Die Masse von Elektronen ist mehrere tausend Mal geringer als die Masse von Atomen. Da das Atom als Ganzes neutral ist, fällt daher die Masse des Atoms auf seinen positiv geladenen Teil.

Für eine experimentelle Untersuchung der Verteilung einer positiven Ladung und damit der Masse innerhalb des Atoms schlug Rutherford 1906 vor, die Sondierung des Atoms mit anzuwenden α -Partikel. Diese Partikel entstehen beim Zerfall von Radium und einigen anderen Elementen. Ihre Masse beträgt etwa das 8000-fache der Masse des Elektrons, und die positive Ladung entspricht im Modul der doppelten Ladung des Elektrons. Das sind nichts als vollständig ionisierte Heliumatome. Geschwindigkeit α -Partikel ist sehr groß: Es ist 1/15 der Lichtgeschwindigkeit.

Mit diesen Teilchen beschoss Rutherford die Atome schwerer Elemente. Elektronen können aufgrund ihrer geringen Masse die Flugbahn nicht merklich ändern α -Partikel, wie ein Kieselstein von mehreren zehn Gramm bei einer Kollision mit einem Auto, können seine Geschwindigkeit nicht merklich ändern. Streuung (Wechsel der Bewegungsrichtung) α -Teilchen können nur den positiv geladenen Teil des Atoms verursachen. Also durch Streuung α -Teilchen können die Art der Verteilung positiver Ladung und Masse innerhalb des Atoms bestimmen.

Ein radioaktives Präparat wie Radium wurde in den Bleizylinder 1 eingebracht, entlang dem ein schmaler Kanal gebohrt wurde. bündeln α - Partikel aus dem Kanal fielen auf die dünne Folie 2 des zu untersuchenden Materials (Gold, Kupfer usw.). Nach dem Streuen α -Partikel fielen auf ein durchscheinendes Sieb 3, das mit Zinksulfid beschichtet war. Die Kollision jedes Partikels mit dem Sieb wurde von einem Lichtblitz (Szintillation) begleitet, der in einem Mikroskop 4 beobachtet werden konnte. Die gesamte Vorrichtung wurde in ein Gefäß gegeben, aus dem die Luft evakuiert wurde.

Bei einem guten Vakuum im Inneren des Geräts erschien ohne Folie ein heller Kreis auf dem Bildschirm, der aus Szintillationen bestand, die von einem dünnen Strahl verursacht wurden α -Partikel. Aber wenn Folie in den Strahlengang gelegt wurde, α -Partikel aufgrund von Streuung wurden auf dem Schirm in einem Kreis einer größeren Fläche verteilt. Rutherford modifizierte den Versuchsaufbau und versuchte, die Abweichung zu erkennen α -Partikel in großen Winkeln. Ganz unerwartet stellte sich heraus, dass eine kleine Anzahl α -Partikel (etwa einer von zweitausend) wichen um Winkel von mehr als 90° ab. Später gab Rutherford das zu, nachdem er seinen Studenten ein Experiment angeboten hatte, um die Streuung zu beobachten α -Partikel in großen Winkeln, glaubte er selbst nicht an ein positives Ergebnis. "Es ist fast so unglaublich", sagte Rutherford, "als ob Sie ein 15-Zoll-Projektil auf ein Stück dünnes Papier abgefeuert hätten und das Projektil zu Ihnen zurückgekommen wäre und Sie getroffen hätte." Tatsächlich war es unmöglich, dieses Ergebnis auf der Grundlage des Thomson-Modells vorherzusagen. Wenn sie über das Atom verteilt ist, kann eine positive Ladung kein ausreichend starkes elektrisches Feld erzeugen, das in der Lage wäre, das a-Teilchen zurückzuwerfen. Die maximale Abstoßungskraft wird durch das Coulombsche Gesetz bestimmt:

wo q α - Ladung α -Partikel; q ist die positive Ladung des Atoms; r ist sein Radius; k - Proportionalitätskoeffizient. Die elektrische Feldstärke einer gleichförmig geladenen Kugel ist an der Oberfläche der Kugel maximal und nimmt bei Annäherung an das Zentrum auf Null ab. Je kleiner also der Radius r ist, desto größer ist die Abstoßungskraft α -Partikel.

