RUTHERFORDO ATOMINIS MODELIS: ISTORIJA, EKSPERIMENTAI, POSTULATAI - FIZINIS - 2025

Rutherford atominės modelis yra atomo sukurtą Didžiosios Britanijos fizikas Ernest Rutherford (1871-1937) atrado aprašymas 1911 metų, kai atominis žiede žinomų sklaidos eksperimentų, kad imtis savo vardą.

Atomo (graikų kalba „nedalomo“), kaip mažiausio materijos komponento, idėja buvo intelektualinis kūrinys, gimęs Senovės Graikijoje, maždaug 300 m. Pr. Kr., Kaip ir daugelis kitų Graikijos sąvokų, atomo sąvoka yra kuriama remiantis logika ir argumentacija, bet ne eksperimentavimas.

Rutherfordo atominis modelis

Žymiausi atomistų filosofai buvo Abderos demokratas (460 - 360 m. Pr. Kr.), Samo epikuras (341 - 270 m. Pr. Kr.) Ir Titas Lucrecijus (98 - 54 m. Pr. Kr.). Graikai sumanė keturių skirtingų tipų atomus, kurie atitiko keturis elementus, kurie, pasak jų, sudarė materiją: orą, vandenį, žemę ir ugnį.

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

Aleksandro Didžiojo, kurio mokytojas buvo Aristotelis, užkariavimai išplėtė jo įsitikinimus visame senovės pasaulyje, nuo Ispanijos iki Indijos, ir šitaip šimtmečius atomo idėja kūrė savo vietą mokslo pasaulyje.

Atomas nebėra nedalomas

Graikų filosofų idėjos apie materijos struktūrą buvo įgyvendintos šimtus metų, kol anglų chemikas ir mokyklos mokytojas Johnas Daltonas (1776–1844) 1808 m. Paskelbė savo eksperimentų rezultatus.

Daltonas sutiko, kad elementai yra sudaryti iš ypač mažų dalelių, vadinamų atomais. Bet jis nuėjo toliau teigdamas, kad visi to paties elemento atomai yra lygūs, turi vienodą dydį, tą pačią masę ir tas pačias chemines savybes, todėl cheminės reakcijos metu jie lieka nepakitę.

Tai yra pirmasis moksliškai pagrįstas atominis modelis. Kaip ir graikai, Daltonas vis dar laikė atomą nedalomu, todėl neturėjo struktūros. Tačiau Daltono genijus paskatino jį laikytis vieno iš didžiausių fizikos išsaugojimo principų:

• Atliekant chemines reakcijas, atomai nei sukuriami, nei sunaikinami, jie tik keičia jų pasiskirstymą.

Ir jis nustatė būdą, kaip cheminiai junginiai susidaro iš „junginių atomų“ (molekulių):

• Kai du ar daugiau skirtingų elementų atomų susilieja ir sudaro tą patį junginį, jie visada tai daro apibrėžtomis ir pastoviomis masės proporcijomis.

XIX amžius buvo didysis elektros ir magnetizmo amžius. Po kelerių metų po Daltono publikacijų kai kurių eksperimentų rezultatai mokslininkams suabejojo ​​atomo nedalomumu.

Kreivas vamzdis

„Crookes“ vamzdis buvo prietaisas, kurį suprojektavo britų chemikas ir meteorologas Williamas Crookesas (1832–1919). 1875 m. „Crookes“ atliktas eksperimentas susideda iš vamzdžių, užpildytų dujomis, esant mažam slėgiui, viduje dviejų elektrodų, kurių vienas vadinamas katodu, o kitas - anodo.

Nustačius potencialo skirtumą tarp dviejų elektrodų, dujos pašviesėjo spalva, kuri buvo būdinga naudojamoms dujoms. Šis faktas leido manyti, kad atome yra tam tikra organizacija, todėl ji nebuvo nedaloma.

Be to, ši radiacija silpnai fluorescencingai sukėlė stiklinio vamzdžio sienelę priešais katodą, pašalindama vamzdžio viduje esančio kryžminio ženklo šešėlį.

