Atomin planeettamalli

Atomin planeettamalli: ydin (punainen) ja elektronit (vihreä)

Atomin planeettamalli, tai Rutherfordin malli, - historiallinen atomin rakenteen malli, jonka Ernest Rutherford ehdotti alfahiukkasten sirontakokeen tuloksena. Tämän mallin mukaan atomi koostuu pienestä positiivisesti varautuneesta ytimestä, johon on keskittynyt lähes koko atomin massa ja jonka ympärillä elektronit liikkuvat, aivan kuten planeetat liikkuvat auringon ympäri. Atomin planeettamalli vastaa nykyaikaisia ​​ajatuksia atomin rakenteesta, kun otetaan huomioon se tosiasia, että elektronien liike on kvanttiluonteista eikä sitä kuvaile klassisen mekaniikan lait. Historiallisesti Rutherfordin planeettamalli seurasi Joseph John Thomsonin "luumuvanukasmallia", joka olettaa, että negatiivisesti varautuneita elektroneja on sijoitettu positiivisesti varautuneen atomin sisään.

Rutherford ehdotti uutta mallia atomin rakenteelle vuonna 1911 päätelmänä hänen johdollaan tehdystä kokeesta, joka koski alfahiukkasten sirontaa kultakalvolle. Tämän sironnan aikana siroteltu odottamattoman suuri määrä alfahiukkasia suuriin kulmiin, mikä osoitti, että sirontakeskus oli pieni ja siihen oli keskittynyt merkittävä sähkövaraus. Rutherfordin laskelmat osoittivat, että positiivisesti tai negatiivisesti varautuneen sirontakeskuksen tulee olla vähintään 3000 kertaa pienempi kuin atomin koko, joka tuolloin jo tiedettiin ja sen arvioitiin olevan noin 10-10 m. Koska elektronit tunnettiin jo klo. Tuolloin ja niiden massa ja varaus määritetään, silloin sirontakeskuksella, jota myöhemmin kutsuttiin ytimeksi, on täytynyt olla päinvastainen varaus kuin elektronilla. Rutherford ei yhdistänyt varauksen määrää atominumeroon. Tämä johtopäätös tehtiin myöhemmin. Ja Rutherford itse ehdotti, että varaus on verrannollinen atomimassaan.

Planeettamallin haittana oli sen yhteensopimattomuus klassisen fysiikan lakien kanssa. Jos elektronit liikkuvat ytimen ympärillä kuin planeetta Auringon ympärillä, niiden liike kiihtyy, ja siksi klassisen sähködynamiikan lakien mukaan niiden pitäisi säteillä sähkömagneettisia aaltoja, menettää energiaa ja pudota ytimeen. Seuraava askel planeettamallin kehityksessä oli Bohrin malli, joka olettaa muita, klassisista poikkeavia elektronien liikkeen lakeja. Täysin sähködynamiikan ristiriidat pystyivät ratkaisemaan kvanttimekaniikan.

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Eise Eisingin planetaario
• planetaarinen fantasia

Katso, mikä "Atomin planeettamalli" on muissa sanakirjoissa:

atomin planeettamalli- planetinis atomo modelin statusas T ala fizika atitikmenys: angl. planeettaatomimalli vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. atomin planeettamalli, f pranc. modele planétaire de l'atome, m … Fizikos terminų žodynas

Bohrin malli atomista- Bohrin malli vedyn kaltaisesta atomista (Z-ydinvaraus), jossa negatiivisesti varautunut elektroni on suljettu atomikuoreen, joka ympäröi pientä, positiivisesti varautunutta atomiydintä ... Wikipedia

Malli (tieteessä)- Malli (ranskaksi modèle, italiaksi modello, latinan sanasta modulus mitta, mitta, näyte, normi), 1) näyte, joka toimii standardina (standardina) sarja- tai massakopiointiin (M. auto, M. vaatteet jne.). ), sekä minkä tahansa tyyppi, merkki ... ...

Malli- I malli (malli) Walter (24. tammikuuta 1891, Gentin, Itä-Preussi, 21. huhtikuuta 1945, lähellä Duisburgia), natsi-Saksan kenraali marsalkka (1944). Armeijassa vuodesta 1909, osallistui 1. maailmansotaan 1914 18. Marraskuusta 1940 lähtien hän komensi 3. panssarivaunua ... ... Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja

ATOMIN RAKENNE- (katso) on rakennettu kolmen tyypin (katso), (katso) ja (katso) alkuainehiukkasista muodostaen vakaan järjestelmän. Protoni ja neutroni ovat osa atomia (katso), elektronit muodostavat elektronikuoren. Voimat toimivat ytimessä (katso), minkä ansiosta ... ... Suuri ammattikorkeakoulun tietosanakirja

