Vorlesung: Planetenmodell des Atoms

Die Struktur des Atoms

Die genaueste Methode zur Bestimmung der Struktur einer Substanz ist die Spektralanalyse. Die Strahlung jedes Atoms eines Elements ist ausschließlich individuell. Bevor wir jedoch verstehen, wie die Spektralanalyse abläuft, wollen wir herausfinden, welche Struktur ein Atom eines beliebigen Elements hat.

Die erste Annahme über die Struktur des Atoms wurde von J. Thomson präsentiert. Dieser Wissenschaftler untersucht seit langem Atome. Außerdem gehört ihm die Entdeckung des Elektrons – für die er den Nobelpreis erhielt. Das von Thomson vorgeschlagene Modell hatte nichts mit der Realität zu tun, diente Rutherford jedoch als stark genuger Anreiz, die Struktur des Atoms zu untersuchen. Das von Thomson vorgeschlagene Modell wurde "Rosinenpudding" genannt.

Thomson glaubte, dass das Atom eine feste Kugel mit einer negativen elektrischen Ladung ist. Um dies zu kompensieren, werden Elektronen wie Rosinen in die Kugel eingestreut. Zusammenfassend stimmt die Ladung der Elektronen mit der Ladung des gesamten Kerns überein, was das Atom neutral macht.

Bei der Untersuchung der Struktur des Atoms wurde festgestellt, dass alle Atome in Festkörpern oszillierende Bewegungen ausführen. Und wie Sie wissen, strahlt jedes sich bewegende Teilchen Wellen aus. Deshalb hat jedes Atom sein eigenes Spektrum. Diese Aussagen passten jedoch in keiner Weise in das Thomson-Modell.

Rutherfords Erfahrung

Um Thomsons Modell zu bestätigen oder zu widerlegen, schlug Rutherford ein Experiment vor, das zum Beschuss eines Atoms eines Elements durch Alphateilchen führte. Als Ergebnis dieses Experiments war es wichtig zu sehen, wie sich das Teilchen verhalten würde.

Alphateilchen wurden beim radioaktiven Zerfall von Radium entdeckt. Ihre Ströme waren Alphastrahlen, von denen jedes Teilchen eine positive Ladung hatte. Als Ergebnis zahlreicher Studien wurde festgestellt, dass das Alpha-Teilchen wie ein Heliumatom ist, in dem es keine Elektronen gibt. Mit dem heutigen Wissen wissen wir, dass das Alpha-Teilchen der Kern von Helium ist, während Rutherford glaubte, dass dies Heliumionen waren.

Jedes Alpha-Teilchen hatte eine enorme Energie, wodurch es mit hoher Geschwindigkeit auf die betreffenden Atome zufliegen konnte. Daher war das Hauptergebnis des Experiments die Bestimmung des Teilchenablenkwinkels.

Für das Experiment verwendete Rutherford dünne Goldfolie. Er richtete Hochgeschwindigkeits-Alphateilchen darauf. Er nahm an, dass als Ergebnis dieses Experiments alle Teilchen durch die Folie fliegen würden, und zwar mit kleinen Abweichungen. Um dies jedoch sicher herauszufinden, wies er seine Schüler an, zu prüfen, ob es bei diesen Partikeln große Abweichungen gab.

Das Ergebnis des Experiments überraschte absolut alle, denn viele Teilchen wichen nicht nur um einen ausreichend großen Winkel ab – einige Ablenkwinkel erreichten mehr als 90 Grad.

Diese Ergebnisse überraschten absolut alle, Rutherford sagte, dass es sich anfühlte, als ob ein Stück Papier in den Weg der Projektile gelegt wurde, wodurch das Alpha-Teilchen nicht in das Innere eindringen konnte, wodurch es zurückkehrte.

Wenn das Atom wirklich fest wäre, müsste es ein elektrisches Feld haben, das das Teilchen verlangsamt. Die Stärke des Feldes reichte jedoch nicht aus, um sie vollständig aufzuhalten, geschweige denn zurückzudrängen. Damit war Thomsons Modell widerlegt. Also begann Rutherford mit der Arbeit an einem neuen Modell.

Um dieses Ergebnis des Experiments zu erhalten, ist es notwendig, die positive Ladung auf eine kleinere Menge zu konzentrieren, was zu einem größeren elektrischen Feld führt. Mithilfe der Feldpotentialformel können Sie die erforderliche Größe eines positiven Teilchens bestimmen, das ein Alphateilchen in die entgegengesetzte Richtung abstoßen könnte. Sein Radius sollte in der Größenordnung des Maximums liegen 10 -15 m. Aus diesem Grund schlug Rutherford das Planetenmodell des Atoms vor.

