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 pystyi lentää kyseisten atomien kohdalle 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 tielle 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.

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

Tämä malli on nimetty niin 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.

E. Rutherford ehdotti atomin planeettamallia vuonna 1910. Hän teki ensimmäiset tutkimukset atomin rakenteesta alfahiukkasten avulla. Niiden sirontakokeissa saatujen tulosten perusteella Rutherford ehdotti, että atomin kaikki positiivinen varaus on keskittynyt pieneen ytimeen sen keskellä. Toisaalta negatiivisesti varautuneet elektronit ovat jakautuneet koko sen tilavuuteen.

Vähän taustaa

Ensimmäisen loistavan arvauksen atomien olemassaolosta teki antiikin kreikkalainen tiedemies Demokritos. Siitä lähtien ajatus atomien olemassaolosta, joiden yhdistelmät antavat kaikki ympärillämme olevat aineet, ei ole jättänyt tiedemiesten mielikuvitusta. Ajoittain sen eri edustajat kääntyivät sen puoleen, mutta 1800-luvun alkuun asti heidän rakenteet olivat vain hypoteeseja, joita ei tuettu kokeellisilla tiedoilla.

Lopulta vuonna 1804, yli sata vuotta ennen atomin planeettamallin ilmestymistä, englantilainen tiedemies John Dalton esitti todisteita sen olemassaolosta ja esitteli atomipainon käsitteen, joka oli sen ensimmäinen kvantitatiivinen ominaisuus. Edeltäjänsä tavoin hän kuvitteli atomit pienimmiksi ainekappaleiksi, kuten kiinteiksi palloiksi, joita ei voitu jakaa vielä pienemmiksi hiukkasiksi.

Elektronin löytö ja atomin ensimmäinen malli

Kului melkein vuosisata, kun vihdoin 1800-luvun lopussa myös englantilainen J. J. Thomson löysi ensimmäisen subatomisen hiukkasen, negatiivisesti varautuneen elektronin. Koska atomit ovat sähköisesti neutraaleja, Thomson ajatteli, että niiden täytyy koostua positiivisesti varautuneesta ytimestä, jonka tilavuudessa on hajallaan elektroneja. Erilaisten kokeellisten tulosten perusteella hän ehdotti vuonna 1898 malliaan atomista, jota joskus kutsutaan nimellä "luumut vanukas", koska siinä oleva atomi esitettiin pallona, ​​joka oli täytetty jollakin positiivisesti varautuneella nesteellä, johon oli upotettu elektroneja, kuten " luumuja vanukkaan. Tällaisen pallomaisen mallin säde oli noin 10 -8 cm Nesteen positiivinen kokonaisvaraus tasapainotetaan symmetrisesti ja tasaisesti elektronien negatiivisilla varauksilla, kuten alla olevasta kuvasta näkyy.

Tämä malli selitti tyydyttävästi sen tosiasian, että kun ainetta kuumennetaan, se alkaa säteillä valoa. Vaikka tämä oli ensimmäinen yritys ymmärtää, mitä atomi on, se ei tyydyttänyt myöhemmin Rutherfordin ja muiden suorittamien kokeiden tuloksia. Thomson myönsi vuonna 1911, että hänen mallinsa ei yksinkertaisesti pystynyt vastaamaan, kuinka ja miksi kokeissa havaittu α-säteiden sironta tapahtuu. Siksi se hylättiin, ja se korvattiin täydellisemmällä atomin planeettamallilla.

Miten atomi muuten on järjestetty?

Ernest Rutherford selitti hänelle Nobel-palkinnon saaneen radioaktiivisuuden ilmiön, mutta hänen merkittävin panoksensa tieteeseen tuli myöhemmin, kun hän totesi, että atomi koostuu tiheästä ytimestä, jota ympäröivät elektronien kiertoradat, aivan kuten aurinkoa ympäröi. planeettojen kiertoradalla.

Atomin planeettamallin mukaan suurin osa sen massasta on keskittynyt pieneen (koko atomin kokoon verrattuna) ytimeen. Elektronit liikkuvat ytimen ympäri ja kulkevat uskomattomilla nopeuksilla, mutta suurin osa atomien tilavuudesta on tyhjää tilaa.

