Prednáška: Planetárny model atómu

Štruktúra atómu

Najpresnejším spôsobom, ako určiť štruktúru akejkoľvek látky, je spektrálna analýza. Žiarenie každého atómu prvku je výlučne individuálne. Avšak predtým, ako pochopíme, ako prebieha spektrálna analýza, poďme zistiť, akú štruktúru má atóm akéhokoľvek prvku.

Prvý predpoklad o štruktúre atómu predložil J. Thomson. Tento vedec sa už dlho zaoberá štúdiom atómov. Navyše je to on, kto vlastní objav elektrónu – za ktorý dostal Nobelovu cenu. Model, ktorý navrhol Thomson, nemal nič spoločné s realitou, ale slúžil ako dostatočne silný podnet pre Rutherforda, aby študoval štruktúru atómu. Model navrhnutý Thomsonom sa nazýval „hrozienkový puding“.

Thomson veril, že atóm je pevná guľa so záporným elektrickým nábojom. Aby sa to kompenzovalo, elektróny sú rozptýlené v guli ako hrozienka. Suma sumárum, náboj elektrónov sa zhoduje s nábojom celého jadra, čo robí atóm neutrálnym.

Počas štúdia štruktúry atómu sa zistilo, že všetky atómy v pevných látkach vykonávajú oscilačné pohyby. A ako viete, každá pohybujúca sa častica vyžaruje vlny. Preto má každý atóm svoje vlastné spektrum. Tieto tvrdenia však nijako nezapadali do Thomsonovho modelu.

Rutherfordova skúsenosť

Na potvrdenie alebo vyvrátenie Thomsonovho modelu navrhol Rutherford experiment, ktorého výsledkom bolo bombardovanie atómu niektorého prvku alfa časticami. V dôsledku tohto experimentu bolo dôležité zistiť, ako sa bude častica správať.

Častice alfa boli objavené v dôsledku rádioaktívneho rozpadu rádia. Ich prúdy boli alfa lúče, ktorých každá častica mala kladný náboj. V dôsledku mnohých štúdií sa zistilo, že častica alfa je ako atóm hélia, v ktorom nie sú žiadne elektróny. Pomocou súčasných poznatkov vieme, že častica alfa je jadrom hélia, zatiaľ čo Rutherford veril, že ide o héliové ióny.

Každá alfa častica mala obrovskú energiu, v dôsledku čoho mohla letieť na príslušné atómy vysokou rýchlosťou. Hlavným výsledkom experimentu preto bolo určenie uhla vychýlenia častíc.

Na experiment použil Rutherford tenkú zlatú fóliu. Nasmeroval naň vysokorýchlostné alfa častice. Predpokladal, že v dôsledku tohto experimentu všetky častice preletia cez fóliu a s malými odchýlkami. Aby to však s istotou zistil, prikázal svojim študentom, aby skontrolovali, či v týchto časticiach nie sú nejaké veľké odchýlky.

Výsledok experimentu prekvapil úplne každého, pretože mnohé častice sa nielen odchýlili o dostatočne veľký uhol – niektoré uhly vychýlenia dosiahli viac ako 90 stupňov.

Tieto výsledky prekvapili úplne každého, Rutherford povedal, že je to pocit, ako keby bol do dráhy projektilov umiestnený kus papiera, ktorý nedovolil alfa častici preniknúť dovnútra, v dôsledku čoho sa otočila späť.

Ak by bol atóm skutočne pevný, potom by mal mať nejaké elektrické pole, ktoré časticu spomalilo. Sila poľa však nestačila na to, aby ju úplne zastavila, nieto ešte zatlačila späť. To znamená, že Thomsonov model bol vyvrátený. Rutherford teda začal pracovať na novom modeli.

Na získanie tohto výsledku experimentu je potrebné koncentrovať kladný náboj v menšom množstve, čo má za následok väčšie elektrické pole. Pomocou vzorca potenciálu poľa môžete určiť požadovanú veľkosť kladnej častice, ktorá by mohla odpudzovať časticu alfa v opačnom smere. Jeho polomer by mal byť rádovo maximálny 10 -15 m. Preto Rutherford navrhol planetárny model atómu.

Tento model sa tak volá z nejakého dôvodu. Faktom je, že vo vnútri atómu sa nachádza kladne nabité jadro, podobne ako Slnko v slnečnej sústave. Elektróny obiehajú okolo jadra ako planéty. Slnečná sústava je usporiadaná tak, že planéty sú priťahované k Slnku pomocou gravitačných síl, avšak v dôsledku dostupnej rýchlosti, ktorá ich drží na obežnej dráhe, nedopadajú na povrch Slnka. To isté sa deje s elektrónmi – Coulombove sily priťahujú elektróny do jadra, ale vďaka rotácii nedopadnú na povrch jadra.

Jeden Thomsonov predpoklad sa ukázal ako absolútne správny – celkový náboj elektrónov zodpovedá náboju jadra. V dôsledku silnej interakcie však môžu byť elektróny vyradené z ich obežnej dráhy, v dôsledku čoho nie je náboj kompenzovaný a atóm sa mení na kladne nabitý ión.