Tai buvo paslaptinga radiacija, vadinama „katodiniais spinduliais“, kuri tiesia linija eidavo į anodą ir buvo labai energinga, galinti sukelti mechaninius efektus, nukreipta link teigiamai įkrautos plokštės arba magnetų.

Elektrono atradimas

Kreivės vamzdžio viduje esanti radiacija negalėjo būti banga, nes ji turėjo neigiamą krūvį. Josephas Johnas Thomsonas (1856 - 1940) 1887 m. Sugalvojo atsakymą, kai nustatė ryšį tarp šios radiacijos krūvio ir masės ir nustatė, kad jis visada buvo tas pats: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, neatsižvelgiant į dujas. uždarytas vamzdyje arba medžiaga, naudojama katodui gaminti.

Thomsonas šias daleles vadino kraujo kūneliais. Išmatuodamas jo masę, palyginti su elektros krūviu, jis padarė išvadą, kad kiekvienas lavonas yra žymiai mažesnis už atomą. Todėl jis pasiūlė, kad jie būtų jų dalis, tokiu būdu atrasdami elektroną.

Britų mokslininkas pirmasis eskizavo grafinį atomo modelį, nupiešdamas sferą su įterptais taškais, kuriai dėl savo formos buvo suteiktas slapyvardis „slyvų pudingas“. Tačiau šis atradimas iškėlė kitus klausimus:

• Jei materija yra neutrali, o elektronas turi neigiamą krūvį: kur atome yra teigiamas krūvis, kuris neutralizuoja elektronus?
• Jei elektrono masė yra mažesnė už atomo masę, tai iš ko susideda likęs atomas?
• Kodėl taip gautos dalelės visada buvo elektronai ir niekada nebuvo kitos rūšies?

Rutherfordo išsklaidymo eksperimentai: atominis branduolys ir protonas

Iki 1898 m. Rutherfordas nustatė dvi urano radiacijos rūšis, kurias jis pavadino alfa ir beta.

Natūralų radioaktyvumą jau 1896 m. Atrado Marie Curie. Alfa dalelės yra teigiamai įkrautos ir yra tiesiog helio branduoliai, tačiau tuo metu branduolio sąvoka dar nebuvo žinoma. Rutherfordas ruošėsi išsiaiškinti.

Vienas iš eksperimentų, kuriuos Rutherfordas 1911 m. Atliko Mančesterio universitete, padedamas Hanso Geigero, sudarė plonos aukso folijos bombardavimą alfa dalelėmis, kurių krūvis teigiamas. Aplink auksinę foliją jis įdėjo fluorescencinį ekraną, kuris leido jiems vizualizuoti sprogimo padarinius.

Stebėjimai

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

1. Labai didelis alfa dalelių procentas praeina per lapą be pastebimų nukrypimų.
2. Kai kurie nukrypo gana stačiais kampais
3. Ir tik nedaugelis atšoko atgal

Rutherfordo išsibarstę eksperimentai. Šaltinis:.

2 ir 3 stebėjimai nustebino tyrinėtojus ir privertė juos manyti, kad asmuo, atsakingas už spindulių išsklaidymą, turi turėti teigiamą krūvį ir kad dėl 1 stebėjimo atsakingas asmuo buvo daug mažesnis už alfa daleles. .

Pats Rutherfordas apie tai pasakė, kad tai buvo „… tarsi tu išleisi 15 colių jūrinį sviedinį į popieriaus lapą, o sviedinys atsitrenkė atgal ir smogė tau“. To tikrai negalėjo paaiškinti „Thompson“ modelis.

Analizuodamas savo rezultatus klasikiniu požiūriu, Rutherfordas atrado atominio branduolio egzistavimą, kur buvo sukoncentruotas teigiamas atomo krūvis, kuris suteikė jam neutralumą.

Rutherfordas tęsė išsibarstymo eksperimentus. Iki 1918 m. Naujas alfa dalelių taikinys buvo azoto dujų atomai.

Tokiu būdu jis aptiko vandenilio branduolius ir iškart žinojo, kad vienintelė vieta, iš kur šie branduoliai gali patekti, yra pats azotas. Kaip buvo įmanoma, kad vandenilio branduoliai buvo azoto dalis?