Atomi- Tällä termillä on muita merkityksiä, katso Atom (merkityksiä). Heliumatomi Atom (muuista kreikkalaisista ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), englantilainen fyysikko, yksi radioaktiivisuuden ja atomin rakenteen teorian luojista, tieteellisen koulun perustaja, Venäjän tiedeakatemian ulkomainen kirjejäsen (1922) ja Neuvostoliiton Akatemian kunniajäsen of Sciences (1925). Syntynyt Uudessa-Seelannissa valmistuttuaan ... tietosanakirja

Άτομο

verisolu- Heliumatomi Atomi (toinen kreikkalainen ἄτομος jakamaton) on kemiallisen alkuaineen pienin osa, joka on sen ominaisuuksien kantaja. Atomi koostuu atomin ytimestä ja sitä ympäröivästä elektronipilvestä. Atomin ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja ... ... Wikipediasta

verisoluja- Heliumatomi Atomi (toinen kreikkalainen ἄτομος jakamaton) on kemiallisen alkuaineen pienin osa, joka on sen ominaisuuksien kantaja. Atomi koostuu atomin ytimestä ja sitä ympäröivästä elektronipilvestä. Atomin ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja ... ... Wikipediasta

Kirjat

• Pöytien sarja. Fysiikka. Arvosana 11 (15 pöytää), . 15 arkin opetusalbumi. Muuntaja. Sähkömagneettinen induktio nykytekniikassa. Elektroniset lamput. Katodisädeputki. Puolijohteet. puolijohdediodi. Transistori.…

Yksi ensimmäisistä atomin rakenteen malleista ehdotettiin J. Thomson Vuonna 1904 atomi esiteltiin "positiivisen sähkön merenä", jossa elektronit värähtelevät. Sähköisesti neutraalin atomin elektronien negatiivinen kokonaisvaraus rinnastettiin sen positiiviseen kokonaisvaraukseen.

Rutherfordin kokemus

Testaa Thomsonin hypoteesia ja määrittää tarkemmin atomin rakennetta E. Rutherford järjesti sarjan sirontakokeita α -hiukkaset ohuet metallilevyt - folio. Vuonna 1910 Rutherfordin opiskelijat Hans Geiger ja Ernest Marsden teki pommikokeita α - ohuiden metallilevyjen hiukkaset. He löysivät sen eniten α -hiukkaset kulkevat kalvon läpi muuttamatta lentorataa. Ja tämä ei ollut yllättävää, jos hyväksymme Thomsonin atomimallin oikeellisuuden.

Lähde α - säteily laitettiin lyijykuutioon, johon oli porattu kanava, jotta virtaus saatiin aikaan α - hiukkaset lentävät tiettyyn suuntaan. Alfahiukkaset ovat kaksinkertaisesti ionisoituneita heliumatomeja ( Ei 2+). Niiden positiivinen varaus on +2 ja massa lähes 7350 kertaa elektronin massa. Iskemällä sinkkisulfidilla päällystettyä näyttöä, α -hiukkaset saivat sen hehkumaan, ja suurennuslasilla pystyi näkemään ja laskemaan yksittäisiä välähdyksiä, jotka ilmestyvät näytölle, kun jokainen α - hiukkasia. Säteilylähteen ja näytön väliin laitettiin kalvo. Näytön välähdyksistä oli mahdollista arvioida sirontaa α -hiukkaset, ts. niiden poikkeamasta alkuperäisestä suunnasta kulkiessaan metallikerroksen läpi.

Kävi ilmi, että suurin osa α -hiukkaset kulkevat kalvon läpi muuttamatta sen suuntaa, vaikka kalvon paksuus vastasi satoja tuhansia atomihalkaisijoita. Mutta jotkut jakavat α -hiukkaset poikkesivat edelleen pienillä kulmilla ja silloin tällöin α -hiukkaset muuttivat äkillisesti liikesuuntaansa ja jopa (noin 1:100 000) sinkoutuivat takaisin, ikään kuin ne olisivat kohdanneet massiivisen esteen. Tällaiset jyrkät poikkeamat α -hiukkasia voitiin havaita liikuttamalla näyttöä suurennuslasilla kaaressa.

Tämän kokeen tuloksista voitiin tehdä seuraavat johtopäätökset:

1. Atomissa on jokin "este", jota on kutsuttu ytimeksi.
2. Ytimellä on positiivinen varaus (muuten positiivisesti varautunut α hiukkaset eivät heijastu takaisin).
3. Ydin on hyvin pieni verrattuna itse atomin kokoon (vain pieni osa α -hiukkaset muuttivat suuntaa).
4. Ytimellä on enemmän massaa kuin massa α - hiukkasia.

Rutherford selitti kokeen tuloksia ehdottamalla atomin "planetaarinen" malli vertasi sitä aurinkokuntaan. Planeettamallin mukaan atomin keskellä on hyvin pieni ydin, jonka koko on noin 100 000 kertaa pienempi kuin itse atomin koko. Tämä ydin sisältää lähes koko atomin massan ja sisältää positiivisen varauksen. Ytimen ympärillä liikkuu elektroneja, joiden lukumäärän määrää ytimen varaus. Elektronien ulkorata määrää atomin ulkomitat. Atomin halkaisija on noin 10 -8 cm ja ytimen halkaisija on noin 10 -13 ÷10 -12 cm.