Veľmi dôležitá informácia týkajúca sa štruktúry atómu je, že takmer všetka hmotnosť atómu je sústredená v jadre. Napríklad atóm vodíka má iba jeden elektrón, ktorého hmotnosť je viac ako jeden a pol tisíckrát menšia ako hmotnosť jadra.

Planetárny model atómu navrhol E. Rutherford v roku 1910. Prvé štúdie štruktúry atómu urobil pomocou alfa častíc. Na základe výsledkov získaných v experimentoch s ich rozptylom Rutherford navrhol, že všetok kladný náboj atómu je sústredený v malom jadre v jeho strede. Na druhej strane, záporne nabité elektróny sú distribuované po celom zvyšku jeho objemu.

Trochu pozadia

Prvý skvelý odhad o existencii atómov urobil staroveký grécky vedec Democritus. Odvtedy myšlienka existencie atómov, ktorých kombinácie dávajú všetky látky okolo nás, neopustila predstavivosť ľudí vedy. Z času na čas sa na ňu obracali jej rôzni predstavitelia, no až do začiatku 19. storočia boli ich konštrukcie len hypotézami, nepodložené experimentálnymi údajmi.

Nakoniec, v roku 1804, viac ako sto rokov predtým, ako sa objavil planetárny model atómu, anglický vedec John Dalton poskytol dôkazy o jeho existencii a predstavil koncept atómovej hmotnosti, čo bola jeho prvá kvantitatívna charakteristika. Ako jeho predchodcovia, aj on si predstavoval atómy ako najmenšie kúsky hmoty, ako pevné gule, ktoré sa nedajú rozdeliť na ešte menšie častice.

Objav elektrónu a prvý model atómu

Uplynulo takmer storočie, keď napokon na konci 19. storočia aj Angličan J. J. Thomson objavil prvú subatomárnu časticu, záporne nabitý elektrón. Keďže atómy sú elektricky neutrálne, Thomson si myslel, že musia byť zložené z kladne nabitého jadra s elektrónmi rozptýlenými po celom jeho objeme. Na základe rôznych experimentálnych výsledkov navrhol v roku 1898 svoj model atómu, niekedy nazývaného „slivky v pudingu“, pretože atóm v ňom bol reprezentovaný ako guľa naplnená nejakou kladne nabitou kvapalinou, do ktorej boli vložené elektróny, ako „ slivky do nákypu. Polomer takéhoto sférického modelu bol asi 10 -8 cm Celkový kladný náboj kvapaliny je symetricky a rovnomerne vyvážený zápornými nábojmi elektrónov, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Tento model uspokojivo vysvetlil skutočnosť, že keď sa látka zahreje, začne vyžarovať svetlo. Hoci to bol prvý pokus pochopiť, čo je atóm, nepodarilo sa mu uspokojiť výsledky experimentov, ktoré neskôr vykonali Rutherford a iní. Thomson v roku 1911 súhlasil s tým, že jeho model jednoducho nedokáže odpovedať na to, ako a prečo dochádza k rozptylu α-lúčov pozorovaných pri experimentoch. Preto sa od neho upustilo a nahradil ho dokonalejší planetárny model atómu.

Ako je vôbec atóm usporiadaný?

Ernest Rutherford poskytol vysvetlenie fenoménu rádioaktivity, za ktoré dostal Nobelovu cenu, ale jeho najvýznamnejší prínos pre vedu prišiel neskôr, keď zistil, že atóm pozostáva z hustého jadra obklopeného dráhami elektrónov, rovnako ako je obklopené slnko. obežnými dráhami planét.

Podľa planetárneho modelu atómu je väčšina jeho hmoty sústredená v malom (v porovnaní s veľkosťou celého atómu) jadre. Elektróny sa pohybujú okolo jadra a pohybujú sa neuveriteľnou rýchlosťou, ale väčšina objemu atómov je prázdny priestor.

Veľkosť jadra je taká malá, že jeho priemer je 100 000-krát menší ako priemer atómu. Priemer jadra odhadol Rutherford na 10 - 13 cm, na rozdiel od veľkosti atómu - 10 - 8 cm. Mimo jadra sa okolo neho otáčajú elektróny vysokou rýchlosťou, výsledkom čoho sú odstredivé sily, ktoré vyrovnávajú elektrostatické sily. príťažlivosti medzi protónmi a elektrónmi.

Rutherfordove experimenty

Planetárny model atómu vznikol v roku 1911 po slávnom experimente so zlatou fóliou, ktorý umožnil získať základné informácie o jeho štruktúre. Rutherfordova cesta k objavu atómového jadra je dobrým príkladom úlohy kreativity vo vede. Jeho pátranie začalo už v roku 1899, keď zistil, že určité prvky vyžarujú kladne nabité častice, ktoré dokážu preniknúť čímkoľvek. Tieto častice nazval častice alfa (α) (teraz vieme, že to boli jadrá hélia). Ako všetci dobrí vedci, aj Rutherford bol zvedavý. Zaujímalo ho, či by sa alfa častice nedali použiť na zistenie štruktúry atómu. Rutherford sa rozhodol namieriť lúč alfa častíc na plát veľmi tenkej zlatej fólie. Vybral si zlato, pretože dokáže vyrobiť pláty tenké až 0,00004 cm Za plátom zlatej fólie umiestnil obrazovku, ktorá sa rozžiarila, keď na ňu dopadli častice alfa. Používal sa na detekciu častíc alfa po ich prechode cez fóliu. Malá štrbina na obrazovke umožnila lúču alfa častíc dosiahnuť fóliu po opustení zdroja. Niektoré z nich musia prejsť fóliou a pokračovať v pohybe rovnakým smerom, zatiaľ čo druhá časť sa musí od fólie odraziť a odrážať v ostrých uhloch. Schému experimentu môžete vidieť na obrázku nižšie.