Dieses Modell trägt seinen Namen nicht umsonst. Tatsache ist, dass sich im Inneren des Atoms ein positiv geladener Kern befindet, ähnlich der Sonne im Sonnensystem. Elektronen kreisen wie Planeten um den Atomkern. Das Sonnensystem ist so angeordnet, dass die Planeten mit Hilfe der Gravitationskräfte von der Sonne angezogen werden, aber aufgrund der verfügbaren Geschwindigkeit, die sie auf ihrer Umlaufbahn hält, nicht auf die Sonnenoberfläche fallen. Das gleiche passiert mit Elektronen - Coulomb-Kräfte ziehen Elektronen zum Kern, aber aufgrund der Rotation fallen sie nicht auf die Oberfläche des Kerns.

Eine Annahme von Thomson erwies sich als absolut richtig - die Gesamtladung der Elektronen entspricht der Ladung des Kerns. Durch eine starke Wechselwirkung können Elektronen jedoch aus ihrer Umlaufbahn geschleudert werden, wodurch die Ladung nicht kompensiert wird und das Atom zu einem positiv geladenen Ion wird.

Eine sehr wichtige Information bezüglich der Struktur des Atoms ist, dass fast die gesamte Masse des Atoms im Kern konzentriert ist. Beispielsweise hat ein Wasserstoffatom nur ein Elektron, dessen Masse mehr als anderthalbtausend Mal geringer ist als die Masse des Kerns.

Das Planetenmodell des Atoms wurde 1910 von E. Rutherford vorgeschlagen. Die ersten Studien zum Aufbau des Atoms wurden von ihm mit Hilfe von Alpha-Teilchen durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen, die in Experimenten zu ihrer Streuung erhalten wurden, schlug Rutherford vor, dass die gesamte positive Ladung des Atoms in einem winzigen Kern in seinem Zentrum konzentriert ist. Auf der anderen Seite verteilen sich negativ geladene Elektronen über das restliche Volumen.

Ein wenig Hintergrund

Die erste brillante Vermutung über die Existenz von Atomen wurde vom antiken griechischen Wissenschaftler Demokrit gemacht. Seitdem hat die Vorstellung von der Existenz von Atomen, deren Kombinationen alle Substanzen um uns herum ergeben, die Vorstellungskraft der Wissenschaftler nicht verlassen. Von Zeit zu Zeit wandten sich seine verschiedenen Vertreter daran, aber bis Anfang des 19. Jahrhunderts waren ihre Konstruktionen nur Hypothesen, die nicht durch experimentelle Daten gestützt wurden.

Schließlich lieferte der englische Wissenschaftler John Dalton 1804, mehr als hundert Jahre bevor das planetarische Modell des Atoms erschien, Beweise für seine Existenz und führte das Konzept des Atomgewichts ein, das sein erstes quantitatives Merkmal war. Wie seine Vorgänger stellte er sich Atome als kleinste Teilchen der Materie vor, wie feste Kugeln, die sich nicht in noch kleinere Teilchen zerlegen lassen.

Entdeckung des Elektrons und das erste Atommodell

Fast ein Jahrhundert verging, als schließlich Ende des 19. Jahrhunderts auch der Engländer J. J. Thomson das erste subatomare Teilchen, das negativ geladene Elektron, entdeckte. Da Atome elektrisch neutral sind, dachte Thomson, dass sie aus einem positiv geladenen Kern bestehen müssen, in dessen Volumen Elektronen verstreut sind. Basierend auf verschiedenen experimentellen Ergebnissen schlug er 1898 sein Modell des Atoms vor, das manchmal "Pflaumen im Pudding" genannt wird, weil das Atom darin als eine Kugel dargestellt wurde, die mit einer positiv geladenen Flüssigkeit gefüllt war, in die Elektronen eingebettet waren, als " Pflaumen in den Pudding. Der Radius eines solchen kugelförmigen Modells betrug etwa 10 -8 cm Die gesamte positive Ladung der Flüssigkeit wird symmetrisch und gleichmäßig durch die negativen Ladungen der Elektronen ausgeglichen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Dieses Modell erklärte zufriedenstellend die Tatsache, dass eine Substanz, wenn sie erhitzt wird, beginnt, Licht zu emittieren. Obwohl dies der erste Versuch war, zu verstehen, was ein Atom ist, konnte er die Ergebnisse der später von Rutherford und anderen durchgeführten Experimente nicht befriedigen. Thomson stimmte 1911 zu, dass sein Modell einfach nicht beantworten könne, wie und warum die in Experimenten beobachtete Streuung von α-Strahlen auftritt. Daher wurde es aufgegeben und durch ein perfekteres planetarisches Modell des Atoms ersetzt.

