ელექტრონების მასა რამდენიმე ათასჯერ ნაკლებია ატომების მასაზე. ვინაიდან ატომი მთლიანობაში ნეიტრალურია, შესაბამისად, ატომის უმეტესი ნაწილი ეცემა მის დადებითად დამუხტულ ნაწილზე.

დადებითი მუხტის განაწილების და, შესაბამისად, ატომის შიგნით მასის ექსპერიმენტული კვლევისთვის, რეზერფორდმა 1906 წელს შესთავაზა ატომის გამოკვლევის გამოყენება. α - ნაწილაკები. ეს ნაწილაკები წარმოიქმნება რადიუმის და ზოგიერთი სხვა ელემენტის დაშლისგან. მათი მასა დაახლოებით 8000-ჯერ აღემატება ელექტრონის მასას და დადებითი მუხტი მოდულით უდრის ელექტრონის მუხტის ორჯერ. ეს სხვა არაფერია თუ არა სრულად იონიზირებული ჰელიუმის ატომები. სიჩქარე α - ნაწილაკები ძალიან დიდია: სინათლის სიჩქარის 1/15-ია.

ამ ნაწილაკებით რეზერფორდმა დაბომბა მძიმე ელემენტების ატომები. ელექტრონები, მცირე მასის გამო, შესამჩნევად ვერ ცვლიან ტრაექტორიას α - ნაწილაკები, როგორც რამდენიმე ათეული გრამიანი კენჭი მანქანასთან შეჯახებისას, შესამჩნევად ვერ შეცვლიან მის სიჩქარეს. გაფანტვა (მოძრაობის მიმართულების შეცვლა) α -ნაწილაკებს შეუძლიათ გამოიწვიონ ატომის მხოლოდ დადებითად დამუხტული ნაწილი. ამრიგად, გაფანტვით α -ნაწილაკებს შეუძლიათ განსაზღვრონ ატომის შიგნით დადებითი მუხტისა და მასის განაწილების ბუნება.

რადიოაქტიური პრეპარატი, როგორიცაა რადიუმი, მოთავსდა ტყვიის 1 ცილინდრის შიგნით, რომლის გასწვრივ იყო გაბურღული ვიწრო არხი. შეკვრა α -არხიდან ნაწილაკები დაეცა შესასწავლი მასალის თხელ ფოლგა 2-ზე (ოქრო, სპილენძი და ა.შ.). გაფანტვის შემდეგ α -ნაწილაკები დაეცა თუთიის სულფიდით დაფარულ გამჭვირვალე ეკრანზე 3. თითოეული ნაწილაკების ეკრანთან შეჯახებას თან ახლდა სინათლის ციმციმი (სცინილაცია), რომლის დაკვირვებაც შეიძლებოდა მიკროსკოპით 4. მთელი აპარატი მოთავსებული იყო ჭურჭელში, საიდანაც ჰაერის ევაკუაცია მოხდა.

მოწყობილობის შიგნით კარგი ვაკუუმით, ფოლგის არარსებობის შემთხვევაში, ეკრანზე გამოჩნდა ნათელი წრე, რომელიც შედგებოდა წვრილი სხივით გამოწვეული ცინცილაციებისგან. α - ნაწილაკები. მაგრამ როცა სხივის გზაზე ფოლგა მოათავსეს, α - გაფანტვის გამო ნაწილაკები ეკრანზე უფრო დიდი ფართობის წრეში იყო განაწილებული. ექსპერიმენტული წყობის შეცვლით, რეზერფორდი ცდილობდა გადახრის აღმოჩენას α - ნაწილაკები დიდი კუთხით. სრულიად მოულოდნელად აღმოჩნდა, რომ მცირე რაოდენობა α -ნაწილაკები (დაახლოებით ორი ათასიდან ერთი) გადახრილია 90°-ზე მეტი კუთხით. მოგვიანებით, რეზერფორდმა აღიარა, რომ თავის სტუდენტებს შესთავაზა ექსპერიმენტი გაფანტვის დასაკვირვებლად α -ნაწილაკები დიდი კუთხით, თვითონაც არ სჯეროდა დადებითი შედეგის. "ეს თითქმის ისეთივე წარმოუდგენელია", - თქვა რეზერფორდმა, "თითქოს 15 დიუმიანი ჭურვი ესროლე თხელ ქაღალდს და ჭურვი შენთან დაბრუნდა და მოხვდა." მართლაც, შეუძლებელი იყო ამ შედეგის პროგნოზირება ტომსონის მოდელის საფუძველზე. როდესაც ნაწილდება მთელ ატომში, დადებითი მუხტი არ შეუძლია შექმნას საკმარისად ინტენსიური ელექტრული ველი, რომელსაც შეუძლია უკან გადააგდოს a-ნაწილაკი. მაქსიმალური მოგერიების ძალა განისაზღვრება კულონის კანონით:

სადაც q α - მუხტი α -ნაწილაკები; q არის ატომის დადებითი მუხტი; r არის მისი რადიუსი; k - პროპორციულობის კოეფიციენტი. ერთნაირად დამუხტული ბურთის ელექტრული ველის სიძლიერე მაქსიმალურია ბურთის ზედაპირზე და ნულამდე მცირდება, როცა ის ცენტრს უახლოვდება. ამიტომ, რაც უფრო მცირეა r რადიუსი, მით უფრო დიდია ამაღელვებელი ძალა α - ნაწილაკები.

ატომის ბირთვის ზომის განსაზღვრა. ამას მიხვდა რეზერფორდი α - ნაწილაკის უკან გადაგდება შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ატომის დადებითი მუხტი და მისი მასა კონცენტრირებულია სივრცის ძალიან მცირე რეგიონში. ასე რომ, რეზერფორდს გაუჩნდა ატომის ბირთვის იდეა - მცირე ზომის სხეული, რომელშიც კონცენტრირებულია ატომის თითქმის მთელი მასა და მთელი დადებითი მუხტი.