Čo sa stalo v Rutherfordovom experimente?

Na základe modelu atómu J. J. Thomsona Rutherford predpokladal, že pevné oblasti s kladným nábojom, ktoré vypĺňajú celý objem atómov zlata, sa pri prechode cez fóliu odchýlia alebo ohnú trajektórie všetkých častíc alfa.

Prevažná väčšina alfa častíc však prešla práve cez zlatú fóliu, ako keby tam ani nebola. Zdalo sa, že prechádzajú prázdnym priestorom. Len málo z nich sa odkláňa z priamej cesty, ako sa na začiatku predpokladalo. Nižšie je uvedený graf počtu častíc rozptýlených v príslušnom smere v závislosti od uhla rozptylu.

Prekvapivo sa malé percento častíc odrazilo od fólie, ako keď sa basketbalová lopta odrazí od dosky. Rutherford si uvedomil, že tieto odchýlky boli výsledkom priamej kolízie medzi časticami alfa a kladne nabitými zložkami atómu.

V centre pozornosti je jadro

Na základe zanedbateľného percenta alfa častíc odrazených od fólie môžeme usúdiť, že všetok kladný náboj a takmer všetka hmotnosť atómu sú sústredené v jednej malej oblasti a zvyšok atómu je väčšinou prázdny priestor. Rutherford nazval oblasť koncentrovaného kladného náboja jadrom. Predpovedal a čoskoro zistil, že obsahuje kladne nabité častice, ktoré pomenoval protóny. Rutherford predpovedal existenciu neutrálnych atómových častíc nazývaných neutróny, ale nepodarilo sa mu ich odhaliť. Jeho študent James Chadwick ich však objavil o niekoľko rokov neskôr. Na obrázku nižšie je znázornená štruktúra jadra atómu uránu.

Atómy pozostávajú z kladne nabitých ťažkých jadier obklopených záporne nabitými extrémne ľahkými časticami-elektrónmi, ktoré sa okolo nich otáčajú, a to takými rýchlosťami, že mechanické odstredivé sily jednoducho vyrovnávajú ich elektrostatickú príťažlivosť k jadru a v tejto súvislosti je údajne zabezpečená stabilita atómu.

Nevýhody tohto modelu

Hlavná myšlienka Rutherforda súvisela s myšlienkou malého atómového jadra. Predpoklad o dráhach elektrónov bol čistý dohad. Nevedel presne, kde a ako elektróny obiehajú okolo jadra. Preto Rutherfordov planetárny model nevysvetľuje rozloženie elektrónov na obežných dráhach.

Stabilita Rutherfordovho atómu bola navyše možná len pri nepretržitom pohybe elektrónov po dráhach bez straty kinetickej energie. Elektrodynamické výpočty však ukázali, že pohyb elektrónov pozdĺž akýchkoľvek krivočiarych trajektórií, sprevádzaný zmenou smeru vektora rýchlosti a výskytom zodpovedajúceho zrýchlenia, je nevyhnutne sprevádzaný emisiou elektromagnetickej energie. V tomto prípade podľa zákona zachovania energie musí byť kinetická energia elektrónu veľmi rýchlo vynaložená na žiarenie a tá musí dopadnúť na jadro, ako je schematicky znázornené na obrázku nižšie.

Ale to sa nestane, pretože atómy sú stabilné formácie. Medzi modelom javu a experimentálnymi údajmi vznikol typický vedecký rozpor.

Od Rutherforda po Nielsa Bohra

Ďalší veľký pokrok v atómovej histórii nastal v roku 1913, keď dánsky vedec Niels Bohr zverejnil popis podrobnejšieho modelu atómu. Jasnejšie určila miesta, kde by sa elektróny mohli nachádzať. Hoci neskorší vedci vyvinuli prepracovanejšie atómové konštrukcie, Bohrov planetárny model atómu bol v zásade správny a väčšina z neho je dodnes akceptovaná. Mal mnoho užitočných aplikácií, napríklad sa používa na vysvetlenie vlastností rôznych chemických prvkov, povahy ich radiačného spektra a štruktúry atómu. Planetárny model a Bohrov model boli najdôležitejšími míľnikmi, ktoré znamenali vznik nového smeru vo fyzike – fyziky mikrosveta. Bohr dostal v roku 1922 Nobelovu cenu za fyziku za svoje príspevky k nášmu pochopeniu štruktúry atómu.

Čo nové priniesol Bohr do modelu atómu?

