Palestra: Modelo planetário do átomo

A estrutura do átomo

A maneira mais precisa de determinar a estrutura de qualquer substância é a análise espectral. A radiação de cada átomo de um elemento é exclusivamente individual. No entanto, antes de entender como ocorre a análise espectral, vamos descobrir qual estrutura tem um átomo de qualquer elemento.

A primeira suposição sobre a estrutura do átomo foi apresentada por J. Thomson. Este cientista estuda átomos há muito tempo. Além disso, é ele o dono da descoberta do elétron - pelo qual recebeu o Prêmio Nobel. O modelo que Thomson propôs não tinha nada a ver com a realidade, mas serviu como um forte incentivo para Rutherford estudar a estrutura do átomo. O modelo proposto por Thomson foi chamado de "pudim de passas".

Thomson acreditava que o átomo é uma bola sólida com uma carga elétrica negativa. Para compensar isso, os elétrons são intercalados na bola, como passas. Em suma, a carga dos elétrons coincide com a carga de todo o núcleo, o que torna o átomo neutro.

Durante o estudo da estrutura do átomo, descobriu-se que todos os átomos nos sólidos fazem movimentos oscilatórios. E, como você sabe, qualquer partícula em movimento irradia ondas. É por isso que cada átomo tem seu próprio espectro. No entanto, essas afirmações não se encaixavam de forma alguma no modelo de Thomson.

A experiência de Rutherford

Para confirmar ou refutar o modelo de Thomson, Rutherford propôs um experimento que resultou no bombardeio de um átomo de algum elemento por partículas alfa. Como resultado desse experimento, era importante ver como a partícula se comportaria.

As partículas alfa foram descobertas como resultado do decaimento radioativo do rádio. Seus fluxos eram raios alfa, cada partícula com uma carga positiva. Como resultado de vários estudos, foi determinado que a partícula alfa é como um átomo de hélio, no qual não há elétrons. Usando o conhecimento atual, sabemos que a partícula alfa é o núcleo de hélio, enquanto Rutherford acreditava que eram íons de hélio.

Cada partícula alfa tinha uma energia tremenda, como resultado da qual poderia voar em alta velocidade nos átomos em questão. Portanto, o principal resultado do experimento foi determinar o ângulo de deflexão das partículas.

Para o experimento, Rutherford usou uma fina folha de ouro. Ele dirigiu partículas alfa de alta velocidade para ele. Ele assumiu que, como resultado desse experimento, todas as partículas voariam através da folha, e com pequenos desvios. No entanto, para ter certeza, ele instruiu seus alunos a verificar se havia grandes desvios nessas partículas.

O resultado do experimento surpreendeu a todos, porque muitas partículas não apenas se desviaram por um ângulo suficientemente grande - alguns ângulos de deflexão chegaram a mais de 90 graus.

Esses resultados surpreenderam absolutamente todos, Rutherford disse que parecia que um pedaço de papel foi colocado no caminho dos projéteis, o que não permitiu que a partícula alfa penetrasse no interior, como resultado, ela voltou.

Se o átomo fosse realmente sólido, deveria ter algum campo elétrico, o que desacelerava a partícula. No entanto, a força do campo não foi suficiente para detê-la completamente, muito menos empurrá-la para trás. Isso significa que o modelo de Thomson foi refutado. Então Rutherford começou a trabalhar em um novo modelo.

Para obter esse resultado do experimento, é necessário concentrar a carga positiva em menor quantidade, resultando em um campo elétrico maior. Usando a fórmula do potencial de campo, você pode determinar o tamanho necessário de uma partícula positiva que pode repelir uma partícula alfa na direção oposta. Seu raio deve ser da ordem de máximo 10-15m. É por isso que Rutherford propôs o modelo planetário do átomo.

Este modelo é chamado assim por um motivo. O fato é que dentro do átomo existe um núcleo carregado positivamente, semelhante ao Sol no sistema solar. Os elétrons giram em torno do núcleo como planetas. O sistema solar está organizado de tal forma que os planetas são atraídos pelo Sol com a ajuda de forças gravitacionais, porém, eles não caem na superfície do Sol devido à velocidade disponível que os mantém em sua órbita. A mesma coisa acontece com os elétrons - as forças de Coulomb atraem elétrons para o núcleo, mas devido à rotação, eles não caem na superfície do núcleo.