Bestimmung der Größe des Atomkerns. Rutherford war sich dessen bewusst α -Teilchen könnte nur zurückgeworfen werden, wenn die positive Ladung des Atoms und seine Masse auf einen sehr kleinen Raumbereich konzentriert werden. So kam Rutherford auf die Idee des Atomkerns - eines Körpers von geringer Größe, in dem fast die gesamte Masse und die gesamte positive Ladung des Atoms konzentriert sind.

Planetenmodell des Atoms, oder Rutherford-Modell, - das historische Modell der Atomstruktur, das von Ernest Rutherford als Ergebnis eines Experiments mit der Streuung von Alpha-Teilchen vorgeschlagen wurde. Nach diesem Modell besteht das Atom aus einem kleinen positiv geladenen Kern, in dem fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert ist, um den sich die Elektronen bewegen, so wie sich die Planeten um die Sonne bewegen. Das Planetenmodell des Atoms entspricht modernen Vorstellungen über den Aufbau des Atoms, wobei berücksichtigt wird, dass die Bewegung von Elektronen quantenhafter Natur ist und nicht durch die Gesetze der klassischen Mechanik beschrieben wird. Historisch gesehen ersetzte das Planetenmodell von Rutherford das "Plum Pudding Model" von Joseph John Thomson, das postuliert, dass negativ geladene Elektronen in einem positiv geladenen Atom platziert werden.

Die ersten Informationen über den Komplex die Struktur des Atoms wurden bei der Untersuchung der Prozesse des Durchgangs von elektrischem Strom durch Flüssigkeiten erhalten. In den dreißiger Jahren des 19. Jahrhunderts. Die Experimente des herausragenden Physikers M. Faraday legten nahe, dass Elektrizität in Form von separaten Einheitsladungen existiert.

Die Entdeckung des spontanen Zerfalls von Atomen einiger Elemente, Radioaktivität genannt, war ein direkter Beweis für die Komplexität der Struktur des Atoms. 1902 bewiesen die englischen Wissenschaftler Ernest Rutherford und Frederick Soddy, dass sich ein Uranatom während des radioaktiven Zerfalls in zwei Atome verwandelt - ein Thoriumatom und ein Heliumatom. Dies bedeutete, dass Atome keine unveränderlichen, unzerstörbaren Teilchen sind.

Rutherford-Modell des Atoms

Bei der Untersuchung des Durchgangs eines schmalen Strahls von Alpha-Teilchen durch dünne Materieschichten fand Rutherford heraus, dass die meisten Alpha-Teilchen eine Metallfolie passieren, die aus vielen Tausend Atomschichten besteht, ohne von der ursprünglichen Richtung abzuweichen, ohne Streuung zu erfahren, als ob es eine gäbe keine Hindernisse auf ihrem Weg, keine Hindernisse. Einige Partikel wurden jedoch in großen Winkeln abgelenkt, nachdem sie der Einwirkung großer Kräfte ausgesetzt waren.

Basierend auf den Ergebnissen von Experimenten zur Beobachtung der Streuung von Alpha-Teilchen in Materie Rutherford schlug ein planetarisches Modell der Struktur des Atoms vor. Nach diesem Modell Die Struktur des Atoms ähnelt der Struktur des Sonnensystems. Im Zentrum jedes Atoms ist positiv geladener Kern mit einem Radius von ≈ 10 -10 m kreisen sie wie Planeten um negativ geladene Elektronen. Fast die gesamte Masse ist im Atomkern konzentriert. Alpha-Teilchen können Tausende von Atomschichten ohne Streuung passieren, da der größte Teil des Raums innerhalb von Atomen leer ist und Kollisionen mit leichten Elektronen fast keinen Einfluss auf die Bewegung eines schweren Alpha-Teilchens haben. Streuung von Alpha-Teilchen tritt bei Kollisionen mit Atomkernen auf.

Rutherfords Atommodell konnte nicht alle Eigenschaften von Atomen erklären.