Ytimen koko on niin pieni, että sen halkaisija on 100 000 kertaa pienempi kuin atomin halkaisija. Rutherford arvioi ytimen halkaisijaksi 10 -13 cm, toisin kuin atomin kooksi - 10-8 cm. Ytimen ulkopuolella elektronit pyörivät sen ympärillä suurilla nopeuksilla, jolloin syntyy keskipakovoimia, jotka tasapainottavat sähköstaattisia voimia protonien ja elektronien välisestä vetovoimasta.

Rutherfordin kokeet

Atomin planeettamalli syntyi vuonna 1911 kuuluisan kultafoliokokeen jälkeen, joka mahdollisti perustietojen saamisen sen rakenteesta. Rutherfordin polku atomiytimen löytämiseen on hyvä esimerkki luovuuden roolista tieteessä. Hänen etsintönsä alkoi jo vuonna 1899, kun hän havaitsi, että tietyt alkuaineet lähettävät positiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka voivat tunkeutua mihin tahansa. Hän kutsui näitä hiukkasia alfa (α) -hiukkasiksi (nyt tiedämme, että ne olivat heliumytimiä). Kuten kaikki hyvät tiedemiehet, Rutherford oli utelias. Hän pohti, voitaisiinko alfahiukkasten avulla selvittää atomin rakenne. Rutherford päätti kohdistaa alfahiukkassäteen erittäin ohutta kultakalvoa kohti. Hän valitsi kullan, koska se voi tuottaa jopa 0,00004 cm ohuita levyjä. Kultafoliolevyn taakse hän asetti näytön, joka hehkui, kun alfahiukkaset osuivat siihen. Sitä käytettiin alfa-hiukkasten havaitsemiseen sen jälkeen, kun ne olivat kulkeneet kalvon läpi. Pieni rako näytössä salli alfahiukkassäteen saavuttaa kalvon lähteestä poistumisen jälkeen. Osa niistä on läpäistävä kalvon läpi ja jatkettava liikkumista samaan suuntaan, kun taas toisen osan täytyy pomppia irti kalvosta ja heijastua terävistä kulmista. Voit nähdä kokeen kaavion alla olevasta kuvasta.

Mitä tapahtui Rutherfordin kokeessa?

J. J. Thomsonin atomimallin perusteella Rutherford oletti, että positiivisen varauksen kiinteät alueet, jotka täyttävät koko kulta-atomien tilavuuden, poikkeaisivat tai taipuisivat kaikkien alfahiukkasten liikeradat kulkiessaan kalvon läpi.

Suurin osa alfahiukkasista kuitenkin kulki suoraan kultakalvon läpi ikään kuin sitä ei olisi ollut siellä. He näyttivät kulkevan tyhjän tilan läpi. Vain harvat heistä poikkeavat suoralta polulta, kuten alussa oletettiin. Alla on käyrä vastaavaan suuntaan sironneiden hiukkasten lukumäärästä sirontakulman funktiona.

Yllättäen pieni prosenttiosuus hiukkasista pomppasi takaisin kalvosta, kuin koripallo pomppii takalaudalta. Rutherford ymmärsi, että nämä poikkeamat olivat seurausta suorasta törmäyksestä alfahiukkasten ja atomin positiivisesti varautuneiden komponenttien välillä.

Ydin on keskipisteessä

Kalvosta heijastuneiden alfahiukkasten merkityksettömän prosenttiosuuden perusteella voidaan päätellä, että kaikki positiivinen varaus ja lähes koko atomin massa on keskittynyt yhdelle pienelle alueelle, ja loput atomista on enimmäkseen tyhjää tilaa. Rutherford kutsui keskittyneen positiivisen varauksen aluetta ytimeksi. Hän ennusti ja huomasi pian, että se sisälsi positiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka hän antoi protoneiksi. Rutherford ennusti neutraalien atomihiukkasten, joita kutsutaan neutroneiksi, olemassaolon, mutta hän ei onnistunut havaitsemaan niitä. Hänen oppilaansa James Chadwick löysi ne kuitenkin muutamaa vuotta myöhemmin. Alla oleva kuva esittää uraaniatomin ytimen rakennetta.

Atomit koostuvat positiivisesti varautuneista raskaista ytimistä, joita ympäröivät negatiivisesti varautuneet äärimmäisen kevyet hiukkaset-elektronit, jotka pyörivät niiden ympärillä ja sellaisilla nopeuksilla, että mekaaniset keskipakovoimat yksinkertaisesti tasapainottavat sähköstaattista vetovoimaansa ytimeen, ja tässä yhteydessä atomin stabiilisuus väitetään taattua.