Uma suposição de Thomson acabou sendo absolutamente correta - a carga total dos elétrons corresponde à carga do núcleo. No entanto, como resultado de uma interação forte, os elétrons podem ser expulsos de sua órbita, como resultado, a carga não é compensada e o átomo se transforma em um íon carregado positivamente.

Uma informação muito importante sobre a estrutura do átomo é que quase toda a massa do átomo está concentrada no núcleo. Por exemplo, um átomo de hidrogênio tem apenas um elétron, cuja massa é mais de mil e quinhentas vezes menor que a massa do núcleo.

O modelo planetário do átomo foi proposto por E. Rutherford em 1910. Os primeiros estudos da estrutura do átomo foram feitos por ele com a ajuda de partículas alfa. Com base nos resultados obtidos em experimentos de espalhamento, Rutherford sugeriu que toda a carga positiva do átomo está concentrada em um minúsculo núcleo em seu centro. Por outro lado, os elétrons carregados negativamente são distribuídos por todo o resto de seu volume.

Um pouco de fundo

A primeira suposição brilhante sobre a existência de átomos foi feita pelo antigo cientista grego Demócrito. Desde então, a ideia da existência de átomos, cujas combinações dão todas as substâncias ao nosso redor, não saiu da imaginação das pessoas da ciência. De tempos em tempos, seus vários representantes se voltavam para ela, mas até o início do século XIX, suas construções eram apenas hipóteses, não suportadas por dados experimentais.

Finalmente, em 1804, mais de cem anos antes do surgimento do modelo planetário do átomo, o cientista inglês John Dalton forneceu evidências de sua existência e introduziu o conceito de peso atômico, que foi sua primeira característica quantitativa. Como seus predecessores, ele imaginou que os átomos fossem os menores pedaços de matéria, como bolas sólidas, que não podiam ser divididas em partículas ainda menores.

Descoberta do elétron e o primeiro modelo do átomo

Quase um século se passou quando, finalmente, no final do século XIX, o também inglês J. J. Thomson, descobriu a primeira partícula subatômica, o elétron de carga negativa. Como os átomos são eletricamente neutros, Thomson pensou que eles deveriam ser compostos de um núcleo carregado positivamente com elétrons espalhados por todo o seu volume. Com base em vários resultados experimentais, em 1898 ele propôs seu modelo do átomo, às vezes chamado de "ameixas em um pudim", porque o átomo nele era representado como uma esfera cheia de algum líquido carregado positivamente, no qual os elétrons eram incorporados, como " ameixas no pudim. O raio de tal modelo esférico era de cerca de 10 -8 cm A carga positiva total do líquido é equilibrada de forma simétrica e uniforme pelas cargas negativas dos elétrons, conforme mostrado na figura abaixo.

Este modelo explicou satisfatoriamente o fato de que quando uma substância é aquecida, ela começa a emitir luz. Embora essa tenha sido a primeira tentativa de entender o que era um átomo, ela não satisfez os resultados dos experimentos realizados posteriormente por Rutherford e outros. Thomson concordou em 1911 que seu modelo simplesmente não poderia responder como e por que ocorre o espalhamento de raios α observados em experimentos. Portanto, foi abandonado e substituído por um modelo planetário mais perfeito do átomo.

Como o átomo é organizado de qualquer maneira?

Ernest Rutherford forneceu uma explicação do fenômeno da radioatividade que lhe rendeu o Prêmio Nobel, mas sua contribuição mais significativa para a ciência veio depois, quando estabeleceu que o átomo consiste em um núcleo denso cercado por órbitas de elétrons, assim como o sol é cercado pelas órbitas dos planetas.

De acordo com o modelo planetário de um átomo, a maior parte de sua massa está concentrada em um núcleo minúsculo (comparado ao tamanho do átomo inteiro). Os elétrons se movem ao redor do núcleo, viajando a velocidades incríveis, mas a maior parte do volume dos átomos é espaço vazio.