ატომის პლანეტარული მოდელი, ან რეზერფორდის მოდელი, - ატომის სტრუქტურის ისტორიული მოდელი, რომელიც შემოგვთავაზა ერნესტ რეზერფორდმა ალფა ნაწილაკების გაფანტვის ექსპერიმენტის შედეგად. ამ მოდელის მიხედვით, ატომი შედგება პატარა დადებითად დამუხტული ბირთვისგან, რომელშიც კონცენტრირებულია ატომის თითქმის მთელი მასა, რომლის ირგვლივ მოძრაობენ ელექტრონები, ისევე როგორც პლანეტები მოძრაობენ მზის გარშემო. ატომის პლანეტარული მოდელი შეესაბამება თანამედროვე იდეებს ატომის სტრუქტურის შესახებ, იმის გათვალისწინებით, რომ ელექტრონების მოძრაობა კვანტური ხასიათისაა და არ არის აღწერილი კლასიკური მექანიკის კანონებით. ისტორიულად, რეზერფორდის პლანეტარული მოდელი შეცვალა ჯოზეფ ჯონ ტომსონის „ქლიავის პუდინგის მოდელი“, რომელიც ამტკიცებს, რომ უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები მოთავსებულია დადებითად დამუხტული ატომის შიგნით.

პირველი ინფორმაცია კომპლექსის შესახებ ატომის სტრუქტურამიღებული იქნა სითხეებში ელექტრული დენის გავლის პროცესების შესწავლისას. XIX საუკუნის ოცდაათიან წლებში. გამოჩენილი ფიზიკოსის მ.ფარადეის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ელექტროენერგია არსებობს ცალკეული ერთეული მუხტების სახით.

ზოგიერთი ელემენტის ატომების სპონტანური დაშლის აღმოჩენა, რომელსაც რადიოაქტიურობა ეწოდება, იყო ატომის სტრუქტურის სირთულის პირდაპირი მტკიცებულება. 1902 წელს ინგლისელმა მეცნიერებმა ერნესტ რეზერფორდმა და ფრედერიკ სოდიმ დაამტკიცეს, რომ რადიოაქტიური დაშლის დროს ურანის ატომი გადაიქცევა ორ ატომად - თორიუმის ატომად და ჰელიუმის ატომად. ეს ნიშნავს, რომ ატომები არ არის უცვლელი, ურღვევი ნაწილაკები.

რეზერფორდის ატომის მოდელი

ალფა ნაწილაკების ვიწრო სხივის მატერიის თხელ ფენებში გავლის გამოკვლევისას, რეზერფორდმა აღმოაჩინა, რომ ალფა ნაწილაკების უმეტესობა გადის ლითონის კილიტაში, რომელიც შედგება ატომების ათასობით ფენისგან, თავდაპირველი მიმართულებიდან გადახრის გარეშე, გაფანტვის გარეშე, თითქოს არანაირი დაბრკოლება მათ გზაზე, არანაირი დაბრკოლება. თუმცა, ზოგიერთი ნაწილაკი გადახრილი იყო დიდი კუთხით, დიდი ძალების მოქმედების გამო.

ექსპერიმენტების შედეგებზე დაყრდნობით მატერიაში ალფა ნაწილაკების გაფანტვაზე დაკვირვება რეზერფორდმა შემოგვთავაზა ატომის სტრუქტურის პლანეტარული მოდელი.ამ მოდელის მიხედვით ატომის სტრუქტურა მზის სისტემის აგებულების მსგავსია.თითოეული ატომის ცენტრში არის დადებითად დამუხტული ბირთვირადიუსით ≈ 10 -10 მ, პლანეტების მსგავსად, ცირკულირებენ უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები.თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია ატომის ბირთვში. ალფა ნაწილაკებს შეუძლიათ გაიარონ ატომების ათასობით ფენა გაფანტვის გარეშე, რადგან ატომების შიგნით სივრცის უმეტესი ნაწილი ცარიელია და მსუბუქ ელექტრონებთან შეჯახება თითქმის არ მოქმედებს მძიმე ალფა ნაწილაკების მოძრაობაზე. ალფა ნაწილაკების გაფანტვა ხდება ატომის ბირთვებთან შეჯახებისას.

რეზერფორდის ატომის მოდელმა ვერ ახსნა ატომების ყველა თვისება.

კლასიკური ფიზიკის კანონების მიხედვით, ატომი, რომელიც შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისა და ელექტრონებისაგან წრიულ ორბიტაზე, უნდა ასხივებდეს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. ელექტრომაგნიტური ტალღების გამოსხივებამ უნდა გამოიწვიოს ბირთვულ-ელექტრონულ სისტემაში პოტენციური ენერგიის შემცირება, ელექტრონული ორბიტის რადიუსის თანდათანობითი შემცირება და ელექტრონის ბირთვზე დაცემა. თუმცა, ატომები ჩვეულებრივ არ ასხივებენ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს, ელექტრონები არ ეცემა ატომის ბირთვებზე, ანუ ატომები სტაბილურია.

N. Bohr-ის კვანტური პოსტულატები

ატომების სტაბილურობის ასახსნელად ნილს ბორიშესთავაზა უარი თქვას ჩვეულებრივ კლასიკურ იდეებსა და კანონებზე ატომების თვისებების ახსნისას.

ატომების ძირითადი თვისებები იღებენ თანმიმდევრულ თვისებრივ ახსნას მიღებიდან გამომდინარე N. Bohr-ის კვანტური პოსტულატები.

1. ელექტრონი ტრიალებს ბირთვის გარშემო მხოლოდ მკაცრად განსაზღვრულ (სტაციონალურ) წრიულ ორბიტებში.

2. ატომური სისტემა შეიძლება იყოს მხოლოდ გარკვეულ სტაციონარულ ან კვანტურ მდგომარეობაში, რომელთაგან თითოეული შეესაბამება გარკვეულ ენერგიას E. ატომი არ ასხივებს ენერგიას სტაციონარულ მდგომარეობაში.