Mitä suurempi atomiytimen varaus on, sitä vahvempi se hylätään siitä α -hiukkanen, sitä useammin esiintyy voimakkaita poikkeamia α -metallikerroksen läpi kulkevat hiukkaset alkuperäisestä liikesuunnasta. Siksi sirontakokeet α -hiukkasten avulla voidaan paitsi havaita atomiytimen olemassaolo, myös määrittää sen varaus. Jo Rutherfordin kokeista seurasi, että ytimen varaus (ilmaistuna elektronin varauksen yksiköissä) on numeerisesti yhtä suuri kuin elementin järjestysluku jaksollisessa järjestelmässä. Se on vahvistettu G. Moseley, joka vuonna 1913 loi yksinkertaisen suhteen elementin röntgenspektrin tiettyjen juovien aallonpituuksien ja sen sarjanumeron välille, ja D. Chadwick, joka vuonna 1920 määritti suurella tarkkuudella useiden alkuaineiden atomiytimien varaukset sirottamalla α - hiukkasia.

Elementin sarjanumeron fyysinen merkitys jaksollisessa järjestelmässä selvitettiin: sarjanumero osoittautui elementin tärkeimmäksi vakioksi, joka ilmaisee sen atomin ytimen positiivista varausta. Atomin sähköisestä neutraalisuudesta seuraa, että ytimen ympärillä pyörivien elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin alkuaineen järjestysluku.

Tämä löytö antoi uuden perusteen elementtien sijoittumiselle jaksollisessa järjestelmässä. Samalla se eliminoi Mendelejevin järjestelmässä ilmeisen ristiriidan - joidenkin suuremman atomimassaisten alkuaineiden aseman pienempien atomimassaisten (telluuri ja jodi, argon ja kalium, koboltti ja nikkeli) edellä. Kävi ilmi, että tässä ei ole ristiriitaa, koska elementin paikka järjestelmässä määräytyy atomiytimen varauksen mukaan. Kokeellisesti todettiin, että telluuriatomin ytimen varaus on 52 ja jodiatomin ytimen varaus on 53; siksi telluurin täytyy suuresta atomimassastaan ​​huolimatta kestää ennen jodia. Samoin argonin ja kaliumin, nikkelin ja koboltin ytimien varaukset vastaavat täysin näiden elementtien järjestystä järjestelmässä.

Joten atomiytimen varaus on päämäärä, josta alkuaineen ominaisuudet ja sen sijainti jaksollisessa järjestelmässä riippuvat. Siksi Mendelejevin jaksollinen laki voidaan tällä hetkellä muotoilla seuraavasti:

Alkuaineiden ja niiden muodostamien yksinkertaisten ja monimutkaisten aineiden ominaisuudet ovat jaksoittaisessa riippuvuudessa alkuaineiden atomien ytimen varauksesta

Alkuaineiden sarjanumeroiden määrittäminen niiden atomien ytimien varausten perusteella mahdollisti paikkojen kokonaismäärän jaksollisessa järjestelmässä vedyn, jonka sarjanumero on 1, ja uraanin (atominumero 92), jota tarkasteltiin. tuolloin jaksollisen elementtijärjestelmän viimeinen jäsen. Kun teoria atomin rakenteesta luotiin, paikat 43, 61, 72, 75, 85 ja 87 jäivät tyhjiksi, mikä osoitti vielä löytämättömien alkuaineiden olemassaolon mahdollisuutta. Ja todellakin, vuonna 1922 löydettiin elementti hafnium, joka korvasi 72:n; sitten vuonna 1925 - renium, joka tapahtui 75. Alkuaineet, joiden pitäisi olla jäljellä neljällä vapaalla paikalla taulukossa, osoittautuivat radioaktiivisiksi eikä niitä löydetty luonnosta, mutta ne saatiin keinotekoisesti. Uudet alkuaineet nimettiin teknetiumiksi (43), prometiumiksi (61), astatiiniksi (85) ja francium (87). Tällä hetkellä kaikki vedyn ja uraanin välisen jaksollisen järjestelmän kennot on täytetty. Itse jaksollinen järjestelmä ei kuitenkaan ole täydellinen.

Atomispektrit

Planeettamalli oli tärkeä askel atomin rakenteen teoriassa. Kuitenkin joissain suhteissa se oli ristiriidassa vakiintuneiden tosiasioiden kanssa. Tarkastellaan kahta tällaista ristiriitaa.