O tamanho do núcleo é tão pequeno que seu diâmetro é 100.000 vezes menor que o de um átomo. O diâmetro do núcleo foi estimado por Rutherford como 10 -13 cm, em contraste com o tamanho do átomo - 10 -8 cm. Fora do núcleo, os elétrons giram em torno dele em alta velocidade, resultando em forças centrífugas que equilibram as forças eletrostáticas de atração entre prótons e elétrons.

experimentos de Rutherford

O modelo planetário do átomo surgiu em 1911, após o famoso experimento com folha de ouro, que permitiu obter algumas informações fundamentais sobre sua estrutura. O caminho de Rutherford para a descoberta do núcleo atômico é um bom exemplo do papel da criatividade na ciência. Sua busca começou em 1899, quando descobriu que certos elementos emitem partículas carregadas positivamente que podem penetrar em qualquer coisa. Ele chamou essas partículas de partículas alfa (α) (agora sabemos que eram núcleos de hélio). Como todos os bons cientistas, Rutherford era curioso. Ele se perguntou se as partículas alfa poderiam ser usadas para descobrir a estrutura de um átomo. Rutherford decidiu apontar um feixe de partículas alfa em uma folha de folha de ouro muito fina. Ele escolheu o ouro porque pode produzir folhas tão finas quanto 0,00004 cm. Atrás de uma folha de ouro, ele colocou uma tela que brilhava quando partículas alfa a atingiam. Foi usado para detectar partículas alfa depois de terem passado pela folha. Uma pequena fenda na tela permitia que o feixe de partículas alfa alcançasse a folha após sair da fonte. Alguns deles devem passar pela folha e continuar se movendo na mesma direção, enquanto a outra parte deve ricochetear na folha e ser refletida em ângulos agudos. Você pode ver o esquema do experimento na figura abaixo.

O que aconteceu no experimento de Rutherford?

Com base no modelo do átomo de J. J. Thomson, Rutherford assumiu que as regiões sólidas de carga positiva que preenchem todo o volume de átomos de ouro desviariam ou curvariam as trajetórias de todas as partículas alfa à medida que passassem pela folha.

No entanto, a grande maioria das partículas alfa passou direto pela folha de ouro como se não estivesse lá. Eles pareciam estar passando pelo espaço vazio. Apenas alguns deles se desviam do caminho reto, como se supunha no início. Abaixo está um gráfico do número de partículas espalhadas na respectiva direção versus o ângulo de espalhamento.

Surpreendentemente, uma pequena porcentagem das partículas ricocheteou do papel alumínio, como uma bola de basquete quicando em uma tabela. Rutherford percebeu que esses desvios eram o resultado de uma colisão direta entre as partículas alfa e os componentes carregados positivamente do átomo.

O núcleo ocupa o centro do palco

Com base na porcentagem insignificante de partículas alfa refletidas da folha, podemos concluir que toda a carga positiva e quase toda a massa do átomo estão concentradas em uma pequena área, e o resto do átomo é principalmente espaço vazio. Rutherford chamou a área de carga positiva concentrada de núcleo. Ele previu e logo descobriu que continha partículas carregadas positivamente, que ele chamou de prótons. Rutherford previu a existência de partículas atômicas neutras chamadas nêutrons, mas não conseguiu detectá-las. No entanto, seu aluno James Chadwick os descobriu alguns anos depois. A figura abaixo mostra a estrutura do núcleo de um átomo de urânio.

Os átomos consistem em núcleos pesados ​​carregados positivamente cercados por partículas extremamente leves carregadas negativamente - elétrons girando em torno deles, e a velocidades tais que as forças centrífugas mecânicas simplesmente equilibram sua atração eletrostática ao núcleo e, nesse contexto, a estabilidade do átomo é supostamente assegurada.

As desvantagens deste modelo

A ideia principal de Rutherford estava relacionada à ideia de um pequeno núcleo atômico. A suposição sobre as órbitas dos elétrons era pura conjectura. Ele não sabia exatamente onde e como os elétrons giram em torno do núcleo. Portanto, o modelo planetário de Rutherford não explica a distribuição dos elétrons nas órbitas.

Além disso, a estabilidade do átomo de Rutherford só foi possível com o movimento contínuo de elétrons em órbitas sem perda de energia cinética. Mas os cálculos eletrodinâmicos mostraram que o movimento dos elétrons ao longo de qualquer trajetória curvilínea, acompanhado por uma mudança na direção do vetor velocidade e o aparecimento de uma aceleração correspondente, é inevitavelmente acompanhado pela emissão de energia eletromagnética. Neste caso, de acordo com a lei da conservação da energia, a energia cinética do elétron deve ser gasta muito rapidamente na radiação, e deve cair sobre o núcleo, conforme mostrado esquematicamente na figura abaixo.

Mas isso não acontece, pois os átomos são formações estáveis. Uma típica contradição científica surgiu entre o modelo do fenômeno e os dados experimentais.