Bohr ešte ako mladý muž pracoval v Rutherfordovom laboratóriu v Anglicku. Keďže koncept elektrónov bol v Rutherfordovom modeli nedostatočne rozvinutý, Bohr sa na ne zameral. V dôsledku toho sa výrazne zlepšil planetárny model atómu. Bohrove postuláty, ktoré formuloval vo svojom článku „O štruktúre atómov a molekúl“, publikovanom v roku 1913, zneli:

1. Elektróny sa môžu pohybovať okolo jadra iba v pevných vzdialenostiach od neho, ktoré sú určené množstvom energie, ktorú majú. Tieto pevné úrovne nazval energetické hladiny alebo elektrónové obaly. Bohr si ich predstavoval ako sústredné gule s jadrom v strede každej z nich. V tomto prípade sa elektróny s nižšou energiou budú nachádzať na nižších úrovniach, bližšie k jadru. Tí, ktorí majú viac energie, sa budú nachádzať na vyšších úrovniach, ďalej od jadra.

2. Ak elektrón pohltí nejaké (pre danú úroveň celkom isté) množstvo energie, potom preskočí na ďalšiu, vyššiu energetickú úroveň. Naopak, ak stratí rovnaké množstvo energie, vráti sa späť na pôvodnú úroveň. Elektrón však nemôže existovať na dvoch energetických úrovniach.

Túto myšlienku znázorňuje obrázok.

Energetické časti pre elektróny

Bohrov model atómu je vlastne kombináciou dvoch rôznych myšlienok: Rutherfordov atómový model s elektrónmi otáčajúcimi sa okolo jadra (v podstate Bohr-Rutherfordov planetárny model atómu) a myšlienka Maxa Plancka o kvantovaní energie hmoty, publikované v roku 1901. Kvantum (množné číslo - kvantá) je minimálne množstvo energie, ktoré môže látka absorbovať alebo vyžarovať. Je to druh diskretizačného kroku pre množstvo energie.

Ak sa energia prirovnáva k vode a chcete ju pridať do hmoty vo forme pohára, nemôžete len nalievať vodu v nepretržitom prúde. Namiesto toho ho môžete pridať v malých množstvách, napríklad čajovú lyžičku. Bohr veril, že ak elektróny môžu absorbovať alebo stratiť iba fixné množstvá energie, potom by mali meniť svoju energiu iba o tieto fixné množstvá. Môžu teda zaberať len pevné energetické hladiny okolo jadra, ktoré zodpovedajú kvantovaným prírastkom ich energie.

Takže z Bohrovho modelu vyrastá kvantový prístup k vysvetleniu, aká je štruktúra atómu. Planetárny model a Bohrov model boli akési kroky od klasickej fyziky ku kvantovej fyzike, ktorá je hlavným nástrojom fyziky mikrokozmu, vrátane atómovej fyziky.

Stali sa dôležitým krokom vo vývoji fyziky. Rutherfordov model mal veľký význam. Atóm ako systém a častice, ktoré ho tvoria, boli študované presnejšie a podrobnejšie. To viedlo k úspešnému rozvoju takej vedy, ako je jadrová fyzika.

Staroveké predstavy o štruktúre hmoty

Predpoklad, že okolité telesá pozostávajú z najmenších častíc, vznikol už v staroveku. Vtedajší myslitelia predstavovali atóm ako najmenšiu a nedeliteľnú časticu akejkoľvek látky. Tvrdili, že vo vesmíre nie je nič menšie ako atóm. Takéto názory zastávali veľkí starogrécki vedci a filozofi - Democritus, Lucretius, Epicurus. Hypotézy týchto mysliteľov sú dnes zjednotené pod názvom "staroveký atomizmus".

Stredoveké predstavenia

Časy staroveku pominuli a v stredoveku sa našli aj vedci, ktorí robili rôzne domnienky o štruktúre látok. Prevaha nábožensko-filozofických názorov a sila cirkvi v tomto období dejín však v zárodku utlmili akékoľvek pokusy a túžby ľudskej mysle k materialistickým vedeckým záverom a objavom. Ako viete, stredoveká inkvizícia sa správala veľmi nepriateľsky k predstaviteľom vtedajšieho vedeckého sveta. Zostáva povedať, že vtedajšie bystré mysle mali predstavu pochádzajúcu z antiky o nedeliteľnosti atómu.

Výskum v 18. a 19. storočí

18. storočie sa nieslo v znamení vážnych objavov v oblasti elementárnej štruktúry hmoty. Z veľkej časti vďaka úsiliu vedcov ako Antoine Lavoisier, Michail Lomonosov a Nezávisle od seba boli schopní dokázať, že atómy skutočne existujú. Ale otázka ich vnútornej štruktúry zostala otvorená. Koniec 18. storočia bol vo vedeckom svete poznačený takou významnou udalosťou, akou bol objav periodického systému chemických prvkov D. I. Mendelejevom. Bol to skutočne silný prielom tej doby a nadvihol závoj nad pochopením, že všetky atómy majú jedinú povahu, že sú navzájom prepojené. Neskôr, v 19. storočí, ďalším dôležitým krokom k odhaleniu štruktúry atómu bol dôkaz, že ktorýkoľvek z nich obsahuje elektrón. Práca vedcov tohto obdobia pripravila úrodnú pôdu pre objavy 20. storočia.