Ensinnäkin Rutherfordin teoria ei voinut selittää atomin vakautta. Positiivisesti varautuneen ytimen ympäri kiertävän elektronin täytyy värähtelevän sähkövarauksen tavoin lähettää sähkömagneettista energiaa valoaaltojen muodossa. Mutta säteilemällä valoa elektroni menettää osan energiastaan, mikä johtaa epätasapainoon elektronin pyörimiseen liittyvän keskipakovoiman ja elektronin sähköstaattisen vetovoiman välillä ytimeen. Tasapainon palauttamiseksi elektronin on siirryttävä lähemmäs ydintä. Siten elektroni, joka säteilee jatkuvasti sähkömagneettista energiaa ja liikkuu spiraalina, lähestyy ydintä. Kun kaikki energiansa on käytetty, sen täytyy "pudota" ytimeen, ja atomi lakkaa olemasta. Tämä johtopäätös on ristiriidassa atomien todellisten ominaisuuksien kanssa, sillä ne ovat pysyviä muodostelmia ja voivat olla olemassa tuhoutumatta erittäin pitkään.

Toiseksi Rutherfordin malli johti vääriin johtopäätöksiin atomispektrien luonteesta. Kun kuuman kiinteän tai nestemäisen kappaleen säteilemä valo johdetaan lasi- tai kvartsiprisman läpi, prisman taakse sijoitetulla näytöllä havaitaan niin sanottu jatkuva spektri, jonka näkyvä osa on värillinen nauha, joka sisältää kaikki prisman värit. sateenkaari. Tämä ilmiö selittyy sillä, että kuuman kiinteän tai nestemäisen kappaleen säteily koostuu eritaajuisista sähkömagneettisista aalloista. Prisma ei taita eri taajuisia aaltoja tasaisesti ja osuu eri paikkoihin ruudulla. Aineen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn taajuuksien joukkoa kutsutaan emissiospektriksi. Toisaalta aineet absorboivat tiettyjen taajuuksien säteilyä. Jälkimmäisen kokonaisuutta kutsutaan aineen absorptiospektriksi.

Spektrin saamiseksi prisman sijasta voit käyttää diffraktiohilaa. Jälkimmäinen on lasilevy, jonka pinnalle levitetään ohuita yhdensuuntaisia ​​lyöntejä hyvin lähellä toisiaan (jopa 1500 vetoa 1 mm:llä). Kulkiessaan tällaisen hilan läpi valo hajoaa ja muodostaa spektrin, joka on samanlainen kuin prismalla saatu spektri. Diffraktio on luontainen jokaiselle aaltoliikkeelle ja toimii yhtenä tärkeimmistä todisteista valon aaltoluonteesta.

Kuumennettaessa aine lähettää säteitä (säteilyä). Jos säteilyllä on yksi aallonpituus, sitä kutsutaan monokromaattiseksi. Useimmissa tapauksissa säteilylle on tunnusomaista useat aallonpituudet. Kun säteily hajotetaan monokromaattisiksi komponenteiksi, saadaan säteilyspektri, jossa sen yksittäiset komponentit ilmaistaan ​​spektriviivoilla.

Spekrejä, jotka saadaan säteilyllä vapaista tai heikosti sitoutuneista atomeista (esimerkiksi kaasuissa tai höyryissä), kutsutaan atomispektreiksi.

Kiinteiden aineiden tai nesteiden lähettämä säteily antaa aina jatkuvan spektrin. Kuumien kaasujen ja höyryjen lähettämä säteily, toisin kuin kiinteiden aineiden ja nesteiden säteily, sisältää vain tietyt aallonpituudet. Siksi jatkuvan nauhan sijasta näytöllä saadaan sarja erillisiä värillisiä viivoja, jotka erotetaan tummilla rakoilla. Näiden linjojen lukumäärä ja sijainti riippuvat kuuman kaasun tai höyryn luonteesta. Joten kaliumhöyry antaa - spektrin, joka koostuu kolmesta viivasta - kahdesta punaisesta ja yhdestä violetista; kalsiumhöyryjen spektrissä on useita punaisia, keltaisia ​​ja vihreitä viivoja jne.

Kiinteiden aineiden tai nesteiden lähettämä säteily antaa aina jatkuvan spektrin. Kuumien kaasujen ja höyryjen lähettämä säteily, toisin kuin kiinteiden aineiden ja nesteiden säteily, sisältää vain tietyt aallonpituudet. Siksi jatkuvan nauhan sijasta näytöllä saadaan sarja erillisiä värillisiä viivoja, jotka erotetaan tummilla rakoilla. Näiden linjojen lukumäärä ja sijainti riippuvat kuuman kaasun tai höyryn luonteesta. Joten kaliumhöyry antaa spektrin, joka koostuu kolmesta viivasta - kahdesta punaisesta ja yhdestä violetista; kalsiumhöyryjen spektrissä on useita punaisia, keltaisia ​​ja vihreitä viivoja jne.

Tällaisia ​​spektrejä kutsutaan viivaspektreiksi. Havaittiin, että kaasuatomien lähettämällä valolla on viivaspektri, jossa spektriviivat voidaan yhdistää sarjaan.