De Rutherford a Niels Bohr

O próximo grande avanço na história atômica veio em 1913, quando o cientista dinamarquês Niels Bohr publicou uma descrição de um modelo mais detalhado do átomo. Ela determinou mais claramente os lugares onde os elétrons poderiam estar. Embora cientistas posteriores desenvolvessem projetos atômicos mais sofisticados, o modelo planetário do átomo de Bohr estava basicamente correto, e muito dele ainda é aceito hoje. Teve muitas aplicações úteis, por exemplo, com sua ajuda, explicam as propriedades de vários elementos químicos, a natureza de seu espectro de radiação e a estrutura do átomo. O modelo planetário e o modelo de Bohr foram os marcos mais importantes que marcaram o surgimento de uma nova direção na física - a física do micromundo. Bohr recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1922 por suas contribuições para nossa compreensão da estrutura do átomo.

Que novidade Bohr trouxe para o modelo do átomo?

Ainda jovem, Bohr trabalhou no laboratório de Rutherford na Inglaterra. Como o conceito de elétrons era pouco desenvolvido no modelo de Rutherford, Bohr se concentrou neles. Como resultado, o modelo planetário do átomo foi significativamente melhorado. Os postulados de Bohr, que ele formulou em seu artigo "On the Structure of Atoms and Molecules", publicado em 1913, dizem:

1. Os elétrons podem se mover ao redor do núcleo apenas a distâncias fixas dele, determinadas pela quantidade de energia que possuem. Ele chamou esses níveis fixos de níveis de energia ou camadas de elétrons. Bohr os imaginou como esferas concêntricas, com um núcleo no centro de cada uma. Nesse caso, os elétrons de menor energia serão encontrados em níveis mais baixos, mais próximos do núcleo. Aqueles com mais energia serão encontrados em níveis mais altos, mais distantes do núcleo.

2. Se um elétron absorve alguma quantidade (bastante certa para um determinado nível) de energia, então ele pulará para o próximo nível de energia mais alto. Por outro lado, se ele perder a mesma quantidade de energia, ele retornará ao seu nível original. No entanto, um elétron não pode existir em dois níveis de energia.

Essa ideia é ilustrada por uma figura.

Porções de energia para elétrons

O modelo de Bohr do átomo é na verdade uma combinação de duas ideias diferentes: o modelo atômico de Rutherford com elétrons girando em torno do núcleo (essencialmente o modelo planetário de Bohr-Rutherford do átomo), e a ideia de Max Planck de quantizar a energia da matéria, publicado em 1901. Um quantum (plural - quanta) é a quantidade mínima de energia que pode ser absorvida ou emitida por uma substância. É uma espécie de passo de discretização da quantidade de energia.

Se a energia é comparada à água e você deseja adicioná-la à matéria na forma de um copo, você não pode simplesmente derramar água em um fluxo contínuo. Em vez disso, você pode adicioná-lo em pequenas quantidades, como uma colher de chá. Bohr acreditava que se os elétrons só podem absorver ou perder quantidades fixas de energia, então eles devem variar sua energia apenas por essas quantidades fixas. Assim, eles só podem ocupar níveis fixos de energia ao redor do núcleo que correspondem a incrementos quantizados de sua energia.

Assim, a partir do modelo de Bohr surge uma abordagem quântica para explicar qual é a estrutura do átomo. O modelo planetário e o modelo de Bohr foram uma espécie de passos da física clássica para a física quântica, que é a principal ferramenta na física do microcosmo, incluindo a física atômica.

Eles se tornaram um passo importante no desenvolvimento da física. O modelo de Rutherford foi de grande importância. O átomo como sistema e as partículas que o compõem foram estudados com mais precisão e detalhe. Isso levou ao desenvolvimento bem-sucedido de uma ciência como a física nuclear.

Idéias antigas sobre a estrutura da matéria

A suposição de que os corpos circundantes são compostos das menores partículas foi feita nos tempos antigos. Os pensadores da época representavam o átomo como a menor e indivisível partícula de qualquer substância. Eles argumentaram que não há nada no universo menor do que um átomo. Tais pontos de vista foram mantidos pelos grandes cientistas e filósofos gregos antigos - Demócrito, Lucrécio, Epicuro. As hipóteses desses pensadores hoje estão unidas sob o nome de "atomismo antigo".