ატომის სტაციონარული მდგომარეობაენერგიის მინიმალური რაოდენობით ე.წ მთავარი სახელმწიფო, ყველა სხვა სახელმწიფოს ეძახიან აღგზნებული (კვანტური) მდგომარეობები.ატომი შეიძლება იყოს საფუძველში უსასრულოდ დიდი ხნის განმავლობაში, ატომის სიცოცხლე აღგზნებულ მდგომარეობაში გრძელდება 10 -9 -10 -7 წამი.

3. ენერგიის გამოსხივება ან შთანთქმა ხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ატომი გადადის ერთი სტაციონარული მდგომარეობიდან მეორეში. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების კვანტის ენერგია სტაციონარული მდგომარეობიდან ენერგიით გადასვლისას ე მენერგეტიკულ მდგომარეობაში E nუდრის განსხვავებას ატომის ენერგიას შორის ორ კვანტურ მდგომარეობაში:

∆E = E m – E n = hv,

სადაც ვარის რადიაციის სიხშირე, თ\u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10 -34 J ∙ s.

ატომის სტრუქტურის კვანტური მოდელი

მომავალში ნ.ბორის თეორიის ზოგიერთი დებულება დაემატა და გადაიფიქრა. ყველაზე მნიშვნელოვანი ცვლილება იყო ელექტრონული ღრუბლის კონცეფციის შემოღება, რომელმაც შეცვალა ელექტრონის ცნება მხოლოდ ნაწილაკად. მოგვიანებით, ბორის თეორია შეიცვალა კვანტური თეორიით, რომელიც ითვალისწინებს ელექტრონის და სხვა ელემენტარული ნაწილაკების ტალღურ თვისებებს, რომლებიც ქმნიან ატომს.

საფუძველი ატომის სტრუქტურის თანამედროვე თეორიაარის პლანეტარული მოდელი, დამატებული და გაუმჯობესებული. ამ თეორიის მიხედვით, ატომის ბირთვი შედგება პროტონებისგან (დადებითად დამუხტული ნაწილაკები) და ნეირონებისგან (დამუხტული ნაწილაკები). ხოლო ბირთვის ირგვლივ ელექტრონები (უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები) მოძრაობენ განუსაზღვრელი ტრაექტორიების გასწვრივ.

გაქვთ რაიმე შეკითხვები? გსურთ გაიგოთ მეტი ატომური სტრუქტურის მოდელების შესახებ?
დამრიგებლის დახმარების მისაღებად - დარეგისტრირდით.
პირველი გაკვეთილი უფასოა!

საიტი, მასალის სრული ან ნაწილობრივი კოპირებით, საჭიროა წყაროს ბმული.

ატომის პლანეტარული მოდელი შემოგვთავაზა ე.რეზერფორდმა 1910 წელს. ატომის სტრუქტურის პირველი კვლევები მან ალფა ნაწილაკების დახმარებით გააკეთა. მათი გაფანტვის შესახებ ექსპერიმენტებში მიღებულ შედეგებზე დაყრდნობით, რეზერფორდმა თქვა, რომ ატომის მთელი დადებითი მუხტი კონცენტრირებულია მის ცენტრში არსებულ პაწაწინა ბირთვში. მეორეს მხრივ, უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები ნაწილდება მის დანარჩენ მოცულობაში.

ცოტა ფონი

პირველი ბრწყინვალე ვარაუდი ატომების არსებობის შესახებ ძველმა ბერძენმა მეცნიერმა დემოკრიტემ გააკეთა. მას შემდეგ ატომების არსებობის იდეა, რომელთა კომბინაციები იძლევა ჩვენს ირგვლივ არსებულ ყველა ნივთიერებას, არ დატოვებს მეცნიერების წარმოსახვას. დროდადრო მას მიმართავდნენ მისი სხვადასხვა წარმომადგენლები, მაგრამ მე-19 საუკუნის დასაწყისამდე მათი კონსტრუქციები მხოლოდ ჰიპოთეზები იყო, ექსპერიმენტული მონაცემებით არ მხარდაჭერილი.

დაბოლოს, 1804 წელს, ატომის პლანეტარული მოდელის გამოჩენამდე ას წელზე მეტი ხნის წინ, ინგლისელმა მეცნიერმა ჯონ დალტონმა წარმოადგინა მტკიცებულება მისი არსებობის შესახებ და შემოიღო ატომური წონის კონცეფცია, რომელიც იყო მისი პირველი რაოდენობრივი მახასიათებელი. მისი წინამორბედების მსგავსად, ის წარმოიდგენდა ატომებს მატერიის უმცირეს ნაჭრებად, როგორც მყარი ბურთულები, რომლებიც არ შეიძლება დაიყოს კიდევ უფრო პატარა ნაწილაკებად.

ელექტრონის აღმოჩენა და ატომის პირველი მოდელი

თითქმის საუკუნე გავიდა, როდესაც საბოლოოდ, მე-19 საუკუნის ბოლოს, ასევე ინგლისელმა J. J. Thomson-მა აღმოაჩინა პირველი სუბატომური ნაწილაკი, უარყოფითად დამუხტული ელექტრონი. ვინაიდან ატომები ელექტრულად ნეიტრალურია, ტომსონს მიაჩნდა, რომ ისინი უნდა შედგებოდეს დადებითად დამუხტული ბირთვისგან, ელექტრონებით გაბნეული მთელ მოცულობაში. სხვადასხვა ექსპერიმენტულ შედეგებზე დაყრდნობით, 1898 წელს მან შემოგვთავაზა ატომის თავისი მოდელი, რომელსაც ზოგჯერ უწოდებენ "ქლიავი პუდინგში", რადგან მასში არსებული ატომი წარმოდგენილი იყო, როგორც სფერო, რომელიც სავსე იყო რაღაც დადებითად დამუხტული სითხით, რომელშიც ელექტრონები იყო ჩასმული, როგორც " ქლიავი პუდინგში. ასეთი სფერული მოდელის რადიუსი იყო დაახლოებით 10 -8 სმ. სითხის მთლიანი დადებითი მუხტი სიმეტრიულად და ერთნაირად დაბალანსებულია ელექტრონების უარყოფითი მუხტებით, როგორც ეს ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე.