Jokaisessa sarjassa viivojen järjestely vastaa tiettyä kuviota. Yksittäisten juovien taajuudet voidaan kuvata Balmerin kaava:

Se tosiasia, että kunkin alkuaineen atomit antavat täysin spesifisen, vain tälle alkuaineelle ominaisen spektrin ja mitä suurempi on vastaavien spektrilinjojen intensiteetti, mitä suurempi elementin pitoisuus otetussa näytteessä on, käytetään laajalti laadullisen näytteen määrittämisessä. sekä aineiden ja materiaalien määrällinen koostumus. Tätä tutkimusmenetelmää kutsutaan spektrianalyysi.

Atomin rakenteen planeettamalli osoittautui kykenemättömäksi selittämään vetyatomien viivaemissiospektriä, ja vielä enemmän spektriviivojen yhdistelmää sarjassa. Ytimen ympärillä pyörivän elektronin on lähestyttävä ydintä jatkuvasti vaihtaen liikkeensä nopeutta. Sen lähettämän valon taajuus määräytyy sen pyörimistaajuuden mukaan, ja siksi sen on muututtava jatkuvasti. Tämä tarkoittaa, että atomin säteilyspektrin on oltava jatkuva, jatkuva. Tämän mallin mukaan atomin säteilytaajuuden tulee olla yhtä suuri kuin mekaaninen värähtelytaajuus tai olla sen kerrannainen, mikä on ristiriidassa Balmerin kaavan kanssa. Siten Rutherfordin teoria ei pystynyt selittämään stabiilien atomien olemassaoloa eikä niiden viivaspektrien olemassaoloa.

valon kvanttiteoria

Vuonna 1900 M. Plank osoitti, että kuumennetun kappaleen kyky lähettää säteilyä voidaan kuvata oikein kvantitatiivisesti vain olettaen, että kappaleet eivät emittoi ja absorboi säteilyenergiaa jatkuvasti, vaan diskreetti, ts. erillisissä osissa - kvantit. Samalla energiaa E jokainen tällainen osa liittyy säteilyn taajuuteen suhteella, jota kutsutaan Planckin yhtälöt:

Planck itse uskoi pitkään, että kvanttien valon emissio ja absorptio on säteilevien kappaleiden ominaisuus, ei itse säteilyn ominaisuus, jolla voi olla mitä tahansa energiaa ja siksi sitä voidaan absorboida jatkuvasti. Kuitenkin vuonna 1905 Einstein valosähköisen ilmiön ilmiötä analysoidessaan päätyi siihen tulokseen, että sähkömagneettista (säteily)energiaa on olemassa vain kvanttien muodossa ja että siksi säteily on jakamattomien materiaali"hiukkasten" (fotonien) virtaa, jonka energia on päättänyt Planckin yhtälö.

valosähköinen ilmiö Metallin elektronien emissiota siihen osuvan valon vaikutuksesta kutsutaan. Tätä ilmiötä tutkittiin yksityiskohtaisesti vuosina 1888-1890. A. G. Stoletov. Jos asetat asennuksen tyhjiöön ja levität levylle M negatiivinen potentiaali, silloin virtaa ei havaita piirissä, koska levyn ja verkon välisessä tilassa ei ole varautuneita hiukkasia, jotka voisivat kuljettaa sähkövirtaa. Mutta kun levyä valaistaan ​​valonlähteellä, galvanometri havaitsee virran (kutsutaan valovirraksi), jonka kantajia ovat valon metallista ulos vetämät elektronit.

Kävi ilmi, että valon intensiteetin muuttuessa vain metallin emittoimien elektronien lukumäärä muuttuu, ts. valovirran voimakkuus. Mutta kunkin metallista säteilevän elektronin suurin kineettinen energia ei riipu valaistuksen voimakkuudesta, vaan muuttuu vain, kun metalliin osuvan valon taajuus muuttuu. Juuri aallonpituuden kasvaessa (eli taajuuden pienentyessä) metallin emittoimien elektronien energia pienenee, ja sitten kullekin metallille määritetyllä aallonpituudella valosähköinen vaikutus katoaa eikä esiinny edes kovin korkea valon intensiteetti. Joten, kun natrium valaistaan ​​punaisella tai oranssilla valolla, se ei osoita valosähköistä vaikutusta ja alkaa lähettää elektroneja vain aallonpituudella alle 590 nm (keltainen valo); litiumissa valosähköinen vaikutus löytyy vielä lyhyemmillä aallonpituuksilla, alkaen 516 nm:stä (vihreä valo); ja elektronien poistaminen platinasta näkyvän valon vaikutuksesta ei tapahdu ollenkaan ja alkaa vasta kun platinaa säteilytetään ultraviolettisäteillä.

Nämä valosähköisen vaikutuksen ominaisuudet ovat täysin selittämättömiä klassisen valon aaltoteorian näkökulmasta, jonka mukaan vaikutus tulisi määrittää (tietylle metallille) vain metallipinnan absorboima energiamäärä aikayksikköä kohti, mutta ei saisi riippua metalliin kohdistuvan säteilyn tyypistä. Nämä samat ominaisuudet saavat kuitenkin yksinkertaisen ja vakuuttavan selityksen, jos oletetaan, että säteily koostuu erillisistä osista, fotoneista, joilla on hyvin määritelty energia.

