Планетарни модел атома: Рутхерфордово искуство

1. 6. 2019.

Планетарни модел атома предложио је Е. Рутхерфорд 1910. године. Прве студије о структури атома направљене су помоћу алфа честица. На основу резултата добијених у експериментима о њиховом расипању, Ратерфорд је сугерисао да је цео позитивни набој атома концентрисан у малом језгру у његовом центру. С друге стране, негативно набијени електрони се дистрибуирају унутар остатка волумена.

Мало позадине

Прву бриљантну претпоставку о постојању атома направио је стари грчки научник Демокрит. Од тада, идеја о постојању атома, чије комбинације дају све супстанце око нас, није оставила машту људи науке. С времена на време на њу су се обратили различити представници, али до почетка 19. века, њихове конструкције су биле само хипотезе које нису подржане експерименталним подацима.

Коначно, 1804. године, више од стотину година пре него што се појавио планетарни модел атома, енглески научник Џон Далтон представио је доказ свог постојања и увео концепт атомске тежине, што је била његова прва квантитативна карактеристика. Као и његови претходници, он представља атоме у најмањим деловима материје, као што су чврсте куглице које се не могу поделити на још мање честице.

Откриће електрона и први модел атома

Готово стотину година прошло је када је коначно, крајем 19. века, Енглез ЈЈ Томсон открио и прву субатомску честицу, негативно набијени електрон. Будући да су атоми електрично неутрални, Тхомсон је мислио да би се они требали састојати од позитивно набијеног језгра с електронима распршеним по његовом волумену. На основу различитих експериментално добијених резултата, он је 1898. године предложио свој модел атома, који се понекад назива "шљивама у пудингу", јер је атом у њему представљен као сфера испуњена неким позитивно наелектрисаним флуидом у којем су електрони уграђени као "шљиве" у пудингу. " Радијус таквог сферног модела био је око 10 -8 цм, а укупни позитивни набој течности је симетрично и равномерно уравнотежен негативним. електронски набоји, као што је приказано на слици испод. планетарни модел атома

Овај модел је на задовољавајући начин објаснио чињеницу да када се супстанца загрева, она почиње да емитује светлост. Иако је ово био први покушај да се схвати шта је атом, није могао задовољити резултате експеримената које је касније спровео Рутхерфорд и други. Тхомсон се 1911. године сложио да његов модел једноставно не може одговорити на питање како и зашто долази до расипања α-зрака у експериментима. Због тога је напуштена и замењен је савршенији планетарни модел атома.

Како је атом исти?

Ернест Рутхерфорд је објаснио феномен радиоактивности, који му је донио Нобелову награду, али је његов најзначајнији допринос науци постигнут касније када је открио да се атом састоји од густог језгра окруженог електронским орбитама, баш као што је Сунце окружено орбитама планета. Планетарни модел предложеног атома

Према планетарном моделу атома, већина његове масе је концентрисана у малом (у поређењу са величином целог атома) језгра. Електрони се крећу око нуклеуса, путујући невероватном брзином, али већина волумена атома је празан простор.

Величина језгра је толико мала да је њен пречник 100.000 пута мањи од атома. Рутхерфорд је проценио дијаметар језгра као 10 -13 цм, за разлику од величине атома - 10-8 цм. Изван језгра, електрони се окрећу око њега на великим брзинама, резултирајући центрифугалним силама које уравнотежују електростатске силе привлачења између протона и електрона.

Рутхерфорд'с Екпериенцес

Планетарни модел атома настао је 1911. године, након познатог експеримента са златном фолијом, што нам је омогућило да добијемо неке основне информације о његовој структури. Рутхерфордов пут до открића атомског језгра је добар пример улоге креативности у науци. Његова потрага започела је 1899. године, када је открио да неки елементи емитују позитивно наелектрисане честице које могу продријети кроз било шта. Те честице је назвао алфа (α) честицама (сада знамо да су то језгра хелијума). Као и сви добри научници, Рутхерфорд је био знатижељан. Питао се да ли се алфа честице могу користити за проналажење структуре атома. Рутхерфорд је одлучио да усмјери сноп алфа честица на лист врло танке златне фолије. Изабрао је злато, јер се може користити за израду листова величине само 0,00004 цм, а за лист од златне фолије ставио је екран који је сјао када су га удариле алфа честице. Коришћен је за детекцију алфа честица након што прођу кроз фолију. Мали прорез на екрану омогућио је алфа честици да стигне до фолије након изласка из извора. Неке од њих треба да прођу кроз фолију и наставе да се крећу у истом правцу, други део треба да се одбија од фолије и рефлектује се под оштрим угловима. Дијаграм експеримента можете видјети на слици испод. експерименте Рутхерфорда са планетарним моделом атома

Шта се десило у искуству Рутхерфорда?

На основу ЈЈ Тхомсон-овог модела атома, Рутхерфорд је сугерисао да би области чврстог позитивног набоја које попуњавају целокупну запремину атома злата одбијале или савијале путање свих алфа честица док пролазе кроз фолију.

Међутим, велика већина алфа честица прошла је кроз златну фолију, као да не постоји. Изгледало је да пролазе кроз празан простор. Само неколико њих одступа од правог пута, као што се претпостављало на почетку. Испод се налази графикон броја честица које су распршене у одговарајућем смјеру на куту распршења. према планетарном моделу атома

Изненађујуће, мали проценат честица се вратио из фолије док је кошарка одбијала штит. Рутхерфорд је схватио да су ова одступања резултат директног судара алфа честица и позитивно набијених компоненти атома.

