Лекция: Планетарен моделатом
Атомна структура
Най-точният начин за определяне на структурата на всяко вещество е спектралният анализ. Излъчването на всеки атом от даден елемент е изключително индивидуално. Въпреки това, преди да разберем как се извършва спектралният анализ, ще разберем каква структура има атом на всеки елемент.
Първото предположение за структурата на атома е представено от Дж. Томсън. Този учен дълго времеизучавани атоми. Нещо повече, той беше този, който откри електрона - за което получи Нобелова награда. Моделът, предложен от Томсън, нямаше нищо общо с реалността, но послужи като доста силен стимул за Ръдърфорд да изследва структурата на атома. Моделът, предложен от Томсън, е наречен "пудинг със стафиди".
Томсън вярва, че атомът е твърда топка с отрицателен електрически заряд. За да се компенсира това, електроните се разпръскват в топката, като стафиди. Общият заряд на електроните съвпада със заряда на цялото ядро, което прави атома неутрален.
Докато изучават структурата на атома, те откриват, че всички атоми в твърдите тела са подложени на колебателни движения. И както знаете, всяка движеща се частица излъчва вълни. Ето защо всеки атом има свой собствен спектър. Тези твърдения обаче не бяха включени в модела на Томсън по никакъв начин.
Опитът на Ръдърфорд
За да потвърди или опровергае модела на Томсън, Ръдърфорд предлага експеримент, при който атом на определен елемент е бомбардиран с алфа частици. В резултат на този експеримент беше важно да се види как ще се държи частицата.
Алфа частиците са открити в резултат на радиоактивния разпад на радия. Техните потоци бяха алфа лъчи, всяка частица от които имаше положителен заряд. В резултат на многобройни изследвания беше установено, че алфа-частицата е като атом на хелий, в който липсват електрони. Използвайки настоящите познания, ние знаем, че алфа частицата е хелиево ядро, по времето, когато Ръдърфорд вярваше, че това са хелиеви йони.
Всяка алфа частица има огромна енергия, в резултат на което може да лети към въпросните атоми с висока скорост. Следователно основният резултат от експеримента беше да се определи ъгълът на отклонение на частицата.
За да проведе експеримента, Ръдърфорд използва тънко златно фолио. Той насочил към нея високоскоростни алфа частици. Той предположи, че в резултат на този експеримент всички частици ще прелетят през фолиото и то с леки отклонения. Въпреки това, за да разбере със сигурност, той инструктира учениците си да проверят дали тези частици имат големи отклонения.
Резултатът от експеримента изненада абсолютно всички, защото много частици не само се отклониха под доста голям ъгъл - някои ъгли на отклонение достигнаха повече от 90 градуса.
Тези резултати изненадаха абсолютно всички; Ръдърфорд каза, че има усещане, сякаш на пътя на снарядите е поставено парче хартия, което не позволява на алфа-частицата да проникне вътре, в резултат на което тя се обръща обратно.
Ако атомът беше наистина твърд, тогава той трябваше да има някакво електрическо поле, което да забави частицата. Силата на полето обаче не беше достатъчна, за да го спре напълно, още по-малко да го хвърли назад. Това означава, че моделът на Томсън е опроверган. Така Ръдърфорд започва да работи върху нов модел.
Модел на Ръдърфорд
За да се получи такъв експериментален резултат, е необходимо положителният заряд да се концентрира в по-малък размер, което води до по-голямо електрическо поле. Използвайки формулата за потенциал на полето, можете да определите необходимия размер на положителна частица, която може да отблъсне алфа частица в обратна посока. Радиусът му трябва да бъде приблизително максимален 10 -15 м. Ето защо Ръдърфорд предложи планетарния модел на атома.
Този модел е наречен така с причина. Факт е, че вътре в атома има положително заредено ядро, подобно на Слънцето в Слънчевата система. Електроните се въртят около ядрото като планети. Слънчевата система е проектирана по такъв начин, че планетите да се привличат към Слънцето от гравитационните сили, но те не падат на повърхността на Слънцето в резултат на съществуващата скорост, която ги държи в тяхната орбита. Същото се случва и с електроните - силите на Кулон привличат електрони към ядрото, но поради въртене те не падат на повърхността на ядрото.
Едно от предположенията на Томсън се оказва абсолютно вярно – общият заряд на електроните съответства на заряда на ядрото. Въпреки това, в резултат на силни взаимодействия, електроните могат да бъдат изхвърлени от орбитата си, в резултат на което зарядът не се компенсира и атомът се превръща в положително зареден йон.
Много важна част от информацията относно структурата на атома е, че почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото. Например водородният атом има само един електрон, чиято маса е повече от една и половина хиляди пъти по-малка от масата на ядрото.
| | |
Предложен е един от първите модели на атомната структура Дж. Томсънпрез 1904 г. атомът е бил представян като „море от положително електричество“ с електрони, които осцилират в него. Общият отрицателен заряд на електроните на електрически неутрален атом е равен на общия му положителен заряд.
