Планетарният модел на атома: опитът на Ръдърфорд

Планетарният модел на атома е предложен от Е. Ръдърфорд през 1910 г. Първите изследвания на структурата на атома са направени с помощта на алфа частици. Въз основа на резултатите, получени в експериментите по тяхното разсейване, Ръдърфорд предположи, че целият положителен заряд на един атом е концентриран в малкото ядро ​​в центъра му. От друга страна, отрицателно заредените електрони се разпределят в останалата част от неговия обем.

Малко фон

Първото брилянтно предположение за съществуването на атоми е направено от древния гръцки учен Демокрит. Оттогава идеята за съществуването на атоми, чиито комбинации дават всички вещества около нас, не е оставила въображението на хората на науката. От време на време се разглеждаха от различни представители, но до началото на 19-ти век техните конструкции бяха само хипотези, които не бяха подкрепени с експериментални данни.

И накрая, през 1804 г., повече от сто години преди да се появи планетарният модел на атома, английският учен Джон Далтън представи доказателства за своето съществуване и въведе концепцията за атомното тегло, което беше първата му количествена характеристика. Подобно на неговите предшественици, той представлява атоми в най-малките части на материята, като твърди топки, които не могат да бъдат разделени на дори по-малки частици.

Електронно откритие и първият модел на атома

Почти век премина, когато в края на 19-ти век англичанинът Дж. Дж. Томсън също открива първата субатомна частица, отрицателно заредения електрон. Тъй като атомите са електрически неутрални, Томсън е смятал, че те трябва да се състоят от положително заредено ядро ​​с разпръснати по нейния обем електрони. Въз основа на различни експериментално получени резултати, през 1898 г. той предлага собствен модел на атома, наричан понякога "сливи в пудинг", защото атомът в него е представен като сфера, изпълнена с някаква положително заредена течност, в която са вградени електрони като "сливи" в пудинг. " Радиусът на такъв сферичен модел е около 10 ^-8 см. Общият положителен заряд на течността е симетрично и равномерно балансиран с отрицателен електронни заряди, както е показано на картинката по-долу.

Този модел задоволително обяснява факта, че когато веществото се нагрява, то започва да излъчва светлина. Въпреки че това е първият опит да се разбере какво е атом, той не може да задоволи резултатите от експерименти, извършени по-късно от Ръдърфорд и други. Томсън през 1911 г. се съгласява, че неговият модел просто не може да отговори как и защо се наблюдава разсейване на α-лъчите, наблюдавано в експериментите. Затова тя беше изоставена и един по-съвършен планетарен модел на атома го замени.

Как е един атом?

Ърнест Ръдърфорд обяснява феномена на радиоактивност, който му носи Нобелова награда, но най-значимият му принос към науката е направен по-късно, когато открива, че един атом се състои от плътно ядро, обградено от електронни орбити, точно както Слънцето е заобиколено от орбити на планети.

Според планетарния модел на атома, по-голямата част от нейната маса е концентрирана в едно малко (в сравнение с размера на целия атом) ядро. Електроните се движат около ядрото, пътувайки с невероятна скорост, но по-голямата част от обема на атомите е празно пространство.

Размерът на ядрото е толкова малък, че диаметърът му е 100 000 пъти по-малък от този на атома. Ръдърфорд прецени, че диаметърът на ядрото е 10 ^-13 см, за разлика от размера на атом - 10-8 см. Извън ядрото, електроните се въртят около него при високи скорости, което води до центробежни сили, които балансират електростатичните сили на привличане между протоните и електроните.

Опитът на Ръдърфорд

Планетарният модел на атома възниква през 1911 г., след известния експеримент със златно фолио, което ни позволява да получим някаква фундаментална информация за нейната структура. Пътят на Ръдърфорд към откриването на атомното ядро ​​е добър пример за ролята на творчеството в науката. Търсенето му започва през 1899 г., когато открива, че някои елементи отделят положително заредени частици, които могат да проникнат навсякъде. Той нарича тези частици алфа (α) частици (сега знаем, че те са хелиеви ядра). Както всички добри учени, Ръдърфорд беше любопитен. Чудеше се дали могат да се използват алфа частици, за да се открие структурата на атома. Ръдърфорд реши да насочи лъча алфа частици към лист от много тънко златно фолио. Той е избрал злато, тъй като може да се използва за производство на листа с малък размер от 0,00004 см. За лист златно фолио той постави екран, който светеше, когато алфа частиците го удариха. Използва се за откриване на алфа частици след преминаването им през фолиото. Малък прорез на екрана позволи на алфа частиците да достигнат фолиото след излизане от източника. Някои от тях трябва да преминат през фолиото и да продължат да се движат в същата посока, а другата част от тях трябва да отскачат от фолиото и да се отразяват при остри ъгли. Можете да видите диаграмата на експеримента на фигурата по-долу.

Какво се случи в опита на Ръдърфорд?

Базирайки се на модела на атома на Дж. Дж. Томсън, Ръдърфорд предположи, че областите на твърди положителни заряди, изпълващи целия обем от атоми от злато, ще отклоняват или огъват траекториите на всички алфа частици, докато преминават през фолиото.

Обаче по-голямата част от алфа-частиците преминаха през златното фолио, сякаш не съществуваше. Те сякаш минаваха през празното пространство. Само няколко от тях се отклоняват от правия път, както се предполагаше в началото. По-долу е представена графика на броя на частиците, разпръснати в съответната посока на ъгъла на разсейване.

Изненадващо, малък процент от частиците се върнаха от фолиото, когато баскетболът отскочи от щита. Ръдърфорд осъзна, че тези отклонения са резултат от пряко сблъскване между алфа частици и положително заредени компоненти на атома.