Nach den Gesetzen der klassischen Physik muss ein Atom, das aus einem positiv geladenen Kern und Elektronen auf Kreisbahnen besteht, elektromagnetische Wellen aussenden. Die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen sollte zu einer Abnahme der potentiellen Energie im Kern-Elektron-System, zu einer allmählichen Abnahme des Radius der Elektronenbahn und zum Fall des Elektrons auf den Kern führen. Atome senden jedoch normalerweise keine elektromagnetischen Wellen aus, Elektronen fallen nicht auf Atomkerne, dh Atome sind stabil.

Quantenpostulate von N. Bohr

Die Stabilität von Atomen erklären Nils Bohr schlug vor, die üblichen klassischen Ideen und Gesetze bei der Erklärung der Eigenschaften von Atomen aufzugeben.

Die grundlegenden Eigenschaften von Atomen erhalten durch die Übernahme eine konsistente qualitative Erklärung Quantenpostulate von N. Bohr.

1. Das Elektron umkreist den Kern nur auf fest definierten (stationären) Kreisbahnen.

2. Ein Atomsystem kann sich nur in bestimmten stationären oder Quantenzuständen befinden, die jeweils einer bestimmten Energie E entsprechen. Ein Atom strahlt in stationären Zuständen keine Energie ab.

Stationärer Zustand des Atoms mit der minimalen Menge an Energie heißt Hauptstaat, alle anderen Zustände werden aufgerufen angeregte (Quanten-)Zustände. Im Grundzustand kann ein Atom unendlich lang sein, die Lebensdauer eines Atoms im angeregten Zustand beträgt 10 -9 -10 -7 Sekunden.

3. Strahlung oder Absorption von Energie tritt nur auf, wenn ein Atom von einem stationären Zustand in einen anderen übergeht. Die Energie eines elektromagnetischen Strahlungsquants beim Übergang aus einem stationären Zustand mit Energie E m in einen Energiezustand E n ist gleich der Differenz zwischen den Energien eines Atoms in zwei Quantenzuständen:

∆E = E m – E n = hv,

wo v ist die Strahlungsfrequenz, h\u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10 -34 J ∙ s.

Quantenmodell der Struktur des Atoms

In der Zukunft wurden einige Bestimmungen von N. Bohrs Theorie ergänzt und überdacht. Die bedeutendste Änderung war die Einführung des Konzepts einer Elektronenwolke, die das Konzept eines Elektrons nur als Teilchen ersetzte. Später wurde Bohrs Theorie durch die Quantentheorie ersetzt, die die Welleneigenschaften des Elektrons und anderer Elementarteilchen berücksichtigt, die das Atom bilden.

Basis Moderne Theorie der Struktur des Atoms ist ein Planetenmodell, ergänzt und verbessert. Nach dieser Theorie besteht der Kern eines Atoms aus Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neuronen (ungeladene Teilchen). Und um den Kern herum bewegen sich Elektronen (negativ geladene Teilchen) auf unbestimmten Bahnen.

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1903 schlug der englische Wissenschaftler Thomson ein Atommodell vor, das scherzhaft "Brötchen mit Rosinen" genannt wurde. Ihm zufolge ist ein Atom eine Kugel mit einer einheitlichen positiven Ladung, in der negativ geladene Elektronen wie Rosinen eingestreut sind.

Weitere Untersuchungen des Atoms zeigten jedoch, dass diese Theorie nicht haltbar ist. Und ein paar Jahre später führte ein anderer englischer Physiker, Rutherford, eine Reihe von Experimenten durch. Basierend auf den Ergebnissen baute er eine Hypothese über die Struktur des Atoms auf, die bis heute weltweit anerkannt ist.

Rutherfords Erfahrung: der Vorschlag seines Atommodells

In seinen Experimenten schickte Rutherford einen Strahl von Alpha-Teilchen durch dünne Goldfolie. Gold wurde aufgrund seiner Plastizität ausgewählt, die es ermöglichte, eine sehr dünne Folie herzustellen, die fast eine Schicht Moleküle dick war. Hinter der Folie befand sich ein spezieller Bildschirm, der beleuchtet wurde, wenn er von darauf fallenden Alpha-Partikeln bombardiert wurde. Nach Thomsons Theorie hätten Alpha-Teilchen die Folie ungehindert passieren müssen und ziemlich stark zu den Seiten hin abgelenkt. Es stellte sich jedoch heraus, dass sich einige der Partikel so verhielten und ein sehr kleiner Teil zurückprallte, als würde man etwas schlagen.