Tuomet Rutherfordas pasiūlė, kad vandenilio branduolys, elementas, kuriam jau buvo priskirtas atominis numeris 1, turi būti pagrindinė dalelė. Jis tai pavadino protonu, pirmiausia graikų kalbos žodžiu. Taigi atominio branduolio ir protono atradimus lemia šis puikus genialusis Naujosios Zelandijos gyventojas.

Rutherfordo atominis modelis postuluoja

Naujasis modelis labai skyrėsi nuo „Thompson“. Tai buvo jo postulatai:

• Atomas turi teigiamai įkrautą branduolį, kuris, nors ir labai mažas, turi beveik visą atomo masę.
• Elektronai suka atominį branduolį dideliais atstumais ir žiedinėmis ar elipsinėmis orbitomis.
• Grynasis atomo krūvis yra lygus nuliui, nes elektronų krūviai kompensuoja branduolyje esantį teigiamą krūvį.

Rutherfordo skaičiavimai parodė branduolį, kurio rutulio formos ir spindulys yra mažas kaip ^10–15 m, o atominio spindulio vertė yra apie 100 000 kartų didesnė, nes branduoliai yra palyginti toli vienas nuo kito: maždaug ^10–10. m.

Jaunasis Ernestas Rutherfordas. Šaltinis: „Unknown“, paskelbtas 1939 m. Rutherforde: buvęs Londo Rutherfordo, O. M, gyvenimas ir laiškai.

Tai paaiškina, kodėl dauguma alfa dalelių sklandžiai praėjo per lakštą arba turėjo tik labai mažą įlinkį.

Žiūrint į kasdienių objektų skalę, Rutherfordo atomas būtų sudarytas iš beisbolo dydžio branduolio, o atominis spindulys būtų apie 8 km, todėl atomą beveik viskas galima laikyti tuščia erdve.

Dėl savo panašumo į miniatiūrinę saulės sistemą ji tapo žinoma kaip „planetinis atomo modelis“. Elektrostatinė traukos jėga tarp branduolio ir elektronų būtų analogiška gravitacinei traukai tarp saulės ir planetų.

Apribojimai

Tačiau dėl tam tikrų pastebėtų faktų kilo tam tikrų nesutarimų:

• Jei priimama mintis, kad elektronas rutuliojasi aplink branduolį, atsitinka, kad elektronas turi nuolat skleisti spinduliuotę, kol jis susiliečia su branduoliu, todėl atomas sunaikinamas per daug mažiau nei sekundę. Laimei, taip nėra.
• Be to, tam tikrais atvejais atomas skleidžia tam tikrus elektromagnetinės spinduliuotės dažnius, kai vyksta perėjimai tarp aukštesnės energijos būsenos į tą, kurios energija mažesnė, ir tik tuos dažnius, o ne kitus. Kaip paaiškinti tai, kad energija yra kiekybinė?

Nepaisant šių apribojimų, kadangi šiandien yra žymiai sudėtingesnių modelių, atitinkančių pastebėtus faktus, Rutherfordo atominis modelis vis dar naudingas studentui norint sėkmingai išbandyti pirmąjį atomą ir jo sudedamąsias daleles.

Šiame atomo modelyje neutronas neatsiranda, tai yra kita branduolio sudedamoji dalis, kuri nebuvo rasta iki 1932 m.

Netrukus po to, kai Rutherfordas pasiūlė savo planetų modelį, 1913 m. Danų fizikas Nielsas Bohras jį modifikavo, kad paaiškintų, kodėl atomas nėra sunaikinamas, ir mes vis dar esame čia, kad papasakotume šią istoriją.

Dominantys straipsniai

Schrödingerio atominis modelis.

De Broglio atominis modelis.

Chadwicko atominis modelis.

Heisenbergo atominis modelis.

Perrino atominis modelis.

Thomsono atominis modelis.

Dirac Jordan atominis modelis.

Atominis Demokrito modelis.

Bohro atominis modelis.

Daltono atominis modelis.

Nuorodos

1. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Radiologijos ir radiologinės apsaugos katedros pirmininko pažymys. Venesuelos centrinio universiteto visuomenės sveikatos mokykla.