ეს მოდელი დამაკმაყოფილებლად ხსნიდა იმ ფაქტს, რომ როდესაც ნივთიერება თბება, ის იწყებს სინათლის გამოყოფას. მიუხედავად იმისა, რომ ეს იყო პირველი მცდელობა გაეგო რა არის ატომ, მან ვერ დააკმაყოფილა ექსპერიმენტების შედეგები, რომლებიც მოგვიანებით ჩატარდა რეზერფორდისა და სხვების მიერ. 1911 წელს ტომსონი დათანხმდა, რომ მისმა მოდელმა უბრალოდ ვერ უპასუხა, თუ როგორ და რატომ ხდება α-სხივების გაფანტვა ექსპერიმენტებში დაფიქსირებული. ამიტომ, იგი მიატოვეს და იგი შეცვალა ატომის უფრო სრულყოფილი პლანეტარული მოდელით.

მაინც როგორ არის მოწყობილი ატომი?

ერნესტ რეზერფორდმა ახსნა რადიოაქტიურობის ფენომენის შესახებ, რამაც მას ნობელის პრემია მოუტანა, მაგრამ მისი ყველაზე მნიშვნელოვანი წვლილი მეცნიერებაში მოგვიანებით მოხდა, როდესაც დაადგინა, რომ ატომი შედგება მკვრივი ბირთვისგან, რომელიც გარშემორტყმულია ელექტრონების ორბიტებით, ისევე როგორც მზეს აკრავს. პლანეტების ორბიტების მიხედვით.

ატომის პლანეტარული მოდელის მიხედვით, მისი მასის უმეტესი ნაწილი კონცენტრირებულია პატარა (მთელი ატომის ზომასთან შედარებით) ბირთვში. ელექტრონები მოძრაობენ ბირთვის გარშემო, მოძრაობენ წარმოუდგენელი სიჩქარით, მაგრამ ატომების მოცულობის უმეტესი ნაწილი ცარიელი სივრცეა.

ბირთვის ზომა იმდენად მცირეა, რომ მისი დიამეტრი 100000-ჯერ მცირეა ატომის დიამეტრზე. ბირთვის დიამეტრი რეზერფორდმა შეაფასა 10 -13 სმ, განსხვავებით ატომის ზომისგან - 10 -8 სმ. ბირთვის გარეთ ელექტრონები ბრუნავენ მის ირგვლივ დიდი სიჩქარით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ცენტრიდანული ძალები, რომლებიც აბალანსებს ელექტროსტატიკური ძალებს. მიზიდულობა პროტონებსა და ელექტრონებს შორის.

რეზერფორდის ექსპერიმენტები

ატომის პლანეტარული მოდელი წარმოიშვა 1911 წელს, ოქროს ფოლგის ცნობილი ექსპერიმენტის შემდეგ, რამაც შესაძლებელი გახადა მისი სტრუქტურის შესახებ გარკვეული ფუნდამენტური ინფორმაციის მიღება. რეზერფორდის გზა ატომის ბირთვის აღმოჩენისკენ არის მეცნიერებაში შემოქმედების როლის კარგი მაგალითი. მისი ძებნა ჯერ კიდევ 1899 წელს დაიწყო, როდესაც აღმოაჩინა, რომ გარკვეული ელემენტები ასხივებენ დადებითად დამუხტულ ნაწილაკებს, რომლებსაც შეუძლიათ შეაღწიონ ყველაფერში. მან ამ ნაწილაკებს ალფა (α) ნაწილაკები უწოდა (ახლა ვიცით, რომ ისინი ჰელიუმის ბირთვები იყვნენ). როგორც ყველა კარგი მეცნიერი, რეზერფორდი ცნობისმოყვარე იყო. მას აინტერესებდა, შეიძლებოდა თუ არა ალფა ნაწილაკების გამოყენება ატომის სტრუქტურის გასარკვევად. რეზერფორდმა გადაწყვიტა ალფა ნაწილაკების სხივი დაემიზნა ძალიან თხელი ოქროს ფოლგის ფურცელზე. მან აირჩია ოქრო, რადგან მას შეუძლია შექმნას 0,00004 სმ-ის სისქის ფურცლები. ოქროს ფოლგის უკან მან მოათავსა ეკრანი, რომელიც ანათებდა, როდესაც მას ალფა ნაწილაკები ხვდებოდა. მას იყენებდნენ ალფა ნაწილაკების აღმოსაჩენად მას შემდეგ, რაც ისინი ფოლგაში გაივლიდნენ. ეკრანის მცირე ჭრილმა საშუალება მისცა ალფა ნაწილაკების სხივს წყაროდან გამოსვლის შემდეგ მიაღწიოს ფოლგას. ზოგიერთმა მათგანმა უნდა გაიაროს ფოლგა და გააგრძელოს მოძრაობა იმავე მიმართულებით, მეორე ნაწილი კი ფოლგას უნდა გადმოხტუნდეს და მკვეთრი კუთხით აირეკლოს. ექსპერიმენტის სქემა შეგიძლიათ იხილოთ ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში.

რა მოხდა რეზერფორდის ექსპერიმენტში?

ჯ.ჯ. ტომსონის ატომის მოდელზე დაყრდნობით, რეზერფორდმა ივარაუდა, რომ დადებითი მუხტის მყარი უბნები, რომლებიც ავსებენ ოქროს ატომების მთელ მოცულობას, გადაუხვევდნენ ან ახვევდნენ ყველა ალფა ნაწილაკების ტრაექტორიებს, როდესაც ისინი გაივლიან ფოლგაში.