Das heißt, es wurde festgestellt, dass sich im Inneren des Atoms etwas Festes und Kleines befindet, von dem Alpha-Teilchen abprallten. Damals schlug Rutherford ein planetarisches Modell der Struktur des Atoms vor. Rutherfords Planetenmodell des Atoms erklärte die Ergebnisse sowohl seiner Experimente als auch die seiner Kollegen. Bis heute wurde kein besseres Modell vorgeschlagen, obwohl einige Aspekte dieser Theorie in einigen sehr engen Bereichen der Wissenschaft immer noch nicht mit der Praxis übereinstimmen. Aber im Grunde ist das Planetenmodell des Atoms das nützlichste von allen. Was ist dieses Modell?

Planetenmodell der Struktur des Atoms

Wie der Name schon sagt, wird ein Atom mit einem Planeten verglichen. In diesem Fall ist der Planet der Kern eines Atoms. Und Elektronen kreisen in ziemlich großer Entfernung um den Kern, genau wie Satelliten um den Planeten kreisen. Allein die Rotationsgeschwindigkeit von Elektronen ist hunderttausendmal größer als die Rotationsgeschwindigkeit des schnellsten Satelliten. Daher erzeugt das Elektron während seiner Rotation sozusagen eine Wolke über der Oberfläche des Kerns. Und die vorhandenen Ladungen von Elektronen stoßen dieselben Ladungen ab, die von anderen Elektronen um andere Kerne herum gebildet werden. Daher „kleben“ die Atome nicht „aneinander“, sondern befinden sich in einem gewissen Abstand zueinander.

Und wenn wir von der Kollision von Teilchen sprechen, meinen wir, dass sie sich in ausreichend großem Abstand nähern und von den Feldern ihrer Ladungen abgestoßen werden. Es gibt keinen direkten Kontakt. Teilchen in Materie sind im Allgemeinen sehr weit voneinander entfernt. Wenn es irgendwie möglich wäre, die Teilchen irgendeines Körpers zusammen zu implodieren, würde er milliardenfach reduziert werden. Die Erde würde kleiner als ein Apfel. Das Hauptvolumen jeder Substanz, so seltsam es klingen mag, wird also von einem Hohlraum eingenommen, in dem sich geladene Teilchen befinden, die durch elektronische Wechselwirkungskräfte auf Distanz gehalten werden.

Sie wurden zu einem wichtigen Schritt in der Entwicklung der Physik. Rutherfords Modell war von großer Bedeutung. Das Atom als System und die Teilchen, aus denen es besteht, wurden genauer und detaillierter untersucht. Dies führte zur erfolgreichen Entwicklung einer Wissenschaft wie der Kernphysik.

Antike Vorstellungen über den Aufbau der Materie

Die Annahme, dass die umgebenden Körper aus kleinsten Teilchen bestehen, wurde schon in der Antike gemacht. Die damaligen Denker stellten das Atom als kleinstes und unteilbares Teilchen einer Substanz dar. Sie argumentierten, dass es im Universum nichts Kleineres als ein Atom gibt. Solche Ansichten wurden von den großen antiken griechischen Wissenschaftlern und Philosophen vertreten - Demokrit, Lucretius, Epicurus. Die Hypothesen dieser Denker werden heute unter dem Namen „Antike Atomismus“ zusammengefasst.

Mittelalterliche Aufführungen

Die Zeiten der Antike sind vorbei, und auch im Mittelalter gab es Wissenschaftler, die verschiedene Vermutungen über den Aufbau von Stoffen anstellten. Die Vorherrschaft religiös-philosophischer Ansichten und die Macht der Kirche in dieser Epoche der Geschichte erstickten jedoch alle Versuche und Bestrebungen des menschlichen Geistes nach materialistischen wissenschaftlichen Schlussfolgerungen und Entdeckungen im Keim. Wie Sie wissen, verhielt sich die mittelalterliche Inquisition gegenüber Vertretern der damaligen wissenschaftlichen Welt sehr unfreundlich. Bleibt noch zu sagen, dass die damaligen klugen Köpfe eine aus der Antike stammende Vorstellung von der Unteilbarkeit des Atoms hatten.