Опитът на Ръдърфорд
За проверка на хипотезата на Томсън и по-точно определяне на структурата на атома Е. Ръдърфордорганизира серия от експерименти върху разсейването α -частици с тънки метални пластини - фолио. През 1910 г. учениците на РъдърфордХанс Гайгер ИЪрнест Марсдън α провежда експерименти с бомбардировки α -частици от тънки метални пластини. Те установиха, че повечето
-частиците преминават през фолиото без да променят траекторията си. И това не беше изненадващо, ако приемем правилността на модела на атома на Томсън. α Източник α - радиацията беше поставена в оловен куб с пробит канал в него, така че да е възможно да се получи поток -частици, летящи в определена посока. Алфа частиците са двойно йонизирани хелиеви атоми (Не 2+ α ). Те имат +2 положителен заряд и маса почти 7350 пъти по-голяма от масата на електрона. Попадайки върху екрана, покрит с цинков сулфид, α -частици го караха да свети и с лупа можеше да се видят и преброят отделните светкавици, които се появяваха на екрана, когато всеки го удари α - частици. Между източника на радиация и екрана беше поставено фолио. По проблясъците на екрана можеше да се съди за разсейването
-частици, т.е. за тяхното отклонение от първоначалната посока при преминаване през слой метал. α Оказа се, че мнозинството α -частиците преминават през фолиото, без да променят посоката си, въпреки че дебелината на фолиото съответства на стотици хиляди атомни диаметри. Но някои α -частиците все още се отклоняваха под малки ъгли и то от време на време α -частиците рязко промениха посоката на движението си и дори (около 1 на 100 000) бяха изхвърлени назад, сякаш са се натъкнали на масивно препятствие. Случаи на такова рязко отклонение
-частиците могат да се наблюдават чрез движение на екрана с лупа по дъга.
- От резултатите от този експеримент могат да се направят следните заключения:
- В атома има някакво "препятствие", което се нарича ядро. α Ядрото има положителен заряд (иначе положително заредено
- Ядрото има много малки размери в сравнение с размера на самия атом (само малка част α -частиците са променили посоката на движение).
- Ядрото има голяма маса в сравнение с масата α - частици
Ръдърфорд обясни резултатите от експеримента, като предложи "планетарен" модел на атомакоето го оприличи слънчева система. Според планетарния модел в центъра на атома има много малко ядро, чийто размер е приблизително 100 000 пъти по-малък от размера на самия атом. Това ядро съдържа почти цялата маса на атома и носи положителен заряд. Около ядрото се движат електрони, чийто брой се определя от заряда на ядрото. Външната траектория на електроните определя външните размери на атома. Диаметърът на атома е от порядъка на 10 -8 cm, а диаметърът на ядрото е от порядъка на 10 -13 ÷10 -12 cm.
Колкото по-голям е зарядът на едно атомно ядро, толкова по-силно е отблъскването от него α -частица, толкова по-често ще се получават случаи на силни отклонения α -частици, преминаващи през металния слой, от първоначалната посока на движение. Следователно, експерименти с разсейване α -частиците позволяват не само да се открие съществуването на атомно ядро, но и да се определи неговият заряд. Още от експериментите на Ръдърфорд следва, че зарядът на ядрото (изразен в единици електронен заряд) е числено равен на поредния номер на елемента в периодичната таблица. Това е потвърдено Г. Моузли, който установи през 1913 г. проста връзка между дължините на вълните на определени линии в рентгеновия спектър на даден елемент и неговия атомен номер, и Д. Чадуик, който през 1920 г. определя с голяма точност зарядите на атомните ядра на редица елементи чрез разсейване α - частици
Установено е физическото значение на поредния номер на елемент в периодичната система: поредният номер се оказва най-важната константа на елемента, изразяваща положителния заряд на ядрото на неговия атом. От електрическата неутралност на атома следва, че броят на електроните, въртящи се около ядрото, е равен на атомния номер на елемента.
Това откритие даде нова обосновка за подреждането на елементите в периодичната таблица. В същото време тя елиминира и очевидното противоречие в системата на Менделеев - позицията на някои елементи с по-висока атомна маса пред елементи с по-ниска атомна маса (телур и йод, аргон и калий, кобалт и никел). Оказа се, че тук няма противоречие, тъй като мястото на даден елемент в системата се определя от заряда на атомното ядро. Експериментално е установено, че ядреният заряд на атома на телура е 52, а на атома на йода е 53; Следователно телурът, въпреки голямата си атомна маса, трябва да е преди йода. По същия начин зарядите на ядрата на аргон и калий, никел и кобалт напълно съответстват на последователността на подреждането на тези елементи в системата.
И така, зарядът на атомното ядро е основното количество, от което зависят свойствата на елемента и неговата позиция в периодичната таблица. Ето защо периодичен закон на менделеев в момента може да се формулира по следния начин:
Свойствата на елементите и образуваните от тях прости и сложни вещества са периодично зависими от заряда на ядрото на атомите на елементите
Определянето на серийните номера на елементите въз основа на зарядите на ядрата на техните атоми направи възможно установяването общ бройместа в периодичната таблица между водорода, който има сериен номер 1, и урана (атомен номер 92), който по това време се смяташе за последния член на периодичната таблица на елементите. Когато е създадена теорията за структурата на атома, места 43, 61, 72, 75, 85 и 87 остават незаети, което показва възможността за съществуването на все още неоткрити елементи. Наистина, през 1922 г. е открит елементът хафний, който се провежда 72; след това през 1925 г. - рений, който заема 75. Елементите, които трябва да заемат останалите четири празни места в таблицата, се оказват радиоактивни и не се срещат в природата, а са получени по изкуствен път. Новите елементи са наречени технеций (сериен номер 43), прометий (61), астат (85) и франций (87). В момента всички клетки на периодичната таблица между водорода и урана са запълнени. Въпреки това, тя самата периодична таблицане е пълна.
Атомни спектри
Планетарният модел беше важна стъпка в теорията за атомната структура. В някои отношения обаче той противоречи на добре установени факти. Нека разгледаме две такива противоречия.
Първо, теорията на Ръдърфорд не може да обясни стабилността на