Thomsonove experimenty

Anglický fyzik John Thomson v roku 1897 dokázal, že zloženie atómov zahŕňa elektróny so záporným nábojom. V tomto štádiu boli konečne zničené falošné predstavy, že atóm je hranicou deliteľnosti akejkoľvek látky. Ako sa Thomsonovi podarilo dokázať existenciu elektrónov? Vo svojich experimentoch vedec umiestnil elektródy do vysoko riedkych plynov a prešiel elektrickým prúdom. Výsledkom boli katódové lúče. Thomson starostlivo študoval ich vlastnosti a zistil, že ide o prúd nabitých častíc, ktoré sa pohybujú veľkou rýchlosťou. Vedec dokázal vypočítať hmotnosť týchto častíc a ich náboj. Zistil tiež, že sa nedajú premeniť na neutrálne častice, keďže základom ich povahy je elektrický náboj. Taký bol aj Thomson a tvorca prvého modelu štruktúry atómu na svete. Atóm je podľa nej zhluk pozitívne nabitých látok, v ktorých sú negatívne nabité elektróny rovnomerne rozložené. Táto štruktúra vysvetľuje všeobecnú neutralitu atómov, pretože opačné náboje sa navzájom vyrovnávajú. Experimenty Johna Thomsona sa stali neoceniteľnými pre ďalšie štúdium štruktúry atómu. Mnohé otázky však zostali nezodpovedané.

Rutherfordov výskum

Thomson objavil existenciu elektrónov, ale nepodarilo sa mu nájsť kladne nabité častice v atóme. v roku 1911 napravil toto nedorozumenie. Počas experimentov, pri štúdiu aktivity alfa častíc v plynoch, zistil, že v atóme sú kladne nabité častice. Rutherford videl, že keď lúče prechádzajú cez plyn alebo cez tenkú kovovú platňu, malý počet častíc sa prudko odchyľuje od trajektórie pohybu. Boli doslova hodení späť. Vedec uhádol, že toto správanie je spôsobené zrážkou s kladne nabitými časticami. Takéto experimenty umožnili fyzikovi vytvoriť Rutherfordov model štruktúry atómu.

planetárny model

Teraz sa myšlienky vedca trochu líšili od predpokladov Johna Thomsona. Ich modely atómov sa tiež zmenili. mu umožnilo vytvoriť úplne novú teóriu v tejto oblasti. Objavy vedca mali rozhodujúci význam pre ďalší rozvoj fyziky. Rutherfordov model opisuje atóm ako jadro umiestnené v strede a okolo neho sa pohybujúce elektróny. Jadro má kladný náboj a elektróny záporný náboj. Rutherfordov model atómu predpokladal rotáciu elektrónov okolo jadra po určitých trajektóriách – obežných dráhach. Objav vedca pomohol vysvetliť dôvod odchýlky častíc alfa a stal sa impulzom pre rozvoj jadrovej teórie atómu. V Rutherfordovom modeli atómu existuje analógia s pohybom planét slnečnej sústavy okolo Slnka. Toto je veľmi presné a názorné porovnanie. Preto sa Rutherfordov model, v ktorom sa atóm pohybuje okolo jadra po obežnej dráhe, nazval planetárny.

Diela Nielsa Bohra

O dva roky neskôr sa dánsky fyzik Niels Bohr pokúsil spojiť predstavy o štruktúre atómu s kvantovými vlastnosťami svetelného toku. Rutherfordov jadrový model atómu dal vedec ako základ svojej novej teórie. Podľa Bohra sa atómy otáčajú okolo jadra po kruhových dráhach. Takáto dráha pohybu vedie k zrýchleniu elektrónov. Coulombova interakcia týchto častíc so stredom atómu je navyše sprevádzaná tvorbou a spotrebou energie na udržanie priestorového elektromagnetického poľa vznikajúceho pohybom elektrónov. Za takýchto podmienok musia záporne nabité častice jedného dňa spadnúť na jadro. Ale to sa nestane, čo naznačuje väčšiu stabilitu atómov ako systémov. Niels Bohr si uvedomil, že zákony klasickej termodynamiky opísané Maxwellovými rovnicami nefungujú vo vnútroatómových podmienkach. Vedec si preto dal za úlohu odvodiť nové vzory, ktoré by boli platné vo svete elementárnych častíc.

Bohrove postuláty

Z veľkej časti vďaka tomu, že Rutherfordov model existoval, atóm a jeho zložky boli dobre preštudované, Niels Bohr mohol pristúpiť k vytvoreniu svojich postulátov. Prvý z nich hovorí, že atóm má pri ktorom nemení svoju energiu, pričom elektróny sa pohybujú po dráhach bez toho, aby zmenili svoju trajektóriu. Podľa druhého postulátu, keď sa elektrón pohybuje z jednej dráhy na druhú, energia sa uvoľňuje alebo absorbuje. Rovná sa rozdielu medzi energiami predchádzajúceho a nasledujúceho stavu atómu. V tomto prípade, ak elektrón preskočí na obežnú dráhu bližšie k jadru, potom dôjde k žiareniu a naopak. Napriek tomu, že pohyb elektrónov sa len málo podobá orbitálnej trajektórii umiestnenej striktne v kruhu, Bohrov objav poskytol vynikajúce vysvetlenie existencie čiarového spektra. Približne v rovnakom čase fyzici Hertz a Frank, ktorí žili v Nemecku, potvrdil teóriu Nielsa Bohra o existencii stacionárnych, stabilných stavov atómu a možnosti zmeny hodnôt atómovej energie.