Forschung im 18. und 19. Jahrhundert

Das 18. Jahrhundert war geprägt von bedeutenden Entdeckungen auf dem Gebiet der elementaren Struktur der Materie. Vor allem dank der Bemühungen von Wissenschaftlern wie Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov und unabhängig voneinander konnten sie nachweisen, dass Atome wirklich existieren. Aber die Frage nach ihrer inneren Struktur blieb offen. Das Ende des 18. Jahrhunderts war von einem so bedeutenden Ereignis in der wissenschaftlichen Welt geprägt wie der Entdeckung des Periodensystems der chemischen Elemente durch D. I. Mendeleev. Dies war ein wahrhaft mächtiger Durchbruch jener Zeit und lüftete den Schleier über dem Verständnis, dass alle Atome eine einzige Natur haben, dass sie miteinander verwandt sind. Später, im 19. Jahrhundert, war ein weiterer wichtiger Schritt zur Aufklärung der Atomstruktur der Nachweis, dass jedes von ihnen ein Elektron enthält. Die Arbeit der Wissenschaftler dieser Zeit hat den Entdeckungen des 20. Jahrhunderts einen fruchtbaren Boden bereitet.

Thomson-Experimente

Der englische Physiker John Thomson bewies 1897, dass die Zusammensetzung von Atomen Elektronen mit negativer Ladung enthält. Zu diesem Zeitpunkt wurde die falsche Vorstellung, dass das Atom die Grenze der Teilbarkeit jeder Substanz ist, endgültig zerstört. Wie gelang es Thomson, die Existenz von Elektronen nachzuweisen? Bei seinen Experimenten platzierte der Wissenschaftler Elektroden in hochverdünnten Gasen und leitete elektrischen Strom. Das Ergebnis waren Kathodenstrahlen. Thomson untersuchte sorgfältig ihre Eigenschaften und stellte fest, dass es sich um einen Strom geladener Teilchen handelt, die sich mit großer Geschwindigkeit bewegen. Der Wissenschaftler konnte die Masse dieser Teilchen und ihre Ladung berechnen. Er fand auch heraus, dass sie nicht in neutrale Teilchen umgewandelt werden können, da die elektrische Ladung die Grundlage ihrer Natur ist. So waren Thomson und der Schöpfer des weltweit ersten Modells der Struktur des Atoms. Ihrer Meinung nach ist ein Atom ein Haufen positiv geladener Materie, in dem negativ geladene Elektronen gleichmäßig verteilt sind. Diese Struktur erklärt die allgemeine Neutralität von Atomen, da sich entgegengesetzte Ladungen ausgleichen. Die Experimente von John Thomson wurden für die weitere Untersuchung der Struktur des Atoms von unschätzbarem Wert. Viele Fragen blieben jedoch unbeantwortet.

Rutherfords Forschung

Thomson entdeckte die Existenz von Elektronen, fand aber keine positiv geladenen Teilchen im Atom. korrigierte dieses Missverständnis 1911. Bei Experimenten zur Untersuchung der Aktivität von Alpha-Teilchen in Gasen entdeckte er, dass es im Atom positiv geladene Teilchen gibt. Rutherford sah, dass beim Durchgang von Strahlen durch ein Gas oder durch eine dünne Metallplatte eine kleine Anzahl von Teilchen scharf von der Bewegungsbahn abweicht. Sie wurden buchstäblich zurückgeworfen. Der Wissenschaftler vermutete, dass dieses Verhalten auf eine Kollision mit positiv geladenen Teilchen zurückzuführen ist. Solche Experimente ermöglichten es dem Physiker, Rutherfords Modell der Struktur des Atoms zu erstellen.

