprawny, a większość z nich jest nadal akceptowana. Miał wiele użytecznych zastosowań, na przykład, z jego pomocą wyjaśnił właściwości różnych pierwiastków chemicznych, charakter ich spektrum promieniowania i struktura atomu. Model planetarny i model Bohra były najważniejszymi kamieniami milowymi, oznaczającymi pojawienie się nowego kierunku w fizyce - fizyki mikroświata. Bohr otrzymał Nagrodę Nobla z 1922 roku w dziedzinie fizyki za swój wkład w zrozumienie budowy atomu.

Co nowy Bohr wprowadził do modelu atomowego?

Będąc jeszcze młodym mężczyzną, Bohr pracował w laboratorium Rutherford w Anglii. Ponieważ pojęcie elektronów było słabo rozwinięte w modelu Rutherford, Bohr skupił się na nich. W rezultacie planetarny model atomu został znacznie udoskonalony. Bohr postuluje, który sformułował w swoim artykule "O strukturze atomów i molekuł", opublikowanym w 1913 r., stwierdza:

1. Elektrony mogą przemieszczać się wokół jądra tylko w ustalonych odległościach, zależnie od ilości energii, jaką mają. Nazwał te ustalone poziomy energii lub powłoki elektronowe. Bohr reprezentował je w postaci koncentrycznych sfer, z rdzeniem pośrodku każdego z nich. W tym przypadku elektrony o niższej energii zostaną znalezione na niższych poziomach, bliżej jądra. Ci z nich, którzy mają więcej energii, zostaną znalezieni na wyższych poziomach, dalej od rdzenia.

2. Jeśli jakiś elektron pochłonie trochę (całkiem specyficznej dla danego poziomu) ilości energii, wówczas przeskoczy do następnego, wyższego poziomu energii. I odwrotnie, jeśli straci taką samą ilość energii, wróci do pierwotnego poziomu. Jednak elektron nie może istnieć na dwóch poziomach energii.

Ten pomysł jest zilustrowany obrazem.

Porcje energii dla elektronów

Model atomu Bohra jest w rzeczywistości kombinacją dwóch różnych idei: modelu atomowego Rutherforda z elektronami obracającymi się wokół jądra (w rzeczywistości jest to model planetarny atomu Bohra-Rutherforda) oraz ideą niemieckiego naukowca Maxa Plancka o kwantowaniu energii materii, opublikowanej w 1901 roku. Kwant (w liczbie mnogiej, kwanty) to minimalna ilość energii, którą może pochłonąć lub promieniować substancja. Jest to rodzaj kroku pobierania próbek energii.

Jeśli porównujesz energię z wodą i chcesz ją dodać do materii w postaci szkła, nie możesz po prostu wlewać wody w ciągłym strumieniu. Zamiast tego możesz dodać go w małych ilościach, na przykład łyżeczkę do herbaty. Bohr wierzył, że jeśli elektrony mogą wchłonąć lub utracić tylko ustalone ilości energii, to powinny zmieniać swoją energię tylko o te ustalone wielkości. W związku z tym mogą one zajmować tylko stałe poziomy energii wokół jądra, które odpowiadają skwantyzowanym przyrostom ich energii.

Tak więc kwantowe podejście do wyjaśnienia, co stanowi strukturę atomową, wyłania się z modelu Bohra. Model planetarny i model Bohra były szczególnymi krokami od fizyki klasycznej do fizyki kwantowej, która jest głównym narzędziem w fizyce mikroświata, w tym fizyki atomowej.