Spolupráca dvoch vedcov

Mimochodom, Rutherford dlho nevedel určiť Vedci Marsden a Geiger sa pokúsili ešte raz preveriť tvrdenia Ernesta Rutherforda a na základe podrobných a dôkladných experimentov a výpočtov dospeli k záveru, že ide o jadro. najdôležitejšia charakteristika atómu a je v nej sústredený všetok jeho náboj. Neskôr sa dokázalo, že hodnota náboja jadra sa číselne rovná poradovému číslu prvku v periodickej sústave prvkov D. I. Mendelejeva. Zaujímavé je, že Niels Bohr sa čoskoro stretol s Rutherfordom a plne súhlasil s jeho názormi. Následne vedci dlho spolupracovali v tom istom laboratóriu. Rutherfordov model, atóm ako systém pozostávajúci z elementárnych nabitých častíc – to všetko považoval Niels Bohr za spravodlivé a svoj elektronický model navždy odložil. Spoločná vedecká činnosť vedcov bola veľmi úspešná a priniesla svoje ovocie. Každý z nich sa ponoril do štúdia vlastností elementárnych častíc a urobil pre vedu významné objavy. Neskôr Rutherford objavil a dokázal možnosť jadrového rozkladu, ale to je téma na iný článok.

Planetárny model atómu

Planetárny model atómu: jadro (červené) a elektróny (zelené)

Planetárny model atómu, alebo Rutherfordov model, - historický model štruktúry atómu, ktorý navrhol Ernest Rutherford ako výsledok experimentu s rozptylom častíc alfa. Podľa tohto modelu sa atóm skladá z malého kladne nabitého jadra, v ktorom je sústredená takmer všetka hmota atómu, okolo ktorého sa pohybujú elektróny, rovnako ako sa pohybujú planéty okolo Slnka. Planetárny model atómu zodpovedá moderným predstavám o štruktúre atómu, berúc do úvahy skutočnosť, že pohyb elektrónov je kvantovej povahy a nie je popísaný zákonmi klasickej mechaniky. Historicky, Rutherfordov planetárny model nahradil "model slivkového pudingu" Josepha Johna Thomsona, ktorý predpokladá, že negatívne nabité elektróny sú umiestnené vo vnútri kladne nabitého atómu.

Rutherford navrhol nový model štruktúry atómu v roku 1911 ako záver z experimentu o rozptyle častíc alfa na zlatej fólii, ktorý sa uskutočnil pod jeho vedením. Pri tomto rozptyle sa pod veľkými uhlami rozptýlilo nečakane veľké množstvo alfa častíc, čo naznačovalo, že centrum rozptylu malo malú veľkosť a koncentroval sa v ňom výrazný elektrický náboj. Rutherfordove výpočty ukázali, že rozptylové centrum, kladne alebo záporne nabité, musí byť aspoň 3000-krát menšie ako veľkosť atómu, ktorý bol v tom čase už známy a odhadovaný na približne 10 -10 m. Keďže elektróny boli známe už pri V tomto čase a ich hmotnosti a náboji musí mať rozptylové centrum, ktoré sa neskôr nazývalo jadro, opačný náboj ako elektróny. Rutherford nespájal množstvo náboja s atómovým číslom. Tento záver bol urobený neskôr. A sám Rutherford navrhol, že náboj je úmerný atómovej hmotnosti.

Nevýhodou planetárneho modelu bola jeho nekompatibilita so zákonmi klasickej fyziky. Ak sa elektróny pohybujú okolo jadra ako planéta okolo Slnka, ich pohyb je zrýchlený, a preto by podľa zákonov klasickej elektrodynamiky mali vyžarovať elektromagnetické vlny, strácať energiu a dopadať na jadro. Ďalším krokom vo vývoji planetárneho modelu bol Bohrov model, postulujúci iné, od klasických zákonov pohybu elektrónov. Úplne rozpory elektrodynamiky dokázala vyriešiť kvantová mechanika.

Nadácia Wikimedia. 2010.

• Planetárium Eise Eisingiho
• planetárna fantázia

Pozrite sa, čo je „planetárny model atómu“ v iných slovníkoch:

planetárny model atómu- planetinis atomo modelis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. model planétového atómu vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. planetárny model atómu, f pranc. modele planétaire de l'atome, m … Fizikos terminų žodynas

Bohrov model atómu- Bohrov model atómu podobného vodíku (jadrový náboj Z), kde je záporne nabitý elektrón uzavretý v atómovom obale obklopujúcom malé, kladne nabité atómové jadro ... Wikipedia

Model (vo vede)- Model (franc. modèle, taliansky modello, z lat. modul merať, merať, vzorka, norma), 1) vzorka, ktorá slúži ako etalón (štandard) pre sériovú alebo hromadnú reprodukciu (M. auto, M. oblečenie atď. . ), ako aj typ, značka akéhokoľvek ... ...