თუმცა, ალფა ნაწილაკების აბსოლუტურმა უმრავლესობამ ზუსტად ოქროს ფოლგაში გაიარა, თითქოს ის იქ არ იყო. ისინი თითქოს ცარიელ სივრცეში გადიოდნენ. მხოლოდ რამდენიმე უხდება სწორ გზას, როგორც თავიდანვე ვარაუდობდნენ. ქვემოთ მოცემულია ნაწილაკების რაოდენობის დიაგრამა, რომლებიც გაბნეულია შესაბამისი მიმართულებით გაფანტვის კუთხით.

გასაკვირია, რომ ნაწილაკების მცირე პროცენტი უკან დაბრუნდა ფოლგადან, ისევე როგორც კალათბურთის ბურთი, რომელიც გადმოხტა დაფიდან. რეზერფორდი მიხვდა, რომ ეს გადახრები ალფა ნაწილაკებსა და ატომის დადებითად დამუხტულ კომპონენტებს შორის პირდაპირი შეჯახების შედეგი იყო.

ბირთვი იკავებს ცენტრში

ფოლგადან ასახული ალფა ნაწილაკების უმნიშვნელო პროცენტიდან გამომდინარე, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ ატომის მთელი დადებითი მუხტი და თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია ერთ პატარა არეალში, ხოლო ატომის დანარჩენი ნაწილი ძირითადად ცარიელი სივრცეა. რეზერფორდმა კონცენტრირებული დადებითი მუხტის არეალს ბირთვი უწოდა. მან იწინასწარმეტყველა და მალევე აღმოაჩინა, რომ ის შეიცავს დადებითად დამუხტულ ნაწილაკებს, რომლებსაც პროტონები უწოდა. რეზერფორდმა იწინასწარმეტყველა ნეიტრალური ატომური ნაწილაკების არსებობა, რომელსაც ნეიტრონები ეწოდება, მაგრამ მან ვერ შეძლო მათი აღმოჩენა. თუმცა, მისმა სტუდენტმა ჯეიმს ჩადვიკმა აღმოაჩინა ისინი რამდენიმე წლის შემდეგ. ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს ურანის ატომის ბირთვის სტრუქტურას.

ატომები შედგება დადებითად დამუხტული მძიმე ბირთვებისგან, რომლებიც გარშემორტყმულია უარყოფითად დამუხტული უკიდურესად მსუბუქი ნაწილაკებით-ელექტრონებით, რომლებიც ბრუნავს მათ ირგვლივ და ისეთი სიჩქარით, რომ მექანიკური ცენტრიდანული ძალები უბრალოდ აბალანსებს მათ ელექტროსტატიკური მიზიდულობას ბირთვისკენ და ამ მხრივ, სავარაუდოდ, ატომის სტაბილურობა უზრუნველყოფილია.

ამ მოდელის უარყოფითი მხარეები

რეზერფორდის მთავარი იდეა დაკავშირებული იყო მცირე ატომური ბირთვის იდეასთან. ვარაუდი ელექტრონების ორბიტების შესახებ სუფთა ვარაუდი იყო. მან ზუსტად არ იცოდა სად და როგორ ბრუნავენ ელექტრონები ბირთვის გარშემო. ამიტომ, რეზერფორდის პლანეტარული მოდელი არ ხსნის ელექტრონების განაწილებას ორბიტებზე.

გარდა ამისა, რეზერფორდის ატომის სტაბილურობა შესაძლებელი იყო მხოლოდ ორბიტებზე ელექტრონების უწყვეტი მოძრაობით კინეტიკური ენერგიის დაკარგვის გარეშე. მაგრამ ელექტროდინამიკურმა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ელექტრონების მოძრაობა ნებისმიერი მრუდი ტრაექტორიის გასწვრივ, რომელსაც თან ახლავს სიჩქარის ვექტორის მიმართულების ცვლილება და შესაბამისი აჩქარების გამოჩენა, აუცილებლად თან ახლავს ელექტრომაგნიტური ენერგიის გამოსხივებას. ამ შემთხვევაში, ენერგიის შენარჩუნების კანონის მიხედვით, ელექტრონის კინეტიკური ენერგია ძალიან სწრაფად უნდა დაიხარჯოს რადიაციაზე და ის უნდა დაეცეს ბირთვს, როგორც სქემატურად არის ნაჩვენები ქვემოთ მოცემულ სურათზე.

მაგრამ ეს არ ხდება, რადგან ატომები სტაბილური წარმონაქმნებია. ტიპიური სამეცნიერო წინააღმდეგობა წარმოიშვა ფენომენის მოდელსა და ექსპერიმენტულ მონაცემებს შორის.

რეზერფორდიდან ნილს ბორამდე

შემდეგი მნიშვნელოვანი წინსვლა ატომის ისტორიაში მოხდა 1913 წელს, როდესაც დანიელმა მეცნიერმა ნილს ბორმა გამოაქვეყნა ატომის უფრო დეტალური მოდელის აღწერა. მან უფრო ნათლად განსაზღვრა ის ადგილები, სადაც ელექტრონები შეიძლება იყვნენ. მიუხედავად იმისა, რომ მოგვიანებით მეცნიერებმა შეიმუშავეს უფრო დახვეწილი ატომური დიზაინი, ბორის ატომის პლანეტარული მოდელი ძირითადად სწორი იყო და მისი დიდი ნაწილი დღესაც არის მიღებული. მას ბევრი სასარგებლო გამოყენება ჰქონდა, მაგალითად, მისი დახმარებით ხსნიან სხვადასხვა ქიმიური ელემენტების თვისებებს, მათი გამოსხივების სპექტრის ბუნებას და ატომის სტრუქტურას. პლანეტარული მოდელი და ბორის მოდელი იყო ყველაზე მნიშვნელოვანი ეტაპები, რომლებმაც აღნიშნეს ფიზიკაში ახალი მიმართულების - მიკროსამყაროს ფიზიკის გაჩენა. ბორმა მიიღო 1922 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში ატომის სტრუქტურის გაგებაში შეტანილი წვლილისთვის.