Wie ist das Atom überhaupt angeordnet?

Ernest Rutherford lieferte eine Erklärung des Phänomens der Radioaktivität, die ihm einen Nobelpreis einbrachte, aber sein bedeutendster Beitrag zur Wissenschaft kam später, als er feststellte, dass das Atom aus einem dichten Kern besteht, der von Elektronenbahnen umgeben ist, so wie die Sonne umgeben ist durch die Umlaufbahnen der Planeten.

Nach dem Planetenmodell eines Atoms ist der größte Teil seiner Masse in einem winzigen (im Vergleich zur Größe des gesamten Atoms) Kern konzentriert. Elektronen bewegen sich mit unglaublicher Geschwindigkeit um den Kern herum, aber der größte Teil des Volumens von Atomen ist leerer Raum.

Die Größe des Kerns ist so klein, dass sein Durchmesser 100.000 Mal kleiner ist als der eines Atoms. Der Durchmesser des Kerns wurde von Rutherford auf 10 -13 cm geschätzt, im Gegensatz zur Größe des Atoms - 10 -8 cm Außerhalb des Kerns kreisen Elektronen mit hoher Geschwindigkeit um ihn herum, was zu Zentrifugalkräften führt, die die elektrostatischen Kräfte ausgleichen Anziehungskraft zwischen Protonen und Elektronen.

Rutherfords Experimente

Das Planetenmodell des Atoms entstand 1911 nach dem berühmten Experiment mit Goldfolie, das es ermöglichte, einige grundlegende Informationen über seine Struktur zu erhalten. Rutherfords Weg zur Entdeckung des Atomkerns ist ein gutes Beispiel für die Rolle der Kreativität in der Wissenschaft. Seine Suche begann bereits 1899, als er entdeckte, dass bestimmte Elemente positiv geladene Teilchen abgeben, die alles durchdringen können. Er nannte diese Teilchen Alpha (α)-Teilchen (jetzt wissen wir, dass es sich um Heliumkerne handelte). Wie alle guten Wissenschaftler war Rutherford neugierig. Er fragte sich, ob Alpha-Teilchen verwendet werden könnten, um die Struktur eines Atoms herauszufinden. Rutherford beschloss, einen Strahl aus Alphateilchen auf eine sehr dünne Goldfolie zu richten. Er entschied sich für Gold, weil es Schichten mit einer Dicke von bis zu 0,00004 cm erzeugen kann.Hinter einer Goldfolie platzierte er einen Bildschirm, der leuchtete, wenn Alphateilchen darauf trafen. Es wurde verwendet, um Alphateilchen nachzuweisen, nachdem sie die Folie passiert hatten. Ein kleiner Schlitz im Schirm ermöglichte es dem Alphateilchenstrahl, die Folie zu erreichen, nachdem er die Quelle verlassen hatte. Einige von ihnen müssen die Folie passieren und sich in die gleiche Richtung weiterbewegen, während der andere Teil von der Folie abprallen und in spitzen Winkeln reflektiert werden muss. Sie können das Schema des Experiments in der folgenden Abbildung sehen.

Was geschah in Rutherfords Experiment?

Auf der Grundlage des Atommodells von J. J. Thomson nahm Rutherford an, dass die festen Bereiche positiver Ladung, die das gesamte Volumen der Goldatome füllen, die Flugbahnen aller Alpha-Teilchen beim Durchgang durch die Folie ablenken oder verbiegen würden.

Die überwiegende Mehrheit der Alpha-Partikel ging jedoch direkt durch die Goldfolie, als wäre sie nicht vorhanden. Sie schienen durch den leeren Raum zu fliegen. Nur wenige von ihnen weichen vom geraden Weg ab, wie er anfangs angenommen wurde. Unten ist ein Diagramm der Anzahl der in die jeweilige Richtung gestreuten Partikel über dem Streuwinkel.

Überraschenderweise prallte ein winziger Prozentsatz der Partikel von der Folie zurück, wie ein Basketball, der von einem Brett abprallt. Rutherford erkannte, dass diese Abweichungen das Ergebnis einer direkten Kollision zwischen Alphateilchen und den positiv geladenen Komponenten des Atoms waren.