Model- I Model (Model) Walter (24. januára 1891, Gentin, Východné Prusko, 21. apríla 1945, neďaleko Duisburgu), nacistický nemecký generál poľný maršal (1944). V armáde od roku 1909 sa zúčastnil 1. svetovej vojny 1914 18. Od novembra 1940 velil 3. tanku ... ... Veľká sovietska encyklopédia

ŠTRUKTÚRA ATÓMU- (pozri) sa skladá z elementárnych častíc troch typov (pozri), (pozri) a (pozri), ktoré tvoria stabilný systém. Protón a neutrón sú súčasťou atómu (pozri), elektróny tvoria elektrónový obal. V jadre pôsobia sily (pozri), vďaka ktorým ... ... Veľká polytechnická encyklopédia

Atom- Tento výraz má iné významy, pozri Atóm (významy). Atóm hélia Atóm (z iného gréckeho ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), anglický fyzik, jeden z tvorcov teórie rádioaktivity a štruktúry atómu, zakladateľ vedeckej školy, zahraničný korešpondent Ruskej akadémie vied (1922) a čestný člen Akadémie ZSSR vied (1925). Narodil sa na Novom Zélande po absolvovaní ... ... encyklopedický slovník

Άτομο

telieska- Atóm hélia Atóm (ďalší grécky ἄτομος nedeliteľný) je najmenšia časť chemického prvku, ktorý je nositeľom jeho vlastností. Atóm pozostáva z atómového jadra a elektrónového mraku, ktorý ho obklopuje. Jadro atómu pozostáva z kladne nabitých protónov a ... ... Wikipedia

krviniek- Atóm hélia Atóm (ďalší grécky ἄτομος nedeliteľný) je najmenšia časť chemického prvku, ktorý je nositeľom jeho vlastností. Atóm pozostáva z atómového jadra a elektrónového mraku, ktorý ho obklopuje. Jadro atómu pozostáva z kladne nabitých protónov a ... ... Wikipedia

knihy

• Sada stolov. fyzika. 11. ročník (15 tabuliek), . Vzdelávací album 15 listov. Transformátor. Elektromagnetická indukcia v modernej technológii. Elektronické lampy. Katódová trubica. Polovodiče. polovodičová dióda. Tranzistor.…

Myšlienka, že atómy sú najmenšie častice hmoty, sa prvýkrát objavila v starovekom Grécku. Až koncom 18. storočia sa však vďaka práci takých vedcov ako A. Lavoisier, M. V. Lomonosov a niektorých ďalších podarilo dokázať, že atómy skutočne existujú. V tých časoch sa však nikto nečudoval, aká je ich vnútorná štruktúra. Vedci stále považovali atómy za nedeliteľné „tehly“, ktoré tvoria všetku hmotu.

Pokusy vysvetliť štruktúru atómu

Kto navrhol jadrový model ako prvý zo všetkých vedcov? Prvý pokus o vytvorenie modelu týchto častíc patril J. Thomsonovi. Nedá sa však nazvať úspešným v plnom zmysle slova. Koniec koncov, Thomson veril, že atóm je sférický a elektricky neutrálny systém. Vedec zároveň predpokladal, že kladný náboj je rozložený rovnomerne po celom objeme tejto gule a vo vnútri je negatívne nabité jadro. Všetky pokusy vedca vysvetliť vnútornú štruktúru atómu boli neúspešné. Ernest Rutherford je ten, kto navrhol jadrový model štruktúry atómu niekoľko rokov po tom, čo Thomson predložil svoju teóriu.

História výskumu

S pomocou štúdia elektrolýzy v roku 1833 bol Faraday schopný zistiť, že prúd v roztoku elektrolytu je prúd nabitých častíc alebo iónov. Na základe týchto štúdií bol schopný určiť minimálny náboj iónu. Dôležitú úlohu vo vývoji tohto smeru vo fyzike zohral aj domáci chemik D. I. Mendelejev. Bol to on, kto ako prvý vzniesol vo vedeckých kruhoch otázku, že všetky atómy môžu mať rovnakú povahu. Vidíme, že predtým, ako bol prvýkrát navrhnutý Rutherfordov jadrový model štruktúry atómu, vykonali rôzni vedci veľké množstvo rovnako dôležitých experimentov. Posunuli dopredu atomistickú teóriu štruktúry hmoty.

Prvé skúsenosti

Rutherford je skutočne brilantný vedec, pretože jeho objavy obrátili myšlienku štruktúry hmoty hore nohami. V roku 1911 sa mu podarilo uskutočniť experiment, pomocou ktorého boli výskumníci schopní nahliadnuť do tajomných hlbín atómu, aby získali predstavu o jeho vnútornej štruktúre. Prvé experimenty vedec uskutočnil s podporou ďalších výskumníkov, no hlavná úloha pri objave stále patrila Rutherfordovi.

Experimentujte

Pomocou prírodných zdrojov rádioaktívneho žiarenia dokázal Rutherford zostrojiť delo, ktoré vysielalo prúd alfa častíc. Bola to krabica vyrobená z olova, v ktorej bola rádioaktívna látka. Kanón mal štrbinu, cez ktorú všetky alfa častice dopadali na olovenú clonu. Vyletieť mohli len cez štrbinu. Tomuto lúču rádioaktívnych častíc stálo v ceste niekoľko ďalších obrazoviek.