Itse asiassa metallissa oleva elektroni on sitoutunut metallin atomeihin, joten sen vetämiseksi ulos on käytettävä tietty määrä energiaa. Jos fotonilla on tarvittava määrä energiaa (ja fotonin energia määräytyy säteilyn taajuuden mukaan), elektroni sinkoutuu ja valosähköistä vaikutusta havaitaan. Vuorovaikutuksessa metallin kanssa fotoni luovuttaa kokonaan energiansa elektronille, koska fotonia ei voida jakaa osiin. Fotonin energia kuluu osittain elektronin ja metallin välisen sidoksen katkaisemiseen ja osittain liikkeen kineettisen energian välittämiseen elektronille. Siksi metallista tyrmätyn elektronin suurin kineettinen energia ei voi olla suurempi kuin fotonienergian ja metalliatomien elektronin sitoutumisenergian välinen ero. Näin ollen, kun metallin pinnalle osuvien fotonien määrä aikayksikköä kohden kasvaa (eli valaistuksen voimakkuuden kasvaessa), vain metallista irtautuneiden elektronien määrä kasvaa, mikä johtaa valovoiman kasvuun. valovirta, mutta kunkin elektronin energia ei kasva. Jos fotonienergia on pienempi kuin vähimmäisenergia, joka vaaditaan elektronin ulostyöntämiseen, valosähköistä vaikutusta ei havaita millekään metalliin osuvien fotonien lukumäärälle, ts. millä tahansa valovoimakkuudella.

valon kvanttiteoria, kehitetty Einstein, pystyi selittämään valosähköisen vaikutuksen ominaisuuksien lisäksi myös valon kemiallisen toiminnan lakeja, kiinteiden aineiden lämpökapasiteetin lämpötilariippuvuutta ja monia muita ilmiöitä. Se osoittautui erittäin hyödylliseksi kehitettäessä ideoita atomien ja molekyylien rakenteesta.

Valon kvanttiteoriasta seuraa, että fotoni ei pysty hajoamaan: se on kokonaisuutena vuorovaikutuksessa metallielektronin kanssa, lyöen sen ulos levystä; kokonaisuutena se on myös vuorovaikutuksessa valokuvafilmin valoherkän aineen kanssa, jolloin se tummuu jossain kohdassa jne. Tässä mielessä fotoni käyttäytyy kuin hiukkanen, ts. osoittaa korpuskulaarisia ominaisuuksia. Fotonilla on kuitenkin myös aalto-ominaisuuksia: tämä ilmenee valon etenemisen aaltoluonteessa, fotonin kyvyssä häiritä ja diffraktiota. Fotoni eroaa hiukkasesta termin klassisessa merkityksessä siinä, että sen tarkkaa sijaintia avaruudessa, kuten minkä tahansa aallon tarkkaa sijaintia, ei voida määrittää. Mutta se eroaa myös "klassisesta" aallosta - kyvyttömyydestä jakaa osiin. Yhdistämällä korpuskulaariset ja aaltoominaisuudet fotoni ei ole tiukasti sanottuna hiukkanen eikä aalto - sillä on korpuskulaari-aalto-kaksoisisuus.

Ensimmäisen atomin rakenteen mallin ehdotti J. Thomson vuonna 1904, jonka mukaan atomi on positiivisesti varautunut pallo, johon on upotettu elektroneja. Epätäydellisyydestään huolimatta Thomson-malli mahdollisti valon emissio-, absorptio- ja sirontailmiöiden selittämisen atomien kautta sekä elektronien lukumäärän määrittämisen valoalkuaineiden atomeissa.

Riisi. 1. Atomi, Thomsonin mallin mukaan. Kimmovoimat pitävät elektroneja positiivisesti varautuneen pallon sisällä. Ne, jotka ovat pinnalla, voivat helposti "tyrmätä", jättäen ionisoidun atomin.

1. 2.2 Rutherford malli

Thomsonin mallin kumosi E. Rutherford (1911), joka osoitti, että atomin positiivinen varaus ja lähes koko massa on keskittynyt pieneen osaan sen tilavuudesta - ytimeen, jonka ympärillä elektronit liikkuvat (kuva 2).

Riisi. 2. Tämä atomin rakennemalli tunnetaan planetaarisena, koska elektronit kiertävät ytimen ympärillä kuten aurinkokunnan planeetat.

Klassisen sähködynamiikan lakien mukaan elektronin liike ympyrässä ytimen ympärillä on vakaa, jos Coulombin vetovoima on yhtä suuri kuin keskipakovoima. Kuitenkin sähkömagneettisen kentän teorian mukaan elektronien tulisi tässä tapauksessa liikkua spiraalina, jatkuvasti säteilemällä energiaa ja pudota ytimeen. Atomi on kuitenkin vakaa.