Der Kern steht im Mittelpunkt

Basierend auf dem vernachlässigbaren Prozentsatz der von der Folie reflektierten Alphateilchen können wir schlussfolgern, dass die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse des Atoms in einem kleinen Bereich konzentriert sind und der Rest des Atoms größtenteils leerer Raum ist. Rutherford nannte den Bereich konzentrierter positiver Ladung den Kern. Er sagte voraus und entdeckte bald, dass es positiv geladene Teilchen enthielt, die er Protonen nannte. Rutherford sagte die Existenz von neutralen atomaren Teilchen voraus, die Neutronen genannt werden, aber er konnte sie nicht entdecken. Sein Schüler James Chadwick entdeckte sie jedoch einige Jahre später. Die folgende Abbildung zeigt die Struktur des Kerns eines Uranatoms.

Atome bestehen aus positiv geladenen schweren Kernen, die von negativ geladenen extrem leichten Teilchen umgeben sind – Elektronen, die um sie herum rotieren, und zwar mit solchen Geschwindigkeiten, dass mechanische Zentrifugalkräfte ihre elektrostatische Anziehung zum Kern einfach ausgleichen, und in diesem Zusammenhang angeblich die Stabilität des Atoms gewährleistet ist.

Die Nachteile dieses Modells

Rutherfords Hauptidee bezog sich auf die Idee eines kleinen Atomkerns. Die Annahme über die Bahnen der Elektronen war reine Vermutung. Er wusste nicht genau, wo und wie Elektronen um den Kern kreisen. Daher erklärt Rutherfords Planetenmodell nicht die Verteilung von Elektronen in Umlaufbahnen.

Darüber hinaus war die Stabilität des Rutherford-Atoms nur durch die kontinuierliche Bewegung von Elektronen in Umlaufbahnen ohne Verlust an kinetischer Energie möglich. Elektrodynamische Berechnungen haben jedoch gezeigt, dass die Bewegung von Elektronen entlang beliebiger krummliniger Trajektorien, begleitet von einer Richtungsänderung des Geschwindigkeitsvektors und dem Auftreten einer entsprechenden Beschleunigung, unweigerlich mit der Emission elektromagnetischer Energie einhergeht. In diesem Fall muss die kinetische Energie des Elektrons gemäß dem Energieerhaltungssatz sehr schnell in Strahlung umgewandelt werden und auf den Kern fallen, wie in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt.

Dies geschieht jedoch nicht, da Atome stabile Gebilde sind. Zwischen dem Modell des Phänomens und den experimentellen Daten entstand ein typischer wissenschaftlicher Widerspruch.

Von Rutherford bis Niels Bohr

Der nächste große Fortschritt in der Atomgeschichte kam 1913, als der dänische Wissenschaftler Niels Bohr eine Beschreibung eines detaillierteren Atommodells veröffentlichte. Sie bestimmte klarer die Orte, an denen Elektronen sein könnten. Obwohl spätere Wissenschaftler ausgefeiltere Atomdesigns entwickelten, war Bohrs Planetenmodell des Atoms im Grunde richtig, und vieles davon wird noch heute akzeptiert. Es hatte viele nützliche Anwendungen, zum Beispiel wird es verwendet, um die Eigenschaften verschiedener chemischer Elemente, die Art ihres Strahlungsspektrums und die Struktur des Atoms zu erklären. Das Planetenmodell und das Bohr-Modell waren die wichtigsten Meilensteine, die das Aufkommen einer neuen Richtung in der Physik markierten – der Physik der Mikrowelt. Bohr erhielt 1922 den Nobelpreis für Physik für seine Beiträge zu unserem Verständnis der Struktur des Atoms.

Was brachte Bohr Neues in das Atommodell ein?

Noch als junger Mann arbeitete Bohr in Rutherfords Labor in England. Da das Konzept der Elektronen in Rutherfords Modell schlecht entwickelt war, konzentrierte sich Bohr auf sie. Dadurch wurde das Planetenmodell des Atoms deutlich verbessert. Bohrs Postulate, die er in seinem 1913 veröffentlichten Artikel „Über die Struktur der Atome und Moleküle“ formulierte, lauteten:

1. Elektronen können sich nur in festen Abständen um den Kern bewegen, die durch die Menge an Energie, die sie haben, bestimmt werden. Er nannte diese festen Niveaus Energieniveaus oder Elektronenhüllen. Bohr stellte sie sich als konzentrische Kugeln vor, mit jeweils einem Kern in der Mitte. In diesem Fall befinden sich Elektronen mit niedrigerer Energie auf niedrigeren Ebenen, näher am Kern. Diejenigen mit mehr Energie werden auf höheren Ebenen gefunden, weiter vom Kern entfernt.