Језгро је централно

На основу незнатног процента алфа честица које се рефлектују од фолије, може се закључити да је читав позитивни набој и скоро читава маса атома концентрисана на једној малој површини, а остатак атома је углавном празан простор. Рутхерфорд је подручје концентрованог позитивног набоја назвао језгро. Он је предвидио и убрзо открио да садржи позитивно наелектрисане честице које је назвао протонима. Рутхерфорд је предвидио постојање неутралних атомских честица названих неутрони, али их није могао открити. Ипак, његов студент Јамес Цхадвицк их је открио неколико година касније. На доњој слици је приказана структура нуклеуса атома уранијума. планетарни модел атомске структуре и модел бора

Атоми се састоје од позитивно наелектрисаних тешких језгара, окружених негативно набијеним екстремно лаким електронским честицама које се окрећу око њих, и таквим брзинама да механичке центрифугалне силе једноставно уравнотежују своју електростатичку привлачност према нуклеусу, ау вези с тим наводно је осигурана стабилност атома.

Недостаци овог модела

Главна идеја Ратерфорда припадала је идеји о атомском језгру мале величине. Претпоставка електронских орбита била је чиста хипотеза. Није тачно знао где и како се електрони окрећу око језгра. Према томе, планетарни модел Ратерфорда не објашњава расподелу електрона у орбитама.

Главна идеја Ратерфорда припадала је идеји о атомском језгру мале величине. Претпоставка електронских орбита била је чиста хипотеза. Није тачно знао где и како се електрони окрећу око језгра. Према томе, планетарни модел Ратерфорда не објашњава расподелу електрона у орбитама.

Поред тога, стабилност Рутхерфордовог атома била је могућа само уз континуирано кретање електрона у орбитама без губитка кинетичке енергије. Међутим, електродинамички прорачуни су показали да је кретање електрона дуж било које кривуље трајекторије, праћено промјеном смјера вектора брзине и појавом одговарајућег убрзања, неизбјежно праћено емисијом електромагнетне енергије. Истовремено, према закону о конзервацији енергија, кинетичка енергија Електрон мора бити веома брзо потрошен на зрачење, и мора пасти на језгро, као што је схематски приказано на слици испод. планетарни модел рутхерфордског атома бора Али то се не дешава, јер су атоми стабилне формације. Типична за научну контрадикцију настала је између модела феномена и експерименталних података.

Од Рутхерфорда до Ниелс Бохра

Следећи велики корак напријед у историји атомске експлозије догодио се 1913. године, када је дански научник Ниелс Бохр објавио опис детаљнијег модела атома. Она је јасније дефинисала места где се електрони могу налазити. Иако ће касније научници развити рафиниранију атомску структуру, планетарни модел Боровог атома био је у суштини тачан, а већи дио је још увијек прихваћен. Имао је много корисних примена, на пример, уз његову помоћ, објаснили су својства различитих хемијских елемената, природу њиховог спектра зрачења и структура атома. Планетарни модел и Боров модел били су најважнији прекретници, означавајући појаву новог правца у физици - физици микросвијета. Боров је добитник Нобелове награде за физику 1922. године за свој допринос нашем разумевању структуре атома.

Шта је Бох донио атомском моделу?

Док је још био млад, Бохр је радио у Рутхерфордовој лабораторији у Енглеској. Пошто је концепт електрона слабо развијен у Рутхерфордовом моделу, Бохр се фокусирао на њих. Као резултат тога, планетарни модел атома је знатно побољшан. Бохр постулати, коју је формулисао у свом чланку "О структури атома и молекула", објављеном 1913. године, наводи:

1. Електрони могу да се крећу око нуклеуса само на фиксним растојањима од њега, што је одређено количином енергије коју имају. Он је ове фиксне нивое назвао нивоима енергије или електронским љускама. Бохр их представља у облику концентричних сфера, са језгром у центру сваке од њих. У овом случају, електрони са нижом енергијом ће се наћи на нижим нивоима, ближе језгру. Они који имају више енергије наћи ће се на вишим нивоима, даље од сржи.

2. Ако електрон апсорбује неке (прилично специфичне за одређени ниво) количину енергије, онда ће скочити на следећи, виши ниво енергије. Насупрот томе, ако изгуби исту количину енергије, враћа се на првобитни ниво. Међутим, електрон не може постојати на два нивоа енергије.

Ова идеја је илустрована сликом. модел планетарног бора

Енергетски делови за електроне

Модел Боровог атома је заправо комбинација две различите идеје: Рутхерфордов атомски модел са електронима који се окрећу око језгра (у ствари, то је планетарни модел Боров - Рутхерфордовог атома), и идеја немачког научника Мака Планка о квантизацији енергије материје, објављеној 1901. Квант (у множини, кванти) је минимална количина енергије која се може апсорбовати или зрачити супстанцом. То је нека врста корака узорковања количине енергије.

Ако упоређујете енергију са водом и желите је додати у материју у облику стакла, не можете само сипати воду у непрекидном току. Уместо тога, можете га додати у малим количинама, на пример, кашичицу. Бохр је веровао да ако електрони могу апсорбовати или изгубити само фиксне количине енергије, онда би требало да промене своју енергију само овим фиксним количинама. Дакле, они могу само заузети фиксне енергетским нивоима око језгра, које одговарају квантизованим прирастима њихове енергије.

Дакле, квантни приступ објашњењу онога што чини атомску структуру произлази из Боровог модела. Планетарни модел и Боров модел били су посебни кораци од класичне физике до квантне физике, која је главни алат у физици микросвијета, укључујући атомску физику.