რა სიახლე მოუტანა ბორმა ატომის მოდელს?

ჯერ კიდევ ახალგაზრდობისას ბორი მუშაობდა რეზერფორდის ლაბორატორიაში ინგლისში. ვინაიდან ელექტრონების კონცეფცია ცუდად იყო განვითარებული რეზერფორდის მოდელში, ბორმა მათზე გაამახვილა ყურადღება. შედეგად, მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა ატომის პლანეტარული მოდელი. ბორის პოსტულატები, რომლებიც მან ჩამოაყალიბა 1913 წელს გამოქვეყნებულ სტატიაში "ატომებისა და მოლეკულების სტრუქტურის შესახებ", ნათქვამია:

1. ელექტრონებს შეუძლიათ ბირთვის ირგვლივ მოძრაობა მხოლოდ მისგან ფიქსირებულ დისტანციებზე, რაც მათ აქვთ ენერგიის ოდენობით განსაზღვრული. მან ამ ფიქსირებულ დონეებს ენერგიის დონეები ან ელექტრონული გარსი უწოდა. ბორმა ისინი წარმოიდგინა, როგორც კონცენტრული სფეროები, თითოეულის ცენტრში ბირთვით. ამ შემთხვევაში, უფრო დაბალი ენერგიის მქონე ელექტრონები აღმოჩნდებიან ქვედა დონეზე, უფრო ახლოს ბირთვთან. ისინი, ვისაც მეტი ენერგია აქვთ, უფრო მაღალ დონეზე იქნებიან, უფრო შორს ბირთვიდან.

2. თუ ელექტრონი შთანთქავს ენერგიის გარკვეულ (საკმაოდ გარკვეულ დონეს) რაოდენობას, მაშინ ის გადახტება შემდეგ, უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე. პირიქით, თუ ის დაკარგავს იგივე რაოდენობის ენერგიას, ის დაუბრუნდება თავდაპირველ დონეს. თუმცა, ელექტრონი არ შეიძლება არსებობდეს ორ ენერგეტიკულ დონეზე.

ეს იდეა ილუსტრირებულია ფიგურით.

ენერგიის ნაწილები ელექტრონებისთვის

ატომის ბორის მოდელი რეალურად არის ორი განსხვავებული იდეის კომბინაცია: რეზერფორდის ატომური მოდელი ბირთვის გარშემო მოძრავი ელექტრონებით (ძირითადად ატომის პლანეტარული ბორ-რაზერფორდის მოდელი) და მაქს პლანკის იდეა მატერიის ენერგიის კვანტიზაციის შესახებ. გამოქვეყნდა 1901 წელს. კვანტი (მრავლობითი - კვანტა) არის ენერგიის მინიმალური რაოდენობა, რომელიც შეიძლება შეიწოვოს ან გამოუშვას ნივთიერებით. ეს არის ერთგვარი დისკრეტიზაციის ნაბიჯი ენერგიის მოცულობისთვის.

თუ ენერგიას შევადარებთ წყალს და გსურთ მისი დამატება მატერიაში ჭიქის სახით, თქვენ არ შეგიძლიათ უბრალოდ დაასხით წყალი უწყვეტ ნაკადში. ამის ნაცვლად, შეგიძლიათ დაამატოთ ის მცირე რაოდენობით, როგორც ჩაის კოვზი. ბორს სჯეროდა, რომ თუ ელექტრონებს შეუძლიათ მხოლოდ ენერგიის ფიქსირებული რაოდენობის შთანთქმა ან დაკარგვა, მაშინ ისინი მხოლოდ ამ ფიქსირებული რაოდენობით უნდა შეცვალონ თავიანთი ენერგია. ამრიგად, მათ შეუძლიათ დაიკავონ მხოლოდ ფიქსირებული ენერგეტიკული დონეები ბირთვის ირგვლივ, რაც შეესაბამება მათი ენერგიის კვანტიზებულ ზრდას.

ასე რომ, ბორის მოდელიდან იზრდება კვანტური მიდგომა ატომის სტრუქტურის ასახსნელად. პლანეტარული მოდელი და ბორის მოდელი იყო ერთგვარი ნაბიჯი კლასიკური ფიზიკიდან კვანტურ ფიზიკამდე, რომელიც არის მთავარი ინსტრუმენტი მიკროსამყაროს ფიზიკაში, მათ შორის ატომურ ფიზიკაში.

ლექცია: ატომის პლანეტარული მოდელი

ატომის სტრუქტურა

ნებისმიერი ნივთიერების სტრუქტურის დასადგენად ყველაზე ზუსტი გზაა სპექტრული ანალიზი. ელემენტის თითოეული ატომის გამოსხივება ექსკლუზიურად ინდივიდუალურია. თუმცა, სანამ გავიგებთ, თუ როგორ ხდება სპექტრული ანალიზი, მოდით გავარკვიოთ, რა სტრუქტურა აქვს რომელიმე ელემენტის ატომს.

პირველი ვარაუდი ატომის აგებულების შესახებ წარმოადგინა ჯ.ტომსონმა. ეს მეცნიერი დიდი ხნის განმავლობაში სწავლობდა ატომებს. უფრო მეტიც, სწორედ მას ეკუთვნის ელექტრონის აღმოჩენა - რისთვისაც მან მიიღო ნობელის პრემია. მოდელს, რომელიც ტომსონმა შემოგვთავაზა, არაფერი ჰქონდა საერთო რეალობასთან, მაგრამ საკმაოდ ძლიერი სტიმული იყო რეზერფორდისთვის ატომის სტრუქტურის შესასწავლად. ტომსონის მიერ შემოთავაზებულ მოდელს „ქიშმიშის პუდინგი“ ეწოდა.