Lisäksi jatkuvalla energiasäteilyllä atomilla tulisi olla jatkuva, jatkuva spektri. Itse asiassa atomin spektri koostuu yksittäisistä juovista ja sarjoista.

Siten tämä malli on ristiriidassa sähködynamiikan lakien kanssa eikä selitä atomispektrin viivaluonnetta.

2.3. Bohrin malli

Vuonna 1913 N. Bohr ehdotti teoriaansa atomin rakenteesta kiistämättä täysin aiempia ideoita. Bohr perusti teoriansa kahteen postulaattiin.

Ensimmäinen postulaatti sanoo, että elektroni voi pyöriä ytimen ympäri vain tietyillä paikallaan olevilla kiertoradoilla. Niiden päällä se ei säteile tai absorboi energiaa (kuva 3).

Riisi. 3. Malli Bohr-atomin rakenteesta. Atomin tilan muutos elektronin siirtyessä kiertoradalta toiselle.

Kun liikkuu mitä tahansa paikallaan olevaa kiertorataa pitkin, elektronin (E 1, E 2 ...) energiansyöttö pysyy vakiona. Mitä lähempänä kiertorata on ydintä, sitä pienempi elektronin energiareservi Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . Elektronin energia kiertoradalla määräytyy yhtälöllä:

missä m on elektronin massa, h on Planckin vakio, n on 1, 2, 3… (n=1 1. kiertoradalla, n=2 2. kiertoradalla jne.).

Toinen postulaatti sanoo, että siirtyessään kiertoradalta toiselle elektroni absorboi tai vapauttaa kvantin (osan) energiaa.

Jos atomit altistuvat vaikutuksille (kuumeneminen, säteily jne.), niin elektroni voi absorboida energiakvantin ja siirtyä ytimestä kauempana olevalle kiertoradalle (kuva 3). Tässä tapauksessa puhutaan atomin virittyneestä tilasta. Elektronin käänteisen siirtymisen aikana (ydintä lähempänä olevalle kiertoradalle) energiaa vapautuu säteilyenergian kvantin - fotonin - muodossa. Spektrissä tämä on kiinnitetty tietyllä viivalla. Kaavan perusteella

,

missä λ on aallonpituus, n = kvanttiluvut, jotka kuvaavat lähi- ja kaukokiertoradat, Bohr laski aallonpituudet kaikille vetyatomin spektrin sarjoille. Saadut tulokset olivat yhdenmukaisia ​​kokeellisten tietojen kanssa. Epäjatkuvien viivaspektrien alkuperä tuli selväksi. Ne ovat seurausta atomien energiapäästöstä elektronien siirtyessä virittyneestä tilasta kiinteään. Elektronien siirtymät 1. kiertoradalle muodostavat ryhmän taajuuksia Lyman-sarjasta, 2. - Balmer-sarjasta, 3. Paschen-sarjasta (kuva 4, taulukko 1).

Riisi. 4. Elektronisten siirtymien ja vetyatomin spektriviivojen vastaavuus.

pöytä 1

Bohrin kaavan varmistus vetyspektrin sarjalle

Bohrin teoria ei kuitenkaan pystynyt selittämään viivojen jakaantumista monielektroniatomien spektrissä. Bohr lähti siitä tosiasiasta, että elektroni on hiukkanen, ja käytti hiukkasille ominaisia ​​lakeja kuvaamaan elektronia. Samaan aikaan kertyi tosiasioita, jotka osoittivat, että elektroni pystyy myös osoittamaan aalto-ominaisuuksia. Klassinen mekaniikka ei kyennyt selittämään mikroobjektien liikettä, joilla on samanaikaisesti materiaalihiukkasten ja aallon ominaisuuksia. Tämän ongelman ratkaisi kvanttimekaniikka - fysikaalinen teoria, joka tutkii hyvin pienimassaisten mikrohiukkasten yleisiä liike- ja vuorovaikutuslakeja (taulukko 2).

taulukko 2

Atomin muodostavien alkuainehiukkasten ominaisuudet

Luento: Atomin planeettamalli

Atomin rakenne

Tarkin tapa määrittää minkä tahansa aineen rakenne on spektrianalyysi. Alkuaineen jokaisen atomin säteily on yksinomaan yksilöllistä. Ennen kuin ymmärrämme, kuinka spektrianalyysi tapahtuu, selvitetään, mikä rakenne minkä tahansa alkuaineen atomilla on.

Ensimmäisen oletuksen atomin rakenteesta esitti J. Thomson. Tämä tiedemies on tutkinut atomeja pitkään. Lisäksi hän omistaa elektronin löydön - josta hän sai Nobel-palkinnon. Thomsonin ehdottamalla mallilla ei ollut mitään tekemistä todellisuuden kanssa, mutta se toimi riittävän vahvana kannustimena Rutherfordille tutkia atomin rakennetta. Thomsonin ehdottama malli oli nimeltään "rusinavanukas".