Performances medievais

Os tempos da antiguidade passaram e, na Idade Média, também havia cientistas que faziam várias suposições sobre a estrutura das substâncias. No entanto, a predominância de visões filosóficas religiosas e o poder da igreja naquele período da história cortou pela raiz quaisquer tentativas e aspirações da mente humana para conclusões e descobertas científicas materialistas. Como você sabe, a Inquisição medieval se comportou muito hostil com os representantes do mundo científico da época. Resta dizer que as mentes então brilhantes tiveram uma ideia que veio da antiguidade sobre a indivisibilidade do átomo.

Pesquisa nos séculos 18 e 19

O século XVIII foi marcado por sérias descobertas no campo da estrutura elementar da matéria. Em grande parte graças aos esforços de cientistas como Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov e Independently uns dos outros, eles conseguiram provar que os átomos realmente existem. Mas a questão de sua estrutura interna permaneceu em aberto. O final do século XVIII foi marcado por um evento tão significativo no mundo científico como a descoberta do sistema periódico de elementos químicos por D. I. Mendeleev. Este foi um avanço verdadeiramente poderoso da época e levantou o véu sobre o entendimento de que todos os átomos têm uma única natureza, que estão relacionados uns com os outros. Mais tarde, no século 19, outro passo importante para desvendar a estrutura do átomo foi a prova de que qualquer um deles contém um elétron. O trabalho dos cientistas deste período preparou um terreno fértil para as descobertas do século XX.

Experimentos da Thomson

O físico inglês John Thomson provou em 1897 que a composição dos átomos inclui elétrons com carga negativa. Nesse estágio, as falsas ideias de que o átomo é o limite da divisibilidade de qualquer substância foram finalmente destruídas. Como Thomson conseguiu provar a existência de elétrons? Em seus experimentos, o cientista colocou eletrodos em gases altamente rarefeitos e passou uma corrente elétrica. O resultado foram os raios catódicos. Thomson estudou cuidadosamente suas características e descobriu que são um fluxo de partículas carregadas que se movem em grande velocidade. O cientista conseguiu calcular a massa dessas partículas e sua carga. Ele também descobriu que eles não podem ser convertidos em partículas neutras, já que a carga elétrica é a base de sua natureza. Assim como Thomson e o criador do primeiro modelo mundial da estrutura do átomo. Segundo ela, um átomo é um monte de matéria carregada positivamente, na qual os elétrons carregados negativamente são distribuídos uniformemente. Essa estrutura explica a neutralidade geral dos átomos, uma vez que cargas opostas se equilibram. As experiências de John Thomson tornaram-se inestimáveis ​​para o estudo mais aprofundado da estrutura do átomo. No entanto, muitas perguntas ficaram sem resposta.

A pesquisa de Rutherford

Thomson descobriu a existência de elétrons, mas não conseguiu encontrar partículas carregadas positivamente no átomo. corrigiu esse mal-entendido em 1911. Durante experimentos, estudando a atividade de partículas alfa em gases, ele descobriu que existem partículas carregadas positivamente no átomo. Rutherford viu que, quando os raios passam por um gás ou por uma fina placa de metal, um pequeno número de partículas desvia-se bruscamente da trajetória do movimento. Eles foram literalmente jogados para trás. O cientista adivinhou que esse comportamento é devido a uma colisão com partículas carregadas positivamente. Tais experimentos permitiram ao físico criar o modelo de Rutherford da estrutura do átomo.

modelo planetário

Agora, as ideias do cientista eram um pouco diferentes das suposições feitas por John Thomson. Seus modelos de átomos também se tornaram diferentes. permitiu-lhe criar uma teoria completamente nova nesta área. As descobertas do cientista foram de importância decisiva para o desenvolvimento posterior da física. O modelo de Rutherford descreve um átomo como um núcleo localizado no centro e elétrons se movendo ao redor dele. O núcleo tem carga positiva e os elétrons têm carga negativa. O modelo do átomo de Rutherford assumia a rotação dos elétrons ao redor do núcleo ao longo de certas trajetórias - órbitas. A descoberta do cientista ajudou a explicar o motivo do desvio das partículas alfa e tornou-se o impulso para o desenvolvimento da teoria nuclear do átomo. No modelo do átomo de Rutherford, há uma analogia com o movimento dos planetas do sistema solar em torno do sol. Esta é uma comparação muito precisa e vívida. Por isso, o modelo de Rutherford, no qual o átomo se move em torno do núcleo em uma órbita, foi chamado de planetário.