Ядрото е централно

Въз основа на незначителен процент алфа частици, отразени от фолиото, може да се заключи, че целият положителен заряд и почти цялата маса на атома са концентрирани в една малка област, а останалата част от атома е предимно празно пространство. Ръдърфорд нарича зоната на концентрирания положителен заряд на ядрото. Той предрече и скоро откри, че съдържа положително заредени частици, които той нарича протони. Ръдърфорд предсказва съществуването на неутрални атомни частици, наречени неутрони, но не може да ги открие. Въпреки това неговият ученик Джеймс Чадуик ги открил няколко години по-късно. Фигурата по-долу показва структурата на ядрото на урановия атом.

Атомите се състоят от положително натоварени тежки ядра, заобиколени от отрицателно заредени изключително леки електронни частици, които се въртят около тях, и при такива скорости механичните центробежни сили просто балансират електростатичното си привличане към ядрото и в тази връзка се твърди, че стабилността на атома е гарантирана.

Недостатъци на този модел

Основната идея на Ръдърфорд принадлежи на идеята за малък атомно ядро. Предположението за електронни орбити е чиста хипотеза. Той не знаеше точно къде и как електроните се въртят около ядрото. Следователно планетарният модел на Ръдърфорд не обяснява разпределението на електроните в орбитите.

Основната идея на Ръдърфорд принадлежи на идеята за малък атомно ядро. Предположението за електронни орбити е чиста хипотеза. Той не знаеше точно къде и как електроните се въртят около ядрото. Следователно планетарният модел на Ръдърфорд не обяснява разпределението на електроните в орбитите.

В допълнение, стабилността на атома на Ръдърфорд беше възможна само при непрекъснато движение на електрони в орбити без загуба на кинетична енергия. Но електродинамичните изчисления показаха, че движението на електроните по всяка криволинейна траектория, придружено от промяна в посоката на вектора на скоростта и появата на съответното ускорение, неизбежно се придружава от излъчването на електромагнитна енергия. В същото време, според закона за опазване енергия, кинетична енергия Електронът трябва много бързо да се изразходва за радиация и трябва да падне върху ядрото, както е показано схематично на фигурата по-долу. Но това не се случва, тъй като атомите са стабилни образувания. Типичен за науката противоречие възниква между модела на явлението и експерименталните данни.

От Ръдърфорд до Нилс Бор

Следващата голяма стъпка напред в атомната история настъпва през 1913 г., когато датският учен Нилс Бор публикува описание на по-подробен модел на атома. Тя определи по-ясно местата, където могат да бъдат разположени електроните. Въпреки че по-късно учените ще разработят по-рафинирани атомни структури, но планетарният модел на атома на Бор е основно правилен, и голяма част от него все още се приема. Той има много полезни приложения, например, с негова помощ, те обясняват свойствата на различни химически елементи, естеството на техния спектър на излъчване и структурата на атома. Планетарният модел и моделът на Бор бяха най-важните етапи, отбелязващи появата на нова посока във физиката - физиката на микросвета. Бор получава Нобеловата награда за физика от 1922 г. за приноса си към нашето разбиране за структурата на атома.

Какво донесе новият Бор на атомния модел?

Докато все още е млад мъж, Бор работи в лабораторията на Ръдърфорд в Англия. Тъй като концепцията за електроните е слабо развита в модела Ръдърфорд, Бор се фокусира върху тях. В резултат на това, планетарният модел на атома беше значително усъвършенстван. Постулати на Бор, който той формулира в своята статия “За структурата на атомите и молекулите”, публикувана през 1913 г., гласи:

1. Електроните могат да се движат около ядрото само на определени разстояния от него, определени от количеството енергия, което имат. Той нарече тези фиксирани нива на енергийни нива или електронни черупки. Бор ги представяше под формата на концентрични сфери с ядро ​​в центъра на всяка от тях. В този случай електрони с по-ниска енергия ще бъдат открити на по-ниски нива, по-близо до ядрото. Тези от тях, които имат повече енергия, ще бъдат намерени на по-високи нива, по-далеч от ядрото.

2. Ако електроните абсорбират някакво (доста специфично за дадено ниво) количество енергия, то тогава ще прескочи на следващото по-високо енергийно ниво. Обратно, ако той загуби същото количество енергия, той ще се върне на първоначалното ниво. Въпреки това, електрон не може да съществува на две енергийни нива.

Тази идея е илюстрирана с картина.

Енергийни части за електрони

Моделът на атома на Бор всъщност е комбинация от две различни идеи: атомния модел на Ръдърфорд с електрони, въртящи се около ядрото (всъщност той е планетарният модел на атома Бор - Ръдърфорд), и идеята на немския учен Макс Планк за квантуване на енергията на материята, публикувана през 1901 г. Квантовата (в множествено число, квантите) е минималното количество енергия, което може да се абсорбира или излъчва от вещество. Това е един вид стъпка за вземане на проби от количеството енергия.

Ако сравните енергията с вода и искате да я добавите към материята под формата на чаша, не можете просто да изливате вода в непрекъснат поток. Вместо това можете да го добавите в малки количества, например чаена лъжичка. Бор вярва, че ако електроните могат да абсорбират или загубят само фиксирани количества енергия, тогава те трябва да променят своята енергия само с тези фиксирани количества. Така те могат да заемат само фиксирани енергийни нива около ядрото, които съответстват на квантовите увеличения на тяхната енергия.

По този начин квантовият подход към обяснението на това какво представлява атомната структура се появява от модела на Бор. Планетарният модел и моделът на Бор са специфични стъпки от класическата физика до квантовата физика, която е основният инструмент във физиката на микросвета, включително атомната физика.