planetarisches Modell

Nun waren die Vorstellungen des Wissenschaftlers etwas anders als die Annahmen von John Thomson. Auch ihre Atommodelle wurden anders. erlaubte ihm, eine völlig neue Theorie auf diesem Gebiet zu schaffen. Die Entdeckungen des Wissenschaftlers waren von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der Physik. Rutherfords Modell beschreibt ein Atom als einen Kern, der sich in der Mitte befindet, und Elektronen, die sich um ihn herum bewegen. Der Kern hat eine positive Ladung und die Elektronen haben eine negative Ladung. Rutherfords Atommodell ging von der Rotation von Elektronen um den Kern entlang bestimmter Bahnen - Umlaufbahnen - aus. Die Entdeckung des Wissenschaftlers half, den Grund für die Abweichung von Alpha-Teilchen zu erklären, und wurde zum Anstoß für die Entwicklung der Kerntheorie des Atoms. In Rutherfords Atommodell gibt es eine Analogie zur Bewegung der Planeten des Sonnensystems um die Sonne. Dies ist ein sehr genauer und anschaulicher Vergleich. Daher wurde das Rutherford-Modell, bei dem sich das Atom auf einer Umlaufbahn um den Kern bewegt, planetarisch genannt.

Werke von Niels Bohr

Zwei Jahre später versuchte der dänische Physiker Niels Bohr, Ideen über die Struktur des Atoms mit den Quanteneigenschaften des Lichtflusses zu kombinieren. Rutherfords Nuklearmodell des Atoms legte der Wissenschaftler als Grundlage seiner neuen Theorie. Nach Bohr kreisen Atome auf Kreisbahnen um den Atomkern. Eine solche Bewegungsbahn führt zur Beschleunigung von Elektronen. Darüber hinaus wird die Coulomb-Wechselwirkung dieser Teilchen mit dem Zentrum des Atoms von der Erzeugung und dem Verbrauch von Energie begleitet, um das räumliche elektromagnetische Feld aufrechtzuerhalten, das aus der Bewegung von Elektronen entsteht. Unter solchen Bedingungen müssen eines Tages negativ geladene Teilchen auf den Kern fallen. Dies geschieht jedoch nicht, was auf die größere Stabilität von Atomen als Systemen hinweist. Niels Bohr erkannte, dass die Gesetze der klassischen Thermodynamik, die durch Maxwells Gleichungen beschrieben werden, unter intraatomaren Bedingungen nicht funktionieren. Daher stellte sich der Wissenschaftler die Aufgabe, neue Muster abzuleiten, die in der Welt der Elementarteilchen Gültigkeit hätten.

Bohrs Postulate

Vor allem aufgrund der Tatsache, dass Rutherfords Modell existierte, das Atom und seine Bestandteile gut untersucht wurden, konnte Niels Bohr sich der Erstellung seiner Postulate nähern. Der erste von ihnen besagt, dass ein Atom hat, bei dem es seine Energie nicht ändert, während sich Elektronen in Umlaufbahnen bewegen, ohne ihre Flugbahn zu ändern. Gemäß dem zweiten Postulat wird Energie freigesetzt oder absorbiert, wenn sich ein Elektron von einer Umlaufbahn in eine andere bewegt. Sie ist gleich der Differenz zwischen den Energien der vorherigen und nachfolgenden Zustände des Atoms. Wenn das Elektron in diesem Fall auf eine näher am Kern liegende Umlaufbahn springt, tritt Strahlung auf und umgekehrt. Trotz der Tatsache, dass die Bewegung von Elektronen wenig Ähnlichkeit mit einer Bahnbahn hat, die sich strikt auf einem Kreis befindet, stellte Bohrs Entdeckung eine hervorragende Erklärung für die Existenz eines Linienspektrums dar. Etwa zur gleichen Zeit arbeiteten die in Deutschland lebenden Physiker Hertz und Frank , bestätigte die Theorie von Niels Bohr über die Existenz stationärer, stabiler Zustände des Atoms und die Möglichkeit, die Werte der Atomenergie zu ändern.