2. Wenn ein Elektron eine (ziemlich bestimmte) Energiemenge absorbiert, springt es auf das nächste, höhere Energieniveau. Wenn er umgekehrt die gleiche Menge an Energie verliert, kehrt er auf sein ursprüngliches Niveau zurück. Ein Elektron kann jedoch nicht auf zwei Energieniveaus existieren.

Diese Idee wird durch eine Abbildung veranschaulicht.

Energieanteile für Elektronen

Das Bohr-Modell des Atoms ist eigentlich eine Kombination aus zwei verschiedenen Ideen: Rutherfords Atommodell mit Elektronen, die sich um den Kern drehen (im Wesentlichen das planetare Bohr-Rutherford-Modell des Atoms), und Max Plancks Idee der Quantisierung der Energie der Materie. 1901 erschienen. Ein Quant (Plural - Quanten) ist die minimale Menge an Energie, die von einer Substanz absorbiert oder abgegeben werden kann. Es ist eine Art Diskretisierungsschritt für die Energiemenge.

Wenn man Energie mit Wasser vergleicht und sie der Materie in Form eines Glases hinzufügen möchte, kann man Wasser nicht einfach in einen kontinuierlichen Strom gießen. Stattdessen können Sie es in kleinen Mengen hinzufügen, z. B. einen Teelöffel voll. Bohr glaubte, dass Elektronen, wenn sie nur feste Energiemengen aufnehmen oder abgeben können, ihre Energie nur um diese festen Mengen ändern sollten. Daher können sie nur feste Energieniveaus um den Kern einnehmen, die quantisierten Inkrementen ihrer Energie entsprechen.

Aus dem Bohr-Modell erwächst also ein Quantenansatz zur Erklärung der Struktur des Atoms. Das Planetenmodell und das Bohr-Modell waren eine Art Schritt von der klassischen Physik zur Quantenphysik, die das Hauptwerkzeug in der Physik der Mikrowelt ist, einschließlich der Atomphysik.

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 „Antiker 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 klugen Köpfe jener Zeit 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. Mendelejew. 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? Der Wissenschaftler platzierte in seinen Experimenten Elektroden in stark verdünnten Gasen und leitete einen 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.

Planetenmodell des Atoms

Planetenmodell eines Atoms: Kern (rot) und Elektronen (grün)

Planetenmodell des Atoms, oder Rutherford-Modell, - historisches Modell der Struktur des Atoms, das von Ernest Rutherford als Ergebnis eines Experiments mit Alpha-Teilchenstreuung vorgeschlagen wurde. Nach diesem Modell besteht das Atom aus einem kleinen positiv geladenen Kern, in dem sich fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert, um den herum sich 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 folgte Rutherfords Planetenmodell Joseph John Thomsons "Plum Pudding Model", das postuliert, dass negativ geladene Elektronen in einem positiv geladenen Atom platziert werden.

Rutherford schlug 1911 ein neues Modell für die Struktur des Atoms als Schlussfolgerung aus einem Experiment zur Streuung von Alphateilchen an Goldfolie vor, das unter seiner Leitung durchgeführt wurde. Während dieser Streuung wurde eine unerwartet große Anzahl von Alpha-Partikeln in großen Winkeln gestreut, was anzeigte, dass das Streuzentrum klein war und eine signifikante elektrische Ladung darin konzentriert war. Rutherfords Berechnungen zeigten, dass ein Streuzentrum, positiv oder negativ geladen, mindestens 3000-mal kleiner sein muss als die Größe eines Atoms, die damals bereits bekannt war und auf etwa 10 -10 m geschätzt wurde, da Elektronen bereits bekannt waren und ihre Masse und Ladung bestimmt werden, dann muss das Streuzentrum, das später Kern genannt wurde, die entgegengesetzte Ladung zu den Elektronen gehabt haben. Rutherford verknüpfte die Ladungsmenge nicht mit der Ordnungszahl. Diese Schlussfolgerung wurde später gezogen. Und Rutherford selbst schlug vor, dass die Ladung proportional zur Atommasse ist.