Tämän mallin haitat

Rutherfordin pääidea liittyi ajatukseen pienestä atomiytimestä. Oletus elektronien kiertoradoista oli puhdasta olettamusta. Hän ei tiennyt tarkalleen missä ja miten elektronit kiertävät ytimen ympärillä. Siksi Rutherfordin planeettamalli ei selitä elektronien jakautumista kiertoradalla.

Lisäksi Rutherford-atomin stabiilius oli mahdollista vain elektronien jatkuvalla liikkeellä kiertoradalla ilman kineettisen energian menetystä. Mutta sähködynaamiset laskelmat ovat osoittaneet, että elektronien liikkumiseen mitä tahansa kaarevia lentoratoja pitkin, johon liittyy nopeusvektorin suunnan muutos ja vastaavan kiihtyvyyden ilmaantuminen, liittyy väistämättä sähkömagneettisen energian emissio. Tässä tapauksessa energian säilymislain mukaan elektronin kineettinen energia on kulutettava hyvin nopeasti säteilyyn, ja sen on pudottava ytimeen, kuten alla olevassa kuvassa on kaaviomaisesti esitetty.

Mutta näin ei tapahdu, koska atomit ovat pysyviä muodostelmia. Ilmiön mallin ja kokeellisen tiedon välillä syntyi tyypillinen tieteellinen ristiriita.

Rutherfordista Niels Bohriin

Seuraava suuri askel eteenpäin atomin historiassa tuli vuonna 1913, kun tanskalainen tiedemies Niels Bohr julkaisi kuvauksen yksityiskohtaisemmasta atomin mallista. Hän määritti selvemmin paikat, joissa elektronit voisivat olla. Vaikka myöhemmät tiedemiehet kehittivätkin kehittyneempiä atomimalleja, Bohrin planeettamalli atomista oli pohjimmiltaan oikea, ja suuri osa siitä hyväksytään edelleen. Sillä oli monia hyödyllisiä sovelluksia, esimerkiksi sitä käytetään selittämään eri kemiallisten alkuaineiden ominaisuuksia, niiden säteilyspektrin luonnetta ja atomin rakennetta. Planetaarimalli ja Bohrin malli olivat tärkeimmät virstanpylväät, jotka merkitsivät uuden suunnan syntymistä fysiikassa - mikromaailman fysiikassa. Bohr sai fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1922 hänen panoksestaan ​​atomin rakenteen ymmärtämisessä.

Mitä uutta Bohr toi atomimalliin?

Nuorena miehenä Bohr työskenteli Rutherfordin laboratoriossa Englannissa. Koska elektronien käsite oli huonosti kehittynyt Rutherfordin mallissa, Bohr keskittyi niihin. Tämän seurauksena atomin planeettamalli parani merkittävästi. Bohrin postulaatit, jotka hän muotoili vuonna 1913 julkaistussa artikkelissaan "Atomien ja molekyylien rakenteesta", kuuluivat:

1. Elektronit voivat liikkua ytimessä vain tietyillä etäisyyksillä siitä, mikä määräytyy niiden energiamäärän mukaan. Hän kutsui näitä kiinteitä tasoja energiatasoiksi tai elektronikuoriksi. Bohr kuvitteli ne samankeskisiksi palloiksi, joiden keskellä oli ydin. Tässä tapauksessa elektronit, joilla on pienempi energia, löytyvät alemmilla tasoilla, lähempänä ydintä. Ne, joilla on enemmän energiaa, löytyy korkeammalta tasolta, kauempana ytimestä.

2. Jos elektroni absorboi jonkin verran (tietylle tasolle melko varmasti) energiaa, se hyppää seuraavalle, korkeammalle energiatasolle. Toisaalta, jos hän menettää saman määrän energiaa, hän palaa takaisin alkuperäiselle tasolleen. Elektroni ei kuitenkaan voi olla kahdella energiatasolla.

Tätä ajatusta havainnollistaa kuva.