Zusammenarbeit zweier Wissenschaftler

Übrigens konnte Rutherford lange Zeit nicht feststellen, dass die Wissenschaftler Marsden und Geiger versuchten, die Aussagen von Ernest Rutherford zu überprüfen, und kamen aufgrund detaillierter und gründlicher Experimente und Berechnungen zu dem Schluss, dass es sich um den Kern handelt die wichtigste Eigenschaft des Atoms, und seine ganze Ladung ist darin konzentriert. Später wurde bewiesen, dass der Wert der Ladung des Kerns numerisch gleich der Ordnungszahl des Elements im Periodensystem der Elemente von D. I. Mendeleev ist. Interessanterweise traf Niels Bohr Rutherford bald und stimmte seinen Ansichten voll und ganz zu. Anschließend arbeiteten die Wissenschaftler lange Zeit im selben Labor zusammen. Rutherfords Modell, das Atom als System aus geladenen Elementarteilchen - all das fand Niels Bohr gerecht und legte sein elektronisches Modell für immer beiseite. Die gemeinsame wissenschaftliche Tätigkeit der Wissenschaftler war sehr erfolgreich und trug Früchte. Jeder von ihnen vertiefte sich in die Untersuchung der Eigenschaften von Elementarteilchen und machte bedeutende Entdeckungen für die Wissenschaft. Später entdeckte und bewies Rutherford die Möglichkeit der nuklearen Zersetzung, aber dies ist ein Thema für einen anderen Artikel.

Details Kategorie: Physik des Atoms und Atomkerns Gepostet am 10.03.2016 18:27 Aufrufe: 4106

Altgriechische und altindische Wissenschaftler und Philosophen glaubten, dass alle Substanzen um uns herum aus winzigen Teilchen bestehen, die sich nicht teilen.

Sie waren sich sicher, dass es nichts auf der Welt geben würde, das kleiner wäre als diese Teilchen, die sie nannten Atome . Und tatsächlich wurde die Existenz von Atomen später von so berühmten Wissenschaftlern wie Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov und John Dalton bewiesen. Das Atom galt bis Ende des 19. - Anfang des 20. Jahrhunderts als unteilbar, als sich herausstellte, dass dem nicht so war.

Die Entdeckung des Elektrons. Thomson-Modell des Atoms

Josef John Thomson

1897 fand der englische Physiker Joseph John Thomson, der experimentell das Verhalten von Kathodenstrahlen in magnetischen und elektrischen Feldern untersuchte, heraus, dass diese Strahlen ein Strom negativ geladener Teilchen sind. Die Bewegungsgeschwindigkeit dieser Teilchen lag unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Daher hatten sie Masse. Wo kommst du her? Der Wissenschaftler schlug vor, dass diese Teilchen Teil des Atoms sind. Er rief sie an körperchen . Später wurden sie gerufen Elektronen . So setzte die Entdeckung des Elektrons der Theorie der Unteilbarkeit des Atoms ein Ende.

Thomson-Modell des Atoms

Thomson schlug das erste elektronische Modell des Atoms vor. Danach ist ein Atom eine Kugel, in deren Inneren sich eine geladene Substanz befindet, deren positive Ladung gleichmäßig über das Volumen verteilt ist. Und in dieser Substanz sind wie Rosinen in einem Brötchen Elektronen eingestreut. Im Allgemeinen ist das Atom elektrisch neutral. Dieses Modell wurde als "Plum Pudding-Modell" bezeichnet.

Doch Thomsons Modell stellte sich als falsch heraus, was der britische Physiker Sir Ernest Rutherford bewies.

Rutherfords Erfahrung

Ernst Rutherford

Wie ist eigentlich ein Atom angeordnet? Eine Antwort auf diese Frage gab Rutherford nach seinem Experiment, das er 1909 gemeinsam mit dem deutschen Physiker Hans Geiger und dem neuseeländischen Physiker Ernst Marsden durchführte.

Rutherfords Erfahrung

Ziel des Experiments war es, das Atom mit Hilfe von Alpha-Teilchen zu untersuchen, deren fokussierter Strahl mit hoher Geschwindigkeit auf die dünnste Goldfolie gerichtet wurde. Hinter der Folie befand sich ein Leuchtschirm. Wenn Partikel damit kollidierten, entstanden Blitze, die unter einem Mikroskop beobachtet werden konnten.