ტომსონს სჯეროდა, რომ ატომი არის მყარი ბურთი უარყოფითი ელექტრული მუხტით. ამის საკომპენსაციოდ, ქიშმიშის მსგავსად, ბურთში ელექტრონები ირევა. მთლიანობაში, ელექტრონების მუხტი ემთხვევა მთელი ბირთვის მუხტს, რაც ატომს ნეიტრალურს ხდის.

ატომის სტრუქტურის შესწავლისას გაირკვა, რომ მყარ სხეულებში ყველა ატომს აქვს რხევითი მოძრაობა. და, როგორც მოგეხსენებათ, ნებისმიერი მოძრავი ნაწილაკი ასხივებს ტალღებს. ამიტომ თითოეულ ატომს აქვს თავისი სპექტრი. თუმცა, ეს განცხადებები არანაირად არ ჯდებოდა ტომსონის მოდელში.

რეზერფორდის გამოცდილება

ტომსონის მოდელის დასადასტურებლად ან უარყოფისთვის, რეზერფორდმა შემოგვთავაზა ექსპერიმენტი, რომლის შედეგადაც ალფა ნაწილაკებით ზოგიერთი ელემენტის ატომს დაბომბვა. ამ ექსპერიმენტის შედეგად მნიშვნელოვანი იყო იმის დანახვა, თუ როგორ მოიქცეოდა ნაწილაკი.

ალფა ნაწილაკები აღმოაჩინეს რადიუმის რადიოაქტიური დაშლის შედეგად. მათი ნაკადები იყო ალფა სხივები, რომელთა თითოეულ ნაწილაკს დადებითი მუხტი ჰქონდა. მრავალი კვლევის შედეგად დადგინდა, რომ ალფა ნაწილაკი ჰელიუმის ატომს ჰგავს, რომელშიც ელექტრონები არ არის. არსებული ცოდნის გამოყენებით, ჩვენ ვიცით, რომ ალფა ნაწილაკი არის ჰელიუმის ბირთვი, ხოლო რეზერფორდი თვლიდა, რომ ეს იყო ჰელიუმის იონები.

თითოეულ ალფა ნაწილაკს ჰქონდა უზარმაზარი ენერგია, რის შედეგადაც მას შეეძლო დიდი სიჩქარით ფრენა განსახილველ ატომებთან. ამიტომ, ექსპერიმენტის მთავარი შედეგი იყო ნაწილაკების გადახრის კუთხის დადგენა.

ექსპერიმენტისთვის რეზერფორდმა გამოიყენა თხელი ოქროს ფოლგა. მან მიმართა მაღალსიჩქარიანი ალფა ნაწილაკებს მასზე. მან ივარაუდა, რომ ამ ექსპერიმენტის შედეგად ყველა ნაწილაკი გაფრინდებოდა ფოლგაში და მცირე გადახრებით. თუმცა, დანამდვილებით გასარკვევად, მან თავის სტუდენტებს დაავალა, შეემოწმებინათ, იყო თუ არა რაიმე დიდი გადახრები ამ ნაწილაკებში.

ექსპერიმენტის შედეგმა აბსოლუტურად ყველა გააოცა, რადგან ბევრი ნაწილაკი არა მხოლოდ გადახრილია საკმარისად დიდი კუთხით - ზოგიერთი გადახრის კუთხე 90 გრადუსზე მეტს აღწევდა.

ამ შედეგებმა აბსოლუტურად ყველა გააოცა, რეზერფორდმა თქვა, რომ ისეთი შეგრძნება იყო, თითქოს ჭურვების გზაზე ქაღალდის ნაჭერი იყო მოთავსებული, რომელიც არ აძლევდა ალფა ნაწილაკს შიგნით შეღწევის საშუალებას, რის შედეგადაც ის უკან დაბრუნდა.

თუ ატომი მართლაც მყარი იყო, მაშინ მას უნდა ჰქონდეს ელექტრული ველი, რამაც შეანელა ნაწილაკი. თუმცა, მინდვრის სიძლიერე არ იყო საკმარისი იმისათვის, რომ მთლიანად შეეჩერებინა, რომ აღარაფერი ვთქვათ უკან დაეხია. ეს ნიშნავს, რომ ტომსონის მოდელი უარყვეს. ასე რომ, რეზერფორდმა ახალ მოდელზე დაიწყო მუშაობა.

ექსპერიმენტის ამ შედეგის მისაღებად საჭიროა დადებითი მუხტის კონცენტრირება უფრო მცირე რაოდენობით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება უფრო დიდი ელექტრული ველი. ველის პოტენციალის ფორმულის გამოყენებით შეგიძლიათ განსაზღვროთ დადებითი ნაწილაკის საჭირო ზომა, რომელსაც შეუძლია ალფა ნაწილაკის საპირისპირო მიმართულებით მოგერიება. მისი რადიუსი უნდა იყოს მაქსიმალური 10 -15 მ. ამიტომაც რეზერფორდმა შემოგვთავაზა ატომის პლანეტარული მოდელი.

ამ მოდელს ასე ეწოდა მიზეზი. ფაქტია, რომ ატომის შიგნით არის დადებითად დამუხტული ბირთვი, მზის სისტემაში მზის მსგავსი. ელექტრონები ბირთვის გარშემო პლანეტების მსგავსად ბრუნავენ. მზის სისტემა ისეა მოწყობილი, რომ პლანეტები მზეს მიიზიდავენ გრავიტაციული ძალების დახმარებით, თუმცა ისინი არ ცვივა მზის ზედაპირზე არსებული სიჩქარის შედეგად, რომელიც მათ ორბიტაზე აკავებს. იგივე ხდება ელექტრონებთან დაკავშირებით - კულონის ძალები იზიდავს ელექტრონებს ბირთვში, მაგრამ ბრუნვის გამო ისინი არ ცვივა ბირთვის ზედაპირზე.