Energiaosuudet elektroneille

Bohr-atomimalli on itse asiassa yhdistelmä kahdesta eri ideasta: Rutherfordin atomimalli, jossa elektronit pyörivät ytimen ympärillä (olennaisesti Bohr-Rutherfordin planeettamalli atomista), ja Max Planckin idea aineen energian kvantisoimisesta, julkaistu vuonna 1901. Kvantti (monikko - kvantti) on vähimmäismäärä energiaa, jonka aine voi absorboida tai lähettää. Se on eräänlainen energiamäärän diskretointivaihe.

Jos energiaa verrataan veteen ja haluat lisätä sen aineeseen lasin muodossa, et voi vain kaataa vettä jatkuvana virtana. Sen sijaan voit lisätä sitä pieniä määriä, kuten teelusikallisen. Bohr uskoi, että jos elektronit voivat absorboida tai menettää vain tiettyjä määriä energiaa, niiden tulisi muuttaa energiaansa vain näiden kiinteiden määrien verran. Siten ne voivat miehittää vain kiinteitä energiatasoja ytimen ympärillä, jotka vastaavat niiden energian kvantisoituja lisäyksiä.

Joten Bohrin mallista kasvaa kvanttilähestymistapa selittääkseen, mikä atomin rakenne on. Planetaarimalli ja Bohrin malli olivat eräänlaisia ​​askeleita klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan, joka on mikromaailman fysiikan päätyökalu, mukaan lukien atomifysiikka.

Niistä tuli tärkeä askel fysiikan kehityksessä. Rutherfordin mallilla oli suuri merkitys. Atomia järjestelmänä ja sen muodostavia hiukkasia on tutkittu tarkemmin ja yksityiskohtaisemmin. Tämä johti sellaisen tieteen kuin ydinfysiikan menestykselliseen kehittämiseen.

Muinaiset ajatukset aineen rakenteesta

Oletus, että ympäröivät kappaleet koostuvat pienimmistä hiukkasista, tehtiin muinaisina aikoina. Tuon ajan ajattelijat edustivat atomia minkä tahansa aineen pienimpänä ja jakamattomana hiukkasena. He väittivät, ettei maailmankaikkeudessa ole mitään pienempää kuin atomi. Tällaisia ​​näkemyksiä olivat suuret antiikin kreikkalaiset tiedemiehet ja filosofit - Demokritos, Lucretius, Epikuros. Näiden ajattelijoiden hypoteesit yhdistetään nykyään nimellä "muinainen atomismi".

Keskiaikaisia ​​esityksiä

Antiikin ajat ovat kuluneet, ja keskiajalla oli myös tiedemiehiä, jotka tekivät erilaisia ​​​​oletuksia aineiden rakenteesta. Kuitenkin uskonnollisten filosofisten näkemysten valta-asema ja kirkon voima tuona historian ajanjaksona tyrmäsivät kaikki ihmismielen yritykset ja pyrkimykset materialistisiin tieteellisiin päätelmiin ja löytöihin. Kuten tiedät, keskiaikainen inkvisitio käyttäytyi erittäin epäystävällisesti tuon ajan tieteellisen maailman edustajien kanssa. On vielä sanottava, että silloisilla valoisilla mielillä oli antiikista peräisin oleva käsitys atomin jakamattomuudesta.

Tutkimus 1700- ja 1800-luvuilla

1700-luvulla tehtiin vakavia löytöjä aineen perusrakenteen alalla. Suurin osa tutkijoiden, kuten Antoine Lavoisierin, Mihail Lomonosovin ja toisistaan ​​riippumatta, ponnistelujen ansiosta he pystyivät todistamaan, että atomit todella ovat olemassa. Mutta kysymys heidän sisäisestä rakenteestaan ​​jäi avoimeksi. 1700-luvun loppua leimasi niin merkittävä tapahtuma tieteellisessä maailmassa kuin D. I. Mendelejevin jaksollisen kemiallisten alkuaineiden järjestelmän löytäminen. Tämä oli todella voimakas läpimurto tuolta ajalta ja nosti verhon sen ymmärryksen yli, että kaikilla atomeilla on yksi luonne, että ne liittyvät toisiinsa. Myöhemmin, 1800-luvulla, toinen tärkeä askel kohti atomin rakenteen purkamista oli todiste siitä, että mikä tahansa niistä sisältää elektronin. Tämän ajanjakson tutkijoiden työ valmisteli hedelmällistä maaperää 1900-luvun löydöille.