Der Nachteil des Planetenmodells war seine Unvereinbarkeit mit den Gesetzen der klassischen Physik. Wenn sich Elektronen wie ein Planet um die Sonne um den Kern bewegen, wird ihre Bewegung beschleunigt, und daher sollten sie nach den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik elektromagnetische Wellen ausstrahlen, Energie verlieren und auf den Kern fallen. Der nächste Schritt in der Entwicklung des Planetenmodells war das Bohr-Modell, das andere als die klassischen Gesetze der Elektronenbewegung postulierte. Die Widersprüche der Elektrodynamik konnte die Quantenmechanik vollständig lösen.

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

• Planetarium Eise Eisingi
• planetarische Fantasie

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was das "Planetenmodell des Atoms" ist:

Planetenmodell des Atoms- planetinis atomo modelis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. planetarisches Atommodell {f} Planetenmodell des Atoms, n rus. Planetenmodell des Atoms, f pranc. modele planétaire de l'atome, m … Fizikos terminų žodynas

Bohrsches Atommodell- Bohr-Modell eines wasserstoffähnlichen Atoms (Z-Kernladung), bei dem ein negativ geladenes Elektron in einer Atomhülle eingeschlossen ist, die einen kleinen, positiv geladenen Atomkern umgibt ... Wikipedia

Modell (in der Wissenschaft)- Modell (frz. modèle, ital. modello, von lateinisch modulus mass, mass, sample, norm), 1) ein Muster, das als Standard (Standard) für die Serien- oder Massenreproduktion dient (M. Auto, M. Kleidung usw. . ) sowie Typ, Marke von ... ...

Modell- I Modell (Modell) Walter (24. Januar 1891, Gentin, Ostpreußen, 21. April 1945, in der Nähe von Duisburg), nationalsozialistischer deutscher Generalfeldmarschall (1944). In der Armee seit 1909, nahm am 1. Weltkrieg von 1914 18 teil. Ab November 1940 befehligte er den 3. Panzer ... ... Große sowjetische Enzyklopädie

STRUKTUR DES ATOMS- (siehe) ist aus Elementarteilchen der drei Typen (siehe), (siehe) und (siehe) aufgebaut, die ein stabiles System bilden. Das Proton und das Neutron sind ein Teil des Atoms (siehe), Elektronen bilden eine Elektronenhülle. Im Kern wirken Kräfte (siehe), dank denen ... ... Große polytechnische Enzyklopädie

Atom- Dieser Begriff hat andere Bedeutungen, siehe Atom (Bedeutungen). Heliumatom Atom (aus anderen griechischen ... Wikipedia

Rutherford Ernst- (1871 1937), englischer Physiker, einer der Begründer der Theorie der Radioaktivität und der Struktur des Atoms, Gründer einer wissenschaftlichen Schule, ausländisches korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften (1922) und Ehrenmitglied der Akademie der UdSSR der Wissenschaften (1925). Geboren in Neuseeland, nach seinem Abschluss an ... ... Enzyklopädisches Wörterbuch

Άτομο

Korpuskel- Heliumatom Atom (ein weiteres griechisches ἄτομος unteilbar) ist der kleinste Teil eines chemischen Elements, der Träger seiner Eigenschaften ist. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer ihn umgebenden Elektronenwolke. Der Kern eines Atoms besteht aus positiv geladenen Protonen und ... ... Wikipedia

körperchen- Heliumatom Atom (ein weiteres griechisches ἄτομος unteilbar) ist der kleinste Teil eines chemischen Elements, der Träger seiner Eigenschaften ist. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer ihn umgebenden Elektronenwolke. Der Kern eines Atoms besteht aus positiv geladenen Protonen und ... ... Wikipedia

Bücher

• Eine Reihe von Tischen. Physik. Klasse 11 (15 Tische), . Lehralbum mit 15 Blättern. Transformator. Elektromagnetische Induktion in moderner Technik. Elektronische Lampen. Kathodenstrahlröhre. Halbleiter. Halbleiterdiode. Transistor.…

Die Idee, dass Atome die kleinsten Teilchen der Materie sind, entstand erstmals im antiken Griechenland. Doch erst Ende des 18. Jahrhunderts wurde dank der Arbeit von Wissenschaftlern wie A. Lavoisier, M. V. Lomonosov und einigen anderen bewiesen, dass Atome wirklich existieren. Damals wunderte sich jedoch niemand über ihre innere Struktur. Wissenschaftler betrachteten Atome immer noch als die unteilbaren „Bausteine“, aus denen alle Materie besteht.