ტომსონის ერთი ვარაუდი აბსოლუტურად სწორი აღმოჩნდა - ელექტრონების მთლიანი მუხტი შეესაბამება ბირთვის მუხტს. თუმცა, ძლიერი ურთიერთქმედების შედეგად ელექტრონები შეიძლება ამოვარდეს ორბიტიდან, რის შედეგადაც მუხტი არ კომპენსირებულია და ატომი იქცევა დადებითად დამუხტულ იონად.

ძალიან მნიშვნელოვანი ინფორმაცია ატომის სტრუქტურასთან დაკავშირებით არის ის, რომ ატომის თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია ბირთვში. მაგალითად, წყალბადის ატომს აქვს მხოლოდ ერთი ელექტრონი, რომლის მასა ერთნახევარ ათასჯერ ნაკლებია ბირთვის მასაზე.

1903 წელს ინგლისელმა მეცნიერმა ტომსონმა შემოგვთავაზა ატომის მოდელი, რომელსაც ხუმრობით "ფუნთუშა ქიშმიშით" უწოდეს. მისი თქმით, ატომი არის სფერო ერთიანი დადებითი მუხტით, რომელშიც ნეგატიურად დამუხტული ელექტრონები ქიშმიშის მსგავსად ირევა.

თუმცა, ატომის შემდგომმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ეს თეორია დაუსაბუთებელია. და რამდენიმე წლის შემდეგ, სხვა ინგლისელმა ფიზიკოსმა, რეზერფორდმა ჩაატარა ექსპერიმენტების სერია. შედეგებზე დაყრდნობით მან ააგო ჰიპოთეზა ატომის სტრუქტურის შესახებ, რომელიც ჯერ კიდევ მსოფლიოშია აღიარებული.

რეზერფორდის გამოცდილება: ატომის მისი მოდელის შეთავაზება

თავის ექსპერიმენტებში რეზერფორდმა ალფა ნაწილაკების სხივი გაიარა თხელი ოქროს ფოლგაში. ოქრო შეირჩა პლასტიურობის გამო, რამაც შესაძლებელი გახადა ძალიან თხელი კილიტა, მოლეკულების თითქმის ერთი ფენის სისქით. ფოლგის უკან იყო სპეციალური ეკრანი, რომელიც ანათებდა მასზე დაცემული ალფა ნაწილაკებით დაბომბვისას. ტომსონის თეორიის მიხედვით, ალფა ნაწილაკები დაუბრკოლებლად უნდა გასულიყო ფოლგაში, გვერდებზე საკმაოდ გადახრილი. თუმცა, აღმოჩნდა, რომ ზოგიერთი ნაწილაკი ასე მოიქცა და ძალიან მცირე ნაწილი უკან დაბრუნდა, თითქოს რაღაცას ურტყამს.

ანუ გაირკვა, რომ ატომის შიგნით არის რაღაც მყარი და პატარა, საიდანაც ალფა ნაწილაკები გადმოხტა. სწორედ მაშინ შემოგვთავაზა რეზერფორდმა ატომის სტრუქტურის პლანეტარული მოდელი. რეზერფორდის ატომის პლანეტარული მოდელი ხსნიდა როგორც მისი, ასევე მისი კოლეგების ექსპერიმენტების შედეგებს. დღემდე, უკეთესი მოდელი არ არის შემოთავაზებული, თუმცა ამ თეორიის ზოგიერთი ასპექტი ჯერ კიდევ არ ეთანხმება პრაქტიკას მეცნიერების ზოგიერთ ძალიან ვიწრო სფეროებში. მაგრამ ძირითადად, ატომის პლანეტარული მოდელი ყველაზე სასარგებლოა. რა არის ეს მოდელი?

ატომის სტრუქტურის პლანეტარული მოდელი

როგორც სახელი გულისხმობს, ატომს ადარებენ პლანეტას. ამ შემთხვევაში პლანეტა არის ატომის ბირთვი. ელექტრონები კი ბირთვის გარშემო საკმაოდ დიდ მანძილზე ბრუნავენ, ისევე როგორც თანამგზავრები პლანეტის გარშემო. მხოლოდ ელექტრონების ბრუნვის სიჩქარე ასობით ათასი ჯერ აღემატება უსწრაფესი თანამგზავრის ბრუნვის სიჩქარეს. ამიტომ, მისი ბრუნვის დროს, ელექტრონი ქმნის, თითქოს, ღრუბელს ბირთვის ზედაპირის ზემოთ. და ელექტრონების არსებული მუხტები მოგერიებენ იგივე მუხტებს, რომლებიც წარმოიქმნება სხვა ელექტრონების მიერ სხვა ბირთვების გარშემო. მაშასადამე, ატომები არ "იწებება ერთმანეთს", არამედ განლაგებულია ერთმანეთისგან გარკვეულ მანძილზე.

ხოლო როდესაც ვსაუბრობთ ნაწილაკების შეჯახებაზე, ვგულისხმობთ, რომ ისინი უახლოვდებიან ერთმანეთს საკმარისად დიდ მანძილზე და მოიგერია მათი მუხტის ველები. პირდაპირი კონტაქტი არ არის. ნაწილაკები მატერიაში ზოგადად ძალიან შორს არიან ერთმანეთისგან. თუ რაიმე საშუალებით შესაძლებელი იქნებოდა რომელიმე სხეულის ნაწილაკების ერთად აფეთქება, ის მილიარდჯერ შემცირდებოდა. დედამიწა ვაშლზე პატარა გახდება. ამრიგად, ნებისმიერი ნივთიერების ძირითადი მოცულობა, რაც არ უნდა უცნაურად ჟღერდეს, იკავებს სიცარიელეს, რომელშიც განთავსებულია დამუხტული ნაწილაკები, რომლებიც დაშორებულია ურთიერთქმედების ელექტრონული ძალებით.