Thomson kokeilee

Englantilainen fyysikko John Thomson osoitti vuonna 1897, että atomien koostumus sisältää elektroneja, joilla on negatiivinen varaus. Tässä vaiheessa väärät käsitykset siitä, että atomi on minkä tahansa aineen jaotettavuuden raja, tuhoutuivat lopulta. Miten Thomson onnistui todistamaan elektronien olemassaolon? Kokeissaan tiedemies asetti elektrodeja erittäin harvinaisiin kaasuihin ja läpäisi sähkövirran. Tuloksena oli katodisäteitä. Thomson tutki huolellisesti niiden ominaisuuksia ja havaitsi, että ne ovat varautuneiden hiukkasten virta, joka liikkuu suurella nopeudella. Tiedemies pystyi laskemaan näiden hiukkasten massan ja niiden varauksen. Hän havaitsi myös, että niitä ei voida muuttaa neutraaleiksi hiukkasiksi, koska sähkövaraus on niiden luonteen perusta. Samoin oli Thomson ja maailman ensimmäisen atomin rakennemallin luoja. Hänen mukaansa atomi on joukko positiivisesti varautuneita aineita, joissa negatiivisesti varautuneet elektronit ovat jakautuneet tasaisesti. Tämä rakenne selittää atomien yleisen neutraalisuuden, koska vastakkaiset varaukset tasapainottavat toisiaan. John Thomsonin kokeista tuli korvaamattomia atomin rakenteen jatkotutkimuksessa. Monet kysymykset jäivät kuitenkin vastaamatta.

Rutherfordin tutkimus

Thomson löysi elektronien olemassaolon, mutta hän ei löytänyt positiivisesti varautuneita hiukkasia atomista. korjasi tämän väärinkäsityksen vuonna 1911. Kokeiden aikana tutkiessaan alfahiukkasten aktiivisuutta kaasuissa hän havaitsi, että atomissa on positiivisesti varautuneita hiukkasia. Rutherford näki, että kun säteet kulkevat kaasun tai ohuen metallilevyn läpi, pieni määrä hiukkasia poikkeaa jyrkästi liikeradalta. Ne kirjaimellisesti heitettiin takaisin. Tiedemies arvasi, että tämä käyttäytyminen johtuu törmäyksestä positiivisesti varautuneiden hiukkasten kanssa. Tällaisten kokeiden ansiosta fyysikko pystyi luomaan Rutherfordin mallin atomin rakenteesta.

planeettamalli

Nyt tiedemiehen ideat poikkesivat jonkin verran John Thomsonin oletuksista. Niiden atomimalleista tuli myös erilaisia. antoi hänelle mahdollisuuden luoda täysin uuden teorian tällä alalla. Tiedemiehen löydöillä oli ratkaiseva merkitys fysiikan jatkokehityksen kannalta. Rutherfordin malli kuvaa atomia keskellä sijaitsevana ytimenä ja sen ympärillä liikkuvana elektronina. Ytimellä on positiivinen varaus ja elektroneilla negatiivinen varaus. Rutherfordin atomimalli olettaa elektronien pyörimisen ytimen ympäri tiettyjä lentoratoja pitkin. Tiedemiehen löytö auttoi selittämään alfahiukkasten poikkeaman syyn ja siitä tuli sysäys atomin ydinteorian kehittämiselle. Rutherfordin atomimallissa on analogia aurinkokunnan planeettojen liikkeen kanssa auringon ympäri. Tämä on erittäin tarkka ja elävä vertailu. Siksi Rutherfordin mallia, jossa atomi liikkuu ytimen ympäri kiertoradalla, kutsuttiin planetaariseksi.

Niels Bohrin teoksia

Kaksi vuotta myöhemmin tanskalainen fyysikko Niels Bohr yritti yhdistää ajatuksia atomin rakenteesta valovirran kvanttiominaisuuksiin. Tiedemies asetti Rutherfordin atomin ydinmallin uuden teoriansa perustaksi. Bohrin mukaan atomit pyörivät ytimen ympärillä ympyräradalla. Tällainen liikerata johtaa elektronien kiihtyvyyteen. Lisäksi näiden hiukkasten Coulombin vuorovaikutukseen atomin keskustan kanssa liittyy energian muodostuminen ja kulutus elektronien liikkeestä johtuvan avaruudellisen sähkömagneettisen kentän ylläpitämiseksi. Tällaisissa olosuhteissa negatiivisesti varautuneiden hiukkasten täytyy jonakin päivänä pudota ytimeen. Mutta näin ei tapahdu, mikä osoittaa atomien suurempaa stabiilisuutta järjestelminä. Niels Bohr ymmärsi, että Maxwellin yhtälöillä kuvatut klassisen termodynamiikan lait eivät toimi atominsisäisissä olosuhteissa. Siksi tiedemies asetti itselleen tehtävän johtaa uusia malleja, jotka olisivat päteviä alkuainehiukkasten maailmassa.