Obras de Niels Bohr

Dois anos depois, o físico dinamarquês Niels Bohr tentou combinar ideias sobre a estrutura do átomo com as propriedades quânticas do fluxo de luz. O modelo nuclear do átomo de Rutherford foi colocado pelo cientista como base de sua nova teoria. De acordo com Bohr, os átomos giram em torno do núcleo em órbitas circulares. Tal trajetória de movimento leva à aceleração dos elétrons. Além disso, a interação Coulombiana dessas partículas com o centro do átomo é acompanhada pela criação e consumo de energia para manter o campo eletromagnético espacial decorrente do movimento dos elétrons. Sob tais condições, partículas carregadas negativamente devem algum dia cair no núcleo. Mas isso não acontece, o que indica a maior estabilidade dos átomos como sistemas. Niels Bohr percebeu que as leis da termodinâmica clássica descritas pelas equações de Maxwell não funcionam em condições intraatômicas. Portanto, o cientista se propôs a tarefa de derivar novos padrões que seriam válidos no mundo das partículas elementares.

postulados de Bohr

Em grande parte devido ao fato de o modelo de Rutherford existir, o átomo e seus componentes serem bem estudados, Niels Bohr conseguiu aproximar-se da criação de seus postulados. A primeira delas diz que um átomo tem em que não muda sua energia, enquanto os elétrons se movem em órbitas sem mudar sua trajetória. De acordo com o segundo postulado, quando um elétron se move de uma órbita para outra, a energia é liberada ou absorvida. É igual à diferença entre as energias dos estados anteriores e subsequentes do átomo. Nesse caso, se o elétron salta para uma órbita mais próxima do núcleo, ocorre radiação e vice-versa. Apesar de o movimento dos elétrons ter pouca semelhança com uma trajetória orbital localizada estritamente em círculo, a descoberta de Bohr forneceu uma excelente explicação para a existência de um espectro de linhas. , confirmou a teoria de Niels Bohr sobre a existência de estados estacionários e estáveis ​​do átomo e a possibilidade de alterar os valores da energia atômica.

Colaboração de dois cientistas

By the way, Rutherford não pôde determinar por muito tempo Os cientistas Marsden e Geiger tentaram verificar novamente as declarações de Ernest Rutherford e, como resultado de experimentos e cálculos detalhados e completos, chegaram à conclusão de que é o núcleo que é a característica mais importante do átomo, e toda a sua carga está concentrada nele. Mais tarde provou-se que o valor da carga do núcleo é numericamente igual ao número ordinal do elemento no sistema periódico de elementos de D. I. Mendeleev. Curiosamente, Niels Bohr logo conheceu Rutherford e concordou plenamente com seus pontos de vista. Posteriormente, os cientistas trabalharam juntos por um longo tempo no mesmo laboratório. O modelo de Rutherford, o átomo como um sistema constituído de partículas elementares carregadas - tudo isso Niels Bohr considerou justo e deixou de lado seu modelo eletrônico para sempre. A atividade científica conjunta de cientistas foi muito bem sucedida e deu frutos. Cada um deles mergulhou no estudo das propriedades das partículas elementares e fez descobertas significativas para a ciência. Mais tarde, Rutherford descobriu e provou a possibilidade de decomposição nuclear, mas isso é assunto para outro artigo.

Modelo planetário do átomo

Modelo planetário de um átomo: núcleo (vermelho) e elétrons (verde)

Modelo planetário do átomo, ou Modelo Rutherford, - modelo histórico da estrutura do átomo, que foi proposto por Ernest Rutherford como resultado de um experimento com espalhamento de partículas alfa. De acordo com esse modelo, o átomo consiste em um pequeno núcleo carregado positivamente, no qual se concentra quase toda a massa do átomo, em torno do qual os elétrons se movem, assim como os planetas se movem ao redor do sol. O modelo planetário do átomo corresponde às ideias modernas sobre a estrutura do átomo, levando em consideração o fato de que o movimento dos elétrons é de natureza quântica e não é descrito pelas leis da mecânica clássica. Historicamente, o modelo planetário de Rutherford sucedeu o "modelo de pudim de ameixas" de Joseph John Thomson, que postula que elétrons carregados negativamente são colocados dentro de um átomo carregado positivamente.