Wenn Thomson Recht hat und das Atom aus einer Elektronenwolke besteht, dann sollten die Teilchen leicht durch die Folie fliegen, ohne abgelenkt zu werden. Da die Masse des Alpha-Teilchens die Masse des Elektrons um etwa das 8000-fache überstieg, konnte das Elektron nicht auf es einwirken und seine Flugbahn in einem großen Winkel ablenken, genauso wie ein 10-g-Kieselstein die Flugbahn eines fahrenden Autos nicht verändern könnte.

Doch in der Praxis kam alles anders. Die meisten Partikel flogen tatsächlich durch die Folie und wichen praktisch nicht oder nur um einen kleinen Winkel ab. Aber einige der Partikel wichen ziemlich stark ab oder prallten sogar zurück, als ob sich irgendein Hindernis in ihrem Weg befände. Wie Rutherford selbst sagte, war es so unglaublich, als würde ein 15-Zoll-Projektil von einem Stück Seidenpapier abprallen.

Was hat dazu geführt, dass einige Alphateilchen ihre Richtung so stark geändert haben? Der Wissenschaftler schlug vor, dass der Grund dafür ein Teil des Atoms war, der auf ein sehr kleines Volumen konzentriert und positiv geladen war. Er rief sie an der Kern eines Atoms.

Rutherfords Planetenmodell des Atoms

Rutherford-Modell des Atoms

Rutherford kam zu dem Schluss, dass ein Atom aus einem dichten, positiv geladenen Kern besteht, der sich im Zentrum des Atoms befindet, und aus Elektronen, die eine negative Ladung haben. Fast die gesamte Masse eines Atoms ist im Kern konzentriert. Im Allgemeinen ist das Atom neutral. Die positive Ladung des Kerns ist gleich der Summe der negativen Ladungen aller Elektronen im Atom. Aber die Elektronen sind nicht wie in Thomsons Modell in den Kern eingebettet, sondern kreisen um ihn herum wie die Planeten um die Sonne. Die Rotation von Elektronen erfolgt unter der Wirkung der Coulomb-Kraft, die vom Kern auf sie einwirkt. Die Rotationsgeschwindigkeit von Elektronen ist enorm. Über der Oberfläche des Kerns bilden sie eine Art Wolke. Jedes Atom hat seine eigene Elektronenwolke, die negativ geladen ist. Aus diesem Grund „kleben“ sie nicht „aneinander“, sondern stoßen sich ab.

Aufgrund seiner Ähnlichkeit mit dem Sonnensystem wurde Rutherfords Modell planetarisch genannt.

Warum existiert das Atom

Rutherfords Atommodell konnte jedoch nicht erklären, warum das Atom so stabil ist. In der Tat bewegt sich ein Elektron, das sich in der Umlaufbahn dreht, nach den Gesetzen der klassischen Physik mit Beschleunigung, strahlt also elektromagnetische Wellen aus und verliert Energie. Am Ende muss diese Energie aufgebraucht sein und das Elektron muss in den Kern fallen. Wenn dies der Fall wäre, könnte das Atom nur 10 -8 s lang existieren. Aber warum passiert das nicht?

Der Grund für dieses Phänomen wurde später von dem dänischen Physiker Niels Bohr erklärt. Er schlug vor, dass sich die Elektronen in einem Atom nur auf festen Bahnen bewegen, die als "erlaubte Bahnen" bezeichnet werden. Auf ihnen strahlen sie keine Energie aus. Und die Emission oder Absorption von Energie tritt nur auf, wenn sich ein Elektron von einer erlaubten Umlaufbahn in eine andere bewegt. Handelt es sich dabei um einen Übergang von einer entfernteren zu einer kernnäheren Umlaufbahn, so wird Energie abgestrahlt und umgekehrt. Die Strahlung erfolgt in Portionen, die genannt werden Quanten.

Obwohl das von Rutherford beschriebene Modell die Stabilität des Atoms nicht erklären konnte, ermöglichte es bedeutende Fortschritte bei der Untersuchung seiner Struktur.