Bohrin postulaatit

Suurelta osin johtuen siitä, että Rutherfordin malli oli olemassa, atomi ja sen komponentit olivat hyvin tutkittuja, Niels Bohr pystyi lähestymään postulaattiensa luomista. Ensimmäinen niistä sanoo, että atomilla on, jossa se ei muuta energiaansa, kun taas elektronit liikkuvat kiertoradalla muuttamatta lentorataa. Toisen postulaatin mukaan elektronin liikkuessa kiertoradalta toiselle energiaa vapautuu tai absorboituu. Se on yhtä suuri kuin atomin edellisen ja seuraavan tilan energioiden välinen ero. Tässä tapauksessa, jos elektroni hyppää kiertoradalle lähemmäs ydintä, tapahtuu säteilyä ja päinvastoin. Huolimatta siitä, että elektronien liike muistuttaa vähän tiukasti ympyrässä sijaitsevaa rataa, Bohrin löytö tarjosi erinomaisen selityksen viivaspektrin olemassaololle. Noin samaan aikaan Saksassa asuneet fyysikot Hertz ja Frank vahvisti Niels Bohrin teorian paikallaan olevien, vakaiden atomin tilojen olemassaolosta ja mahdollisuudesta muuttaa atomienergian arvoja.

Kahden tiedemiehen yhteistyö

Muuten, Rutherford ei voinut määrittää pitkään aikaan. Tutkijat Marsden ja Geiger yrittivät tarkistaa Ernest Rutherfordin lausunnot ja tulivat yksityiskohtaisten ja perusteellisten kokeiden ja laskelmien tuloksena siihen tulokseen, että ydin on atomin tärkein ominaisuus, ja kaikki sen varaus on keskittynyt siihen. Myöhemmin todistettiin, että ytimen varauksen arvo on numeerisesti yhtä suuri kuin elementin järjestysluku D. I. Mendelejevin jaksollisessa elementtijärjestelmässä. Mielenkiintoista on, että Niels Bohr tapasi pian Rutherfordin ja yhtyi täysin hänen näkemyksiinsä. Myöhemmin tutkijat työskentelivät yhdessä pitkään samassa laboratoriossa. Rutherfordin malli, atomi varautuneista alkuainehiukkasista koostuvana järjestelmänä – kaiken tämän Niels Bohr piti oikeudenmukaisena ja jätti elektronisen mallinsa syrjään ikuisiksi ajoiksi. Tiedemiesten yhteinen tieteellinen toiminta oli erittäin onnistunutta ja kantoi hedelmää. Jokainen heistä syventyi alkuainehiukkasten ominaisuuksien tutkimukseen ja teki merkittäviä löytöjä tieteelle. Myöhemmin Rutherford löysi ja osoitti ydinhajoamisen mahdollisuuden, mutta tämä on toisen artikkelin aihe.

Atomin planeettamalli

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

Atomin planeettamalli, tai Rutherford 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 sirotettiin odottamattoman suuri määrä alfahiukkasia suuriin kulmiin, mikä osoitti, että sirontakeskus oli kooltaan 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 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 niiden pitäisi klassisen sähködynamiikan lakien mukaan 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, italialainen 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 (muusta kreikkalaisesta ... 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.…

Ajatus siitä, että atomit ovat aineen pienimpiä hiukkasia, syntyi ensimmäisen kerran muinaisessa Kreikassa. Kuitenkin vasta 1700-luvun lopussa A. Lavoisierin, M. V. Lomonosovin ja joidenkin muiden tutkijoiden työn ansiosta osoitettiin, että atomit todella ovat olemassa. Kuitenkin niinä päivinä kukaan ei ihmetellyt, mikä heidän sisäinen rakenne oli. Tiedemiehet pitivät atomeja edelleen jakamattomina "tiileinä", jotka muodostavat kaiken aineen.