Rutherford propôs um novo modelo para a estrutura do átomo em 1911 como conclusão de um experimento sobre a dispersão de partículas alfa em folha de ouro, realizado sob sua liderança. Durante esse espalhamento, um número inesperadamente grande de partículas alfa foi espalhado em grandes ângulos, o que indicava que o centro de espalhamento era pequeno e uma carga elétrica significativa estava concentrada nele. Os cálculos de Rutherford mostraram que um centro de espalhamento, carregado positiva ou negativamente, deve ser pelo menos 3.000 vezes menor que o tamanho de um átomo, que na época já era conhecido e estimado em cerca de 10-10 m. dessa vez, e sua massa e carga são determinadas, então o centro de espalhamento, que mais tarde foi chamado de núcleo, deve ter a carga oposta aos elétrons. Rutherford não vinculou a quantidade de carga ao número atômico. Essa conclusão foi feita posteriormente. E o próprio Rutherford sugeriu que a carga é proporcional à massa atômica.

A desvantagem do modelo planetário era sua incompatibilidade com as leis da física clássica. Se os elétrons se movem ao redor do núcleo como um planeta ao redor do Sol, seu movimento é acelerado e, portanto, de acordo com as leis da eletrodinâmica clássica, eles devem irradiar ondas eletromagnéticas, perder energia e cair no núcleo. O próximo passo no desenvolvimento do modelo planetário foi o modelo de Bohr, postulando outras leis, diferentes das clássicas, do movimento do elétron. Completamente as contradições da eletrodinâmica foram capazes de resolver a mecânica quântica.

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Άτομο

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Livros

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A ideia de que os átomos são as menores partículas da matéria surgiu pela primeira vez na Grécia antiga. No entanto, apenas no final do século 18, graças ao trabalho de cientistas como A. Lavoisier, M. V. Lomonosov e alguns outros, ficou provado que os átomos realmente existem. No entanto, naqueles dias, ninguém se perguntava qual era sua estrutura interna. Os cientistas ainda consideravam os átomos como os "tijolos" indivisíveis que compõem toda a matéria.

Tenta explicar a estrutura do átomo

Quem propôs o modelo nuclear primeiro de todos os cientistas? A primeira tentativa de criar um modelo dessas partículas pertenceu a J. Thomson. No entanto, não pode ser chamado de sucesso no sentido pleno da palavra. Afinal, Thomson acreditava que o átomo é um sistema esférico e eletricamente neutro. Ao mesmo tempo, o cientista assumiu que a carga positiva é distribuída uniformemente pelo volume dessa bola e dentro dela há um núcleo carregado negativamente. Todas as tentativas do cientista de explicar a estrutura interna do átomo foram infrutíferas. Ernest Rutherford foi quem propôs o modelo nuclear da estrutura do átomo alguns anos depois que Thomson apresentou sua teoria.

Histórico de pesquisa

Com a ajuda do estudo da eletrólise em 1833, Faraday conseguiu estabelecer que a corrente na solução eletrolítica é um fluxo de partículas carregadas, ou íons. Com base nesses estudos, ele foi capaz de determinar a carga mínima de um íon. Também um papel importante no desenvolvimento dessa direção na física foi desempenhado pelo químico doméstico D. I. Mendeleev. Foi ele quem primeiro levantou nos círculos científicos a questão de que todos os átomos podem ter a mesma natureza. Vemos que antes do modelo nuclear de Rutherford da estrutura do átomo ser proposto pela primeira vez, um grande número de experimentos igualmente importantes foi realizado por uma variedade de cientistas. Eles avançaram a teoria atomística da estrutura da matéria.

Primeiras experiências

Rutherford é um cientista verdadeiramente brilhante, porque suas descobertas viraram a ideia da estrutura da matéria de cabeça para baixo. Em 1911, ele conseguiu montar um experimento com o qual os pesquisadores puderam examinar as misteriosas profundezas do átomo, para ter uma ideia de qual é sua estrutura interna. Os primeiros experimentos foram realizados pelo cientista com o apoio de outros pesquisadores, mas o papel principal na descoberta ainda foi de Rutherford.

Experimentar

Usando fontes naturais de radiação radioativa, Rutherford conseguiu construir um canhão que emitia um fluxo de partículas alfa. Era uma caixa feita de chumbo, dentro da qual havia uma substância radioativa. O canhão tinha uma fenda através da qual todas as partículas alfa atingiam a tela principal. Eles só podiam voar através do slot. Várias outras telas estavam no caminho desse feixe de partículas radioativas.

Eles separaram partículas que se desviaram da direção previamente definida. Um alvo estritamente focado atingiu o alvo. Rutherford usou uma fina folha de folha de ouro como alvo. Depois que as partículas atingiram esta folha, elas continuaram seu movimento e eventualmente atingiram a tela fluorescente, que foi instalada atrás desse alvo. Quando as partículas alfa atingem essa tela, flashes são registrados, pelos quais o cientista pode julgar quantas partículas se desviam da direção original quando colidem com a folha e qual é a magnitude desse desvio.