Oddeľovali častice, ktoré sa odchýlili od predtým nastaveného smeru. Prísne zameraný cieľ zasiahol cieľ.Rutherford použil ako cieľ tenký plát zlatej fólie. Potom, čo častice zasiahli túto vrstvu, pokračovali vo svojom pohybe a nakoniec zasiahli fluorescenčnú obrazovku, ktorá bola nainštalovaná za týmto cieľom. Keď alfa častice dopadli na túto obrazovku, boli zaznamenané záblesky, podľa ktorých mohol vedec posúdiť, koľko častíc sa pri zrážke s fóliou odchyľuje od pôvodného smeru a aká je veľkosť tejto odchýlky.

Rozdiely oproti predchádzajúcim skúsenostiam

Školáci a študenti, ktorí sa zaujímajú o tých, ktorí navrhli jadrový model štruktúry atómu, by mali vedieť, že podobné experimenty sa robili vo fyzike už pred Rutherfordom. Ich hlavnou myšlienkou bolo zozbierať čo najviac informácií o štruktúre atómu z odchýlok častíc od pôvodnej trajektórie. Všetky tieto štúdie viedli k nahromadeniu určitého množstva informácií vo vede, vyvolali úvahy o vnútornej štruktúre najmenších častíc.

Už na začiatku 20. storočia vedci vedeli, že atóm obsahuje elektróny, ktoré majú záporný náboj. Ale medzi väčšinou výskumníkov prevládal názor, že atóm zvnútra je skôr ako mriežka naplnená negatívne nabitými časticami. Takéto experimenty umožnili získať množstvo informácií – napríklad určiť geometrické rozmery atómov.

geniálny odhad

Rutherford si všimol, že žiadny z jeho predchodcov sa nikdy nepokúšal určiť, či sa častice alfa môžu odchyľovať vo veľmi veľkých uhloch od svojej trajektórie. Starý model, niekedy medzi vedcami nazývaný „hrozienkový puding“ (pretože podľa tohto modelu sú elektróny v atóme rozmiestnené ako hrozienka v pudingu), jednoducho neumožňoval existenciu hustých štruktúrnych komponentov vo vnútri atómu. Nikto z vedcov sa ani neunúval uvažovať o tejto možnosti. Výskumník požiadal svojho študenta, aby zariadenie znovu vybavil tak, aby boli zaznamenané aj veľké odchýlky častíc od trajektórie – len aby sa takáto možnosť vylúčila. Predstavte si prekvapenie vedca aj jeho študenta, keď sa ukázalo, že niektoré častice sa od seba rozletia pod uhlom 180 o.

Čo je vnútri atómu?

Dozvedeli sme sa, kto navrhol jadrový model štruktúry atómu a aké boli skúsenosti tohto vedca. V tom čase bol Rutherfordov experiment skutočným prelomom. Bol nútený dospieť k záveru, že vo vnútri atómu je väčšina hmoty uzavretá vo veľmi hustej látke. Schéma jadrového modelu štruktúry atómu je mimoriadne jednoduchá: vo vnútri je kladne nabité jadro.

Ďalšie častice, nazývané elektróny, sa točia okolo tohto jadra. Zvyšok je o niekoľko rádov menej hustý. Usporiadanie elektrónov vo vnútri atómu nie je chaotické – častice sú usporiadané podľa narastajúcej energie. Výskumník nazval vnútorné časti atómov jadrá. Názvy, ktoré vedec zaviedol, sa vo vede dodnes používajú.

Ako sa pripraviť na lekciu?

Tí školáci, ktorí majú záujem o tých, ktorí navrhli jadrový model štruktúry atómu, sa môžu v lekcii pochváliť ďalšími vedomosťami. Môžete napríklad povedať, ako Rutherford, dlho po svojich experimentoch, rád dával analógiu pre svoj objav. Juhoafrická krajina je pašovaná so zbraňami pre rebelov, ktoré sú uzavreté v balíkoch bavlny. Ako môžu colníci presne určiť, kde sa nachádzajú nebezpečné zásoby, ak je celý vlak plný týchto balíkov? Colník môže začať strieľať na balíky a tam, kde sa guľky odrazia, a tam je zbraň. Rutherford zdôraznil, že takto vznikol jeho objav.

Študentom, ktorí sa pripravujú na zodpovedanie tejto témy v lekcii, je vhodné pripraviť si odpovede na nasledujúce otázky:

1. Kto navrhol jadrový model štruktúry atómu?

2. Aký bol zmysel experimentu?

3. Odlišnosť jadrového modelu od iných modelov.

Význam Rutherfordovej teórie

Radikálne závery, ktoré Rutherford vyvodil zo svojich experimentov, prinútili mnohých jeho súčasníkov pochybovať o platnosti tohto modelu. Ani samotný Rutherford nebol výnimkou – výsledky svojho výskumu zverejnil len dva roky po objave. Na základe klasických predstáv o pohybe mikročastíc navrhol jadrový planetárny model štruktúry atómu. Vo všeobecnosti má atóm neutrálny náboj. Elektróny sa pohybujú okolo jadra, rovnako ako planéty obiehajú okolo Slnka. K tomuto pohybu dochádza v dôsledku Coulombových síl. V súčasnosti prešiel Rutherfordov model výrazným zdokonalením, ale objav vedca dnes nestráca na aktuálnosti.