Yrittää selittää atomin rakennetta

Kuka ehdotti ydinmallia ensinnäkin tiedemiehet? Ensimmäinen yritys luoda malli näistä hiukkasista kuului J. Thomsonille. Sitä ei kuitenkaan voida kutsua onnistuneeksi sanan täydessä merkityksessä. Loppujen lopuksi Thomson uskoi, että atomi on pallomainen ja sähköisesti neutraali järjestelmä. Samanaikaisesti tiedemies oletti, että positiivinen varaus jakautuu tasaisesti tämän pallon tilavuuteen, ja sen sisällä on negatiivisesti varautunut ydin. Kaikki tutkijan yritykset selittää atomin sisäistä rakennetta epäonnistuivat. Ernest Rutherford on se, joka ehdotti atomin rakenteen ydinmallia muutama vuosi sen jälkeen, kun Thomson esitti teoriansa.

Tutkimushistoria

Vuonna 1833 tehdyn elektrolyysitutkimuksen avulla Faraday pystyi osoittamaan, että elektrolyyttiliuoksessa oleva virta on varautuneiden hiukkasten tai ionien virtaa. Näiden tutkimusten perusteella hän pystyi määrittämään ionin vähimmäisvarauksen. Myös kotimainen kemisti D. I. Mendeleev oli tärkeä rooli tämän fysiikan suunnan kehittämisessä. Hän esitti ensimmäisen kerran tieteellisissä piireissä kysymyksen, että kaikilla atomeilla voi olla sama luonne. Näemme, että ennen kuin Rutherfordin ydinmalli atomin rakenteesta ehdotettiin ensimmäistä kertaa, monet tutkijat suorittivat useita yhtä tärkeitä kokeita. He kehittivät atomistista teoriaa aineen rakenteesta eteenpäin.

Ensimmäiset kokemukset

Rutherford on todella loistava tiedemies, koska hänen löytönsä käänsivät ajatuksen aineen rakenteesta ylösalaisin. Vuonna 1911 hän pystyi järjestämään kokeen, jolla tutkijat pystyivät tutkimaan atomin salaperäisiä syvyyksiä saadakseen käsityksen sen sisäisestä rakenteesta. Ensimmäiset kokeet suoritti tiedemies muiden tutkijoiden tuella, mutta päärooli löydössä kuului edelleen Rutherfordille.

Koe

Käyttämällä luonnollisia radioaktiivisen säteilyn lähteitä Rutherford pystyi rakentamaan tykin, joka säteili alfahiukkasia. Se oli lyijystä valmistettu laatikko, jonka sisällä oli radioaktiivista ainetta. Tykissä oli rako, jonka läpi kaikki alfahiukkaset osuivat lyijysuulakkeeseen. Ne saattoivat lentää ulos vain aukon kautta. Tämän radioaktiivisten hiukkasten säteen tiellä oli useita muita näyttöjä.

Ne erottivat hiukkaset, jotka poikkesivat aiemmin asetetusta suunnasta. Tarkkaan kohdistettu maali osui maaliin. Rutherford käytti maalitauluna ohutta kultafoliota. Kun hiukkaset osuivat tähän levyyn, ne jatkoivat liikettä ja osuivat lopulta fluoresoivaan näyttöön, joka oli asennettu tämän kohteen taakse. Kun alfahiukkaset osuivat tälle näytölle, tallennettiin välähdyksiä, joiden avulla tiedemies saattoi arvioida, kuinka monta hiukkasta poikkeaa alkuperäisestä suunnasta törmätessään kalvoon ja mikä on tämän poikkeaman suuruus.

Erot aikaisempiin kokemuksiin

Koululaisten ja opiskelijoiden, jotka ovat kiinnostuneita atomin rakenteen ydinmallin ehdottajista, tulisi tietää, että samanlaisia ​​kokeita tehtiin fysiikassa ennen Rutherfordia. Heidän pääideana oli kerätä mahdollisimman paljon tietoa atomin rakenteesta hiukkasten poikkeamista alkuperäisestä liikeradalta. Kaikki nämä tutkimukset johtivat tietyn määrän tietoa kerääntymiseen tieteessä, provosoivat pohdintaa pienimpien hiukkasten sisäisestä rakenteesta.