Versuche, den Aufbau des Atoms zu erklären

Wer hat das Nuklearmodell vor allen Wissenschaftlern vorgeschlagen? Der erste Versuch, ein Modell dieser Teilchen zu erstellen, gehörte J. Thomson. Erfolgreich im vollen Sinne des Wortes kann man es allerdings nicht nennen. Schließlich glaubte Thomson, dass das Atom ein kugelförmiges und elektrisch neutrales System ist. Gleichzeitig ging der Wissenschaftler davon aus, dass die positive Ladung gleichmäßig über das Volumen dieser Kugel verteilt ist und sich in ihr ein negativ geladener Kern befindet. Alle Versuche des Wissenschaftlers, den inneren Aufbau des Atoms zu erklären, blieben erfolglos. Ernest Rutherford ist derjenige, der das Nuklearmodell der Struktur des Atoms einige Jahre nach Thomsons Theorie vorschlug.

Forschungsgeschichte

Mit Hilfe des Studiums der Elektrolyse im Jahr 1833 konnte Faraday feststellen, dass der Strom in der Elektrolytlösung ein Strom geladener Teilchen oder Ionen ist. Basierend auf diesen Studien konnte er die minimale Ladung eines Ions bestimmen. Eine wichtige Rolle bei der Entwicklung dieser Richtung in der Physik spielte auch der einheimische Chemiker D. I. Mendeleev. Er war es, der als erster in wissenschaftlichen Kreisen die Frage aufwarf, dass alle Atome die gleiche Natur haben können. Wir sehen, dass, bevor Rutherfords Nuklearmodell der Struktur des Atoms erstmals vorgeschlagen wurde, eine große Anzahl ebenso wichtiger Experimente von einer Vielzahl von Wissenschaftlern durchgeführt wurden. Sie brachten die atomistische Theorie des Aufbaus der Materie voran.

Erste Erfahrungen

Rutherford ist ein wirklich brillanter Wissenschaftler, denn seine Entdeckungen stellten die Vorstellung vom Aufbau der Materie auf den Kopf. 1911 konnte er ein Experiment aufbauen, mit dem Forscher in die geheimnisvollen Tiefen des Atoms blicken konnten, um sich ein Bild von seinem inneren Aufbau zu machen. Die ersten Experimente wurden von dem Wissenschaftler mit Unterstützung anderer Forscher durchgeführt, aber die Hauptrolle bei der Entdeckung gehörte immer noch Rutherford.

Experiment

Unter Verwendung natürlicher Quellen radioaktiver Strahlung konnte Rutherford eine Kanone bauen, die einen Strom von Alpha-Partikeln aussendete. Es war eine Kiste aus Blei, in der sich eine radioaktive Substanz befand. Die Kanone hatte einen Schlitz, durch den alle Alphateilchen auf den Bleischirm trafen. Sie konnten nur durch den Schlitz herausfliegen. Mehrere weitere Schirme standen diesem Strahl radioaktiver Teilchen im Weg.

Sie separierten Partikel, die von der zuvor festgelegten Richtung abwichen. Ein streng fokussiertes Ziel traf das Ziel, Rutherford verwendete eine dünne Goldfolie als Ziel. Nachdem die Partikel diese Platte getroffen hatten, setzten sie ihre Bewegung fort und trafen schließlich auf den Leuchtschirm, der hinter diesem Ziel installiert war. Beim Auftreffen von Alphateilchen auf diesen Bildschirm wurden Blitze aufgezeichnet, anhand derer der Wissenschaftler beurteilen konnte, wie viele Teilchen beim Aufprall auf die Folie von der ursprünglichen Richtung abweichen und wie groß diese Abweichung ist.

Unterschiede zu früheren Erfahrungen

Schüler und Studenten, die sich für diejenigen interessieren, die das Kernmodell der Atomstruktur vorgeschlagen haben, sollten wissen, dass ähnliche Experimente in der Physik vor Rutherford durchgeführt wurden. Ihre Hauptidee war, aus den Abweichungen der Teilchen von der ursprünglichen Flugbahn möglichst viele Informationen über die Struktur des Atoms zu sammeln. Alle diese Studien führten zur Anhäufung einer bestimmten Menge an Informationen in der Wissenschaft und regten zum Nachdenken über die innere Struktur der kleinsten Teilchen an.