Thomson uskoi, että atomi on kiinteä pallo, jolla on negatiivinen sähkövaraus. Sen kompensoimiseksi pallossa on elektroneja, kuten rusinoita. Yhteenvetona voidaan todeta, että elektronien varaus on sama kuin koko ytimen varaus, mikä tekee atomista neutraalin.

Atomin rakenteen tutkimuksen aikana havaittiin, että kaikki kiinteiden aineiden atomit tekevät värähteleviä liikkeitä. Ja kuten tiedät, mikä tahansa liikkuva hiukkanen säteilee aaltoja. Siksi jokaisella atomilla on oma spektrinsä. Nämä lausunnot eivät kuitenkaan sopineet millään tavalla Thomsonin malliin.

Rutherfordin kokemus

Thomsonin mallin vahvistamiseksi tai kumoamiseksi Rutherford ehdotti koetta, joka johti jonkin alkuaineen atomin pommitukseen alfahiukkasilla. Tämän kokeen tuloksena oli tärkeää nähdä, kuinka hiukkanen käyttäytyisi.

Alfahiukkaset löydettiin radiumin radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Niiden virrat olivat alfasäteitä, joiden jokaisella hiukkasella oli positiivinen varaus. Lukuisten tutkimusten tuloksena todettiin, että alfahiukkanen on kuin heliumatomi, jossa ei ole elektroneja. Nykytiedon perusteella tiedämme, että alfahiukkanen on heliumin ydin, kun taas Rutherford uskoi, että nämä olivat heliumioneja.

Jokaisella alfahiukkasella oli valtavasti energiaa, minkä seurauksena se saattoi lentää kyseisiin atomeihin suurella nopeudella. Siksi kokeen päätuloksena oli määrittää hiukkasten taipumakulma.

Kokeessa Rutherford käytti ohutta kultafoliota. Hän ohjasi siihen nopeita alfahiukkasia. Hän oletti, että tämän kokeen seurauksena kaikki hiukkaset lentävät kalvon läpi ja pienin poikkeavin. Varmuuden saamiseksi hän kuitenkin neuvoi oppilaitaan tarkistamaan, oliko näissä hiukkasissa suuria poikkeamia.

Kokeen tulos yllätti ehdottomasti kaikki, koska monet hiukkaset eivät vain poikkeaneet riittävän suurella kulmalla - jotkut taipumakulmat saavuttivat yli 90 astetta.

Nämä tulokset yllättivät ehdottomasti kaikki, Rutherford sanoi, että tuntui siltä, ​​että ammusten reitille olisi asetettu paperinpala, joka ei antanut alfahiukkasen tunkeutua sisään, minkä seurauksena se kääntyi takaisin.

Jos atomi olisi todella kiinteä, siinä pitäisi olla sähkökenttä, joka hidasti hiukkasta. Kentän vahvuus ei kuitenkaan riittänyt pysäyttämään häntä kokonaan, puhumattakaan työntämään häntä takaisin. Tämä tarkoittaa, että Thomsonin malli kumottiin. Joten Rutherford alkoi työstää uutta mallia.

Rutherfordin malli

Tämän kokeen tuloksen saamiseksi on tarpeen keskittää positiivinen varaus pienempään määrään, mikä johtaa suurempaan sähkökenttään. Kenttäpotentiaalikaavan avulla voit määrittää tarvittavan koon positiiviselle hiukkaselle, joka voisi hylätä alfahiukkasen vastakkaiseen suuntaan. Sen säteen tulee olla suurinta 10-15 m. Siksi Rutherford ehdotti atomin planeettamallia.

Tämä malli on nimetty sellaiseksi syystä. Tosiasia on, että atomin sisällä on positiivisesti varautunut ydin, joka on samanlainen kuin aurinko aurinkokunnassa. Elektronit kiertävät ytimen ympärillä kuten planeetat. Aurinkokunta on järjestetty siten, että planeetat vetäytyvät Aurinkoon gravitaatiovoimien avulla, mutta ne eivät putoa Auringon pinnalle käytettävissä olevan nopeuden seurauksena, joka pitää ne kiertoradalla. Sama tapahtuu elektronien kanssa - Coulombin voimat houkuttelevat elektroneja ytimeen, mutta pyörimisen vuoksi ne eivät putoa ytimen pinnalle.

Yksi Thomsonin oletus osoittautui täysin oikeaksi - elektronien kokonaisvaraus vastaa ytimen varausta. Voimakkaan vuorovaikutuksen seurauksena elektronit voivat kuitenkin syrjäytyä radaltaan, minkä seurauksena varaus ei kompensoidu ja atomi muuttuu positiivisesti varautuneeksi ioniksi.

Erittäin tärkeä tieto atomin rakenteesta on, että lähes kaikki atomin massa on keskittynyt ytimeen. Esimerkiksi vetyatomissa on vain yksi elektroni, jonka massa on yli puolitoista tuhatta kertaa pienempi kuin ytimen massa.