Jo 1900-luvun alussa tiedemiehet tiesivät, että atomi sisältää elektroneja, joilla on negatiivinen varaus. Mutta useimpien tutkijoiden keskuudessa vallitseva mielipide oli, että atomi sisältä on enemmän kuin verkko, joka on täynnä negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Tällaiset kokeet mahdollistivat paljon informaation saamisen - esimerkiksi atomien geometristen mittojen määrittämiseksi.

nero arvaus

Rutherford huomasi, että yksikään hänen edeltäjistään ei ollut koskaan yrittänyt määrittää, voisivatko alfahiukkaset poiketa erittäin suurissa kulmissa niiden liikeradalta. Vanha malli, jota tiedemiehet joskus kutsuttiin "rusinavanukkaksi" (koska tämän mallin mukaan atomissa olevat elektronit jakautuvat kuten rusinat vanukkaassa), ei yksinkertaisesti sallinut tiheiden rakenneosien olemassaoloa atomin sisällä. Kukaan tutkijoista ei edes vaivautunut harkitsemaan tätä vaihtoehtoa. Tutkija pyysi opiskelijaansa varustamaan laitteiston uudelleen siten, että myös suuret hiukkasten poikkeamat lentoradalta kirjattiin - vain sulkeakseen pois tällaisen mahdollisuuden. Kuvittele sekä tiedemiehen että hänen oppilaansa yllätys, kun kävi ilmi, että jotkut hiukkaset lentävät erilleen 180 asteen kulmassa.

Mitä atomin sisällä on?

Saimme tietää, kuka ehdotti atomin rakenteen ydinmallia ja mikä oli tämän tiedemiehen kokemus. Tuolloin Rutherfordin kokeilu oli todellinen läpimurto. Hän joutui päättelemään, että atomin sisällä suurin osa massasta on suljettu erittäin tiheään aineeseen. Atomin rakenteen ydinmallin kaavio on erittäin yksinkertainen: sisällä on positiivisesti varautunut ydin.

Muut hiukkaset, joita kutsutaan elektroneiksi, kiertävät tämän ytimen ympärillä. Loput ovat useita suuruusluokkaa vähemmän tiheitä. Elektronien järjestely atomin sisällä ei ole kaoottista - hiukkaset on järjestetty kasvavan energian järjestykseen. Tutkija kutsui atomien sisäisiä osia ytimiksi. Nimet, jotka tiedemies esitteli, ovat edelleen käytössä tieteessä.

Kuinka valmistautua oppitunnille?

Ne koululaiset, jotka ovat kiinnostuneita atomin rakenteen ydinmallin ehdottajista, voivat esitellä lisätietoa tunnilla. Voit esimerkiksi kertoa, kuinka Rutherford piti kauan kokeidensa jälkeen vertailla löytöään. Etelä-Afrikan maahan salakuljetetaan kapinallisille aseita, jotka on suljettu puuvillapaaleihin. Kuinka tulliviranomaiset voivat määrittää tarkalleen missä vaaralliset tarvikkeet ovat, jos koko juna on täynnä näitä paaleja? Tullivirkailija voi alkaa ampua paaleja, ja missä luodit kimppaavat, ja siellä on ase. Rutherford korosti, että näin hänen löytönsä tehtiin.

Opiskelijoiden, jotka valmistautuvat vastaamaan tästä aiheesta oppitunnilla, on suositeltavaa valmistaa vastaukset seuraaviin kysymyksiin:

1. Kuka ehdotti atomin rakenteen ydinmallia?

2. Mikä oli kokeen tarkoitus?

3. Ydinmallin ero muista malleista.

Rutherfordin teorian merkitys

Radikaalit johtopäätökset, jotka Rutherford teki kokeistaan, saivat monet hänen aikalaisistaan ​​epäilemään tämän mallin pätevyyttä. Jopa Rutherford itse ei ollut poikkeus - hän julkaisi tutkimuksensa tulokset vasta kaksi vuotta löydön jälkeen. Ottaen perustaksi klassiset ajatukset siitä, miten mikrohiukkaset liikkuvat, hän ehdotti ydinplanetaarista mallia atomin rakenteesta. Yleensä atomilla on neutraali varaus. Elektronit liikkuvat ytimen ympärillä, aivan kuten planeetat kiertävät aurinkoa. Tämä liike johtuu Coulombin voimista. Tällä hetkellä Rutherfordin mallia on paranneltu merkittävästi, mutta tiedemiehen löytö ei menetä merkitystään tänään.