Diferenças de experiências anteriores

Alunos e estudantes interessados ​​naqueles que propuseram o modelo nuclear da estrutura do átomo devem saber que experimentos semelhantes foram realizados em física antes de Rutherford. Sua ideia principal era coletar o máximo de informações possíveis sobre a estrutura do átomo a partir dos desvios das partículas da trajetória original. Todos esses estudos levaram ao acúmulo de uma certa quantidade de informações na ciência, provocaram reflexão sobre a estrutura interna das menores partículas.

Já no início do século 20, os cientistas sabiam que o átomo contém elétrons com carga negativa. Mas entre a maioria dos pesquisadores, a opinião predominante era de que o átomo de dentro é mais como uma grade cheia de partículas carregadas negativamente. Tais experimentos permitiram obter muitas informações - por exemplo, para determinar as dimensões geométricas dos átomos.

suposição de gênio

Rutherford notou que nenhum de seus predecessores jamais havia tentado determinar se as partículas alfa poderiam se desviar em ângulos muito grandes de sua trajetória. O modelo antigo, às vezes chamado de "pudim de passas" entre os cientistas (porque de acordo com esse modelo, os elétrons no átomo são distribuídos como passas no pudim), simplesmente não permitia a existência de componentes estruturais densos dentro do átomo. Nenhum dos cientistas sequer se preocupou em considerar essa opção. O pesquisador pediu a seu aluno que reequipasse a instalação de tal forma que também fossem registrados grandes desvios de partículas da trajetória - apenas para excluir tal possibilidade. Imagine a surpresa tanto do cientista quanto de seu aluno quando descobriu que algumas partículas se separam em um ângulo de 180º.

O que há dentro de um átomo?

Aprendemos quem propôs o modelo nuclear da estrutura do átomo e qual foi a experiência desse cientista. Naquela época, o experimento de Rutherford foi um verdadeiro avanço. Ele foi forçado a concluir que dentro do átomo, a maior parte da massa está contida em uma substância muito densa. O esquema do modelo nuclear da estrutura do átomo é extremamente simples: dentro está um núcleo carregado positivamente.

Outras partículas, chamadas elétrons, giram em torno desse núcleo. O resto é várias ordens de magnitude menos densa. O arranjo dos elétrons dentro de um átomo não é caótico - as partículas estão dispostas em ordem crescente de energia. O pesquisador chamou as partes internas dos átomos de núcleos. Os nomes que o cientista introduziu ainda são usados ​​na ciência.

Como se preparar para a aula?

Aqueles alunos que estão interessados ​​naqueles que sugeriram o modelo nuclear da estrutura do átomo podem mostrar conhecimento adicional na lição. Por exemplo, você pode dizer como Rutherford, muito depois de seus experimentos, gostava de fazer uma analogia para sua descoberta. O país sul-africano é contrabandeado com armas para os rebeldes, que estão envoltas em fardos de algodão. Como os funcionários da alfândega podem determinar exatamente onde estão os suprimentos perigosos se todo o trem está cheio desses fardos? O funcionário da alfândega pode começar a atirar nos fardos, e onde as balas ricocheteiam, e há uma arma. Rutherford enfatizou que foi assim que sua descoberta foi feita.

Alunos que estão se preparando para responder sobre este tópico na lição, é aconselhável preparar respostas para as seguintes perguntas:

1. Quem propôs o modelo nuclear da estrutura do átomo?

2. Qual foi o significado do experimento?

3. Diferença do modelo nuclear de outros modelos.

Importância da teoria de Rutherford

As conclusões radicais que Rutherford tirou de seus experimentos fizeram muitos de seus contemporâneos duvidarem da validade desse modelo. Mesmo o próprio Rutherford não foi exceção - ele publicou os resultados de sua pesquisa apenas dois anos após a descoberta. Tomando como base as ideias clássicas sobre como as micropartículas se movem, ele propôs um modelo planetário nuclear da estrutura do átomo. Em geral, o átomo tem uma carga neutra. Os elétrons se movem ao redor do núcleo, assim como os planetas giram ao redor do sol. Este movimento ocorre devido às forças de Coulomb. No momento, o modelo de Rutherford passou por um refinamento significativo, mas a descoberta do cientista não perde sua relevância hoje.