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wussten Wissenschaftler, dass das Atom Elektronen enthält, die eine negative Ladung haben. Doch unter den meisten Forschern herrschte die Meinung vor, dass das Atom von innen eher wie ein mit negativ geladenen Teilchen gefülltes Gitter ist. Durch solche Experimente konnten viele Informationen gewonnen werden - beispielsweise um die geometrischen Abmessungen von Atomen zu bestimmen.

geniale Vermutung

Rutherford bemerkte, dass keiner seiner Vorgänger jemals versucht hatte, festzustellen, ob Alphateilchen in sehr großen Winkeln von ihrer Flugbahn abweichen können. Das alte Modell, unter Wissenschaftlern manchmal „Rosinenpudding“ genannt (weil nach diesem Modell die Elektronen im Atom wie Rosinen im Pudding verteilt sind), ließ einfach keine dichten Strukturkomponenten im Inneren des Atoms zu. Keiner der Wissenschaftler hat sich auch nur die Mühe gemacht, diese Option in Betracht zu ziehen. Der Forscher bat seinen Studenten, die Anlage so umzurüsten, dass auch große Abweichungen der Teilchen von der Flugbahn erfasst werden – nur um eine solche Möglichkeit auszuschließen. Stellen Sie sich die Überraschung sowohl des Wissenschaftlers als auch seines Studenten vor, als sich herausstellte, dass einige Teilchen in einem Winkel von 180 ° auseinanderfliegen.

Was ist in einem Atom?

Wir haben erfahren, wer das Kernmodell der Atomstruktur vorgeschlagen hat und welche Erfahrungen dieser Wissenschaftler gemacht hat. Rutherfords Experiment war damals ein echter Durchbruch. Er musste zu dem Schluss kommen, dass der größte Teil der Masse im Inneren des Atoms in einer sehr dichten Substanz eingeschlossen ist. Das Schema des Kernmodells der Struktur des Atoms ist äußerst einfach: Im Inneren befindet sich ein positiv geladener Kern.

Andere Teilchen, Elektronen genannt, kreisen um diesen Kern. Der Rest ist um mehrere Größenordnungen weniger dicht. Die Anordnung der Elektronen innerhalb eines Atoms ist nicht chaotisch – die Teilchen sind in der Reihenfolge zunehmender Energie angeordnet. Der Forscher nannte die inneren Teile von Atomen Kerne. Die Namen, die der Wissenschaftler eingeführt hat, werden immer noch in der Wissenschaft verwendet.

Wie bereitet man sich auf den Unterricht vor?

Diejenigen Schüler, die sich für diejenigen interessieren, die das Kernmodell der Struktur des Atoms vorgeschlagen haben, können im Unterricht zusätzliches Wissen zeigen. Sie können zum Beispiel sagen, wie Rutherford noch lange nach seinen Experimenten gerne eine Analogie für seine Entdeckung gab. Das südafrikanische Land wird mit Waffen für die Rebellen geschmuggelt, die in Baumwollballen eingeschlossen sind. Wie können Zollbeamte genau feststellen, wo sich gefährliche Güter befinden, wenn der gesamte Zug mit diesen Ballen voll ist? Der Zollbeamte kann anfangen, auf die Ballen zu schießen, und wo die Kugeln abprallen, und es gibt eine Waffe. Rutherford betonte, dass seine Entdeckung so gemacht wurde.

Schüler, die sich darauf vorbereiten, im Unterricht zu diesem Thema zu antworten, ist es ratsam, Antworten auf die folgenden Fragen vorzubereiten:

1. Wer hat das Kernmodell der Struktur des Atoms vorgeschlagen?

2. Was war der Sinn des Experiments?

3. Unterschied des Nuklearmodells von anderen Modellen.

Bedeutung von Rutherfords Theorie

Die radikalen Schlussfolgerungen, die Rutherford aus seinen Experimenten zog, ließen viele seiner Zeitgenossen an der Gültigkeit dieses Modells zweifeln. Auch Rutherford selbst war keine Ausnahme – er veröffentlichte die Ergebnisse seiner Forschung nur zwei Jahre nach der Entdeckung. Auf der Grundlage der klassischen Vorstellungen darüber, wie sich Mikropartikel bewegen, schlug er ein nukleares planetarisches Modell der Struktur des Atoms vor. Im Allgemeinen hat das Atom eine neutrale Ladung. Elektronen bewegen sich um den Kern, genau wie die Planeten um die Sonne kreisen. Diese Bewegung erfolgt aufgrund der Coulomb-Kräfte. Im Moment wurde Rutherfords Modell erheblich verfeinert, aber die Entdeckung des Wissenschaftlers verliert bis heute nicht an Relevanz.