Rutherfordo atominis modelis: istorija, eksperimentai, charakteristikos ir postulatai

Rutherfordo atominis modelis yra britų fiziko Ernesto Rutherfordo (1871–1937) sukurto atomo aprašymas, kai 1911 m. Jis atrado atominį branduolį, nes garsūs dispersijos eksperimentai su savo vardu.

Idėja, kad atomas („ nedalomas “ graikų kalba) kaip mažiausias medžiagos komponentas, buvo intelektuali kūryba, gimusi Senojoje Graikijoje, maždaug 300 m. Pr. Kr. Kaip ir daugelis kitų graikų sąvokų, atomo sąvoka sukurta remiantis logika ir argumentavimas, bet ne eksperimentavimas.

Didžiausi atomų filosofai buvo Abderos demokratas (460-360 m. Pr. Kr.), Samos Epikuras (341-270 m. Pr. Kr.) Ir Tito Lucretius (98–54 m. Pr. Kr.). Graikai suvokė keturis skirtingus atomų tipus, atitinkančius keturis elementus, kuriuos jie sakė sudarę: orą, vandenį, žemę ir ugnį.

Vėliau Aristotelis pridėjo penktą elementą: eterį, kuris sudarė žvaigždes, nes kiti keturi elementai buvo tik antžeminiai.

Aleksandro Didžiojo, iš kurių Aristotelis buvo mokytojas, užkariavimas išplėtė senovės pasaulio, iš Ispanijos į Indiją, įsitikinimus, todėl atominės idėjos amžių sukūrė vietą mokslo pasaulyje.

Atomas nebėra nedalomas

Graikų filosofų idėjos apie materijos struktūrą liko teisingos šimtus metų, kol chemikas ir anglų kalbos mokytojas Johnas Daltonas (1776-1844) 1808 m. Paskelbė savo eksperimentų rezultatus.

Daltonas sutiko, kad elementus sudaro labai mažos dalelės, vadinamos atomis. Tačiau jis nuvyko toliau teigdamas, kad visi to paties elemento atomai yra vienodi, turi tokį patį dydį, tą pačią masę ir tas pačias chemines savybes, dėl kurių cheminės reakcijos metu jie išlieka nepakitę.

Tai pirmasis atominis modelis, turintis mokslinį pagrindą. Kaip ir graikai, Daltonas vis dėlto laikė, kad atomas yra nedalomas, todėl jam trūksta struktūros. Tačiau Daltono genijus privertė jį laikytis vieno iš pagrindinių fizikos išsaugojimo principų:

Cheminėse reakcijose atomai nėra nei sukuriami, nei sunaikinami, jie keičia tik jų pasiskirstymą.

Jis nustatė būdą, kaip cheminiai junginiai susidarė „junginių atomų“ (molekulių):

Kai du ar daugiau skirtingų elementų atomų jungiasi su tuo pačiu junginiu, jie visada tai daro aiškios ir pastovios masės proporcijomis.

XIX a. Buvo didelis amžinas elektros ir magnetizmo amžius. Praėjus keleriems metams po Daltono leidinių, kai kurių eksperimentų rezultatai mokslininkų nuogąstavimus dėl atomo nedalumo.

Crookes vamzdis

Crookes vamzdis buvo prietaisas, suprojektuotas britų chemiko ir meteorologo Williamo Crookeso (1832-1919). Eksperimentas, kurį Crookes atliko 1875 m., Susideda iš dujinio vamzdžio, esančio žemo slėgio, patalpinimo du elektrodai, vienas vadinamas katodu, o kitas - anodas .

Nustatant potencialų skirtumą tarp dviejų elektrodų, dujinė spinduliuotė su spalva, kuri būdinga naudojamai dujai. Šis faktas privertė mus manyti, kad atomas yra tam tikra konkreti organizacija ir todėl ji nebuvo nedaloma.

Be to, ši spinduliuotė sukėlė silpną fluorescenciją stiklo vamzdžio sienoje prieš katodą, nukirpdama vamzdžio viduje esančio kryžminio ženklo šešėlį.

Tai buvo paslaptinga spinduliuotė, vadinama „katodiniais spinduliais“, kuri tiesia linija keliavo į anodą ir buvo labai energinga, galinti sukelti mechaninį poveikį ir kuri buvo nukreipta į teigiamai įkrautą plokštelę arba magnetus.

Elektrono atradimas

Crookes vamzdyje esanti spinduliuotė negali būti bangų, nes ji turėjo neigiamą krūvį. Juozapas Johnas Thomsonas (1856–1940) atsakė 1887 m., Kai jis rado ryšį tarp krūvio ir šios spinduliuotės masės, ir nustatė, kad jis visada buvo tas pats: 1, 76 x 1011 C / kg, nepriklausomai nuo uždarytos dujos vamzdyje arba medžiagoje, naudojamoje katodo gamybai.

Thomson pavadino šias daleles. Išmatuodamas savo masę pagal savo elektros įkrovą, jis padarė išvadą, kad kiekvienas korpusas buvo daug mažesnis už atomą. Todėl jis pasiūlė, kad jie turėtų būti jų dalis ir taip atrasti elektroną .

Didysis britų mokslininkas buvo pirmasis brėždamas atomo grafinį modelį, piešdamas sferą, įterpdamas kai kuriuos taškus, kurie pagal savo formą buvo pavadinti „slyvų pudingo“. Tačiau šis atradimas iškėlė kitus klausimus:

Jei klausimas yra neutralus ir elektronas turi neigiamą krūvį: kokia atomo dalis yra teigiamas krūvis, neutralizuojantis elektronus?
Jei elektrono masė yra mažesnė už atomo masę, tai kas yra atomo dalis?
Kodėl tokiu būdu gautos dalelės visada buvo elektronai ir niekada kito tipo?

Rutherfordo sklaidos eksperimentai: atominis branduolys ir protonas

Iki 1898 m. Rutherfordas nustatė du urano tipus, kuriuos jis pavadino alfa ir beta .

Natūralus radioaktyvumas jau buvo aptiktas Marie Curie 1896 m. Alfa dalelės yra teigiamai įkrautos ir yra tiesiog helio branduoliai, bet tuo metu branduolio sąvoka dar nebuvo žinoma. Rutherfordas jį atrado.

Vienas iš eksperimentų, kuriuos Rutherfordas 1911 m. Atliko Mančesterio universitete, padedant Hansui Geigeriui, buvo plonas aukso lapas su alfa dalelėmis, kurių įkrova yra teigiama. Aplink aukso foliją jis įdėjo fluorescencinį ekraną, leidžiantį vizualizuoti bombardavimo poveikį.

Pastabos

Studijuodamas poveikį fluorescenciniam ekranui, Rutherfordas ir jo padėjėjai pastebėjo, kad:

Labai didelis alfa dalelių procentas kerta lapą be pastebimo nukrypimo.
Kai kurie nukrito gana stačiu kampu
Ir labai mažai sugrįžo atgal

2 ir 3 pastabos nustebino tyrėjus ir paskatino juos daryti prielaidą, kad tas, kuris atsakingas už spindulių sklaidą, turėjo turėti teigiamą krūvį ir kad pagal stebėjimo numerį 1 šis asmuo buvo daug mažesnis už alfa daleles.,

Rutherfordas pats sakė, kad tai buvo „... lyg būtų šaudyti 15 colių karinio jūrų laivyno apvalkalą ant popieriaus lapo, o šnipas sugrįžo ir nukentėjo“. Tai neabejotinai nebuvo galima paaiškinti Thompson modeliu.

Analizuodamas savo rezultatus iš klasikinio požiūrio, Rutherfordas atrado atominio branduolio buvimą, kur buvo koncentruotas teigiamas atomo, kuris jam suteikė neutralumą, įkrovimas.

Rutherfordas tęsė savo išsklaidymo eksperimentus. 1918 m. Naujas alfa dalelių tikslas buvo azoto dujų atomai.

Tokiu būdu jis aptiko vandenilio branduolius ir iš karto žinojo, kad vienintelė vieta, iš kurios gali ateiti šie branduoliai, buvo pati iš azoto. Kaip buvo įmanoma, kad vandenilio branduoliai būtų azoto dalis?

Tada Rutherfordas pasiūlė, kad vandenilio branduolys, elementas, kuriam jau buvo priskirtas atominis numeris 1, turi būti pagrindinė dalelė. Jis jį pavadino protonu, graikų kalba, kad jis būtų paskirtas pirmiausia . Taigi atomo branduolio ir protono atradimai atsirado dėl šio nuostabaus Naujosios Zelandijos.

Rutherfordo atominio modelio postulatai

Naujasis modelis labai skyrėsi nuo Thompsono. Tai buvo jo postulatai:

Atomoje yra teigiamo krūvio branduolys, kuris, nors ir labai mažas, turi beveik visą atomo masę.
Elektronai orbituoja atominius branduolius dideliais atstumais ir apskrito ar elipsės orbitomis.
Atomo grynasis įkrovimas yra lygus nuliui, nes elektronų įkrovos kompensuoja teigiamą įkrovą branduolyje.

Rutherfordo skaičiavimai nurodė sferinę šerdį ir 10–15 m spindulį, o atominės spinduliuotės vertė buvo 100 000 kartų didesnė, nes branduoliai yra gana toli vienas nuo kito: nuo 10 iki 10 m.

Tai paaiškina, kodėl dauguma alfa dalelių kerta lapą be nepatogumų arba vos patyrė labai mažą deformaciją.

Rutherfordo atomas, sudarytas iš kasdienių objektų skalės, sudarytų iš beisbolo dydžio, o atominis spindulys būtų apie 8 km, todėl atomas gali būti laikomas beveik visko kaip tuščią erdvę.

Dėl savo panašumo į miniatiūrinę saulės sistemą ji buvo žinoma kaip „atominės planetos modelis“. Elektrostatinė traukos jėga tarp branduolio ir elektronų būtų analogiška gravitaciniam traukimui tarp saulės ir planetų.

Apribojimai

Tačiau buvo tam tikrų nesutarimų dėl kai kurių pastebėtų faktų:

Jei sutinkame, kad elektronas orbita aplink branduolį, atsitinka, kad branduolys turėtų nuolat spinduliuoti, kol jis susilieja su branduoliu, o po to sunaikins atomą mažiau nei per sekundę. Laimei, tai ne tai, kas iš tikrųjų vyksta.
Be to, tam tikrais atvejais atomas skleidžia tam tikrus elektromagnetinės spinduliuotės dažnius, kai yra perėjimai tarp didesnės energijos būsenos su mažiau energijos turinčiu ir tik tie dažniai, o ne kiti. Kaip paaiškinti faktą, kad energija yra kvantuojama?

Nepaisant šių apribojimų, kadangi šiandien yra daug sudėtingesnių modelių ir pagal pastebėtus faktus, Rutherfordo atominis modelis vis dar naudingas studentui, kad jis galėtų sėkmingai pasiekti atomą ir jo sudedamąsias dalis.

Šiame atomo modelyje neatrodo neutronas, kita branduolio sudedamoji dalis, kuri nebuvo atrasta iki 1932 m.

Netrukus po to, kai Rutherfordas pasiūlė savo planetinį modelį, 1913 m. Danų fizikas Niels Bohr jį pakeitė, kad paaiškintų, kodėl atomas nėra sunaikintas, ir mes vis dar čia norime pasakyti šią istoriją.