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. Energie wird nur abgegeben oder absorbiert, 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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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 gehen. 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.

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 heutigem Wissen wissen wir, dass das Alpha-Teilchen der Kern von Helium ist, während Rutherford glaubte, dass dies Helium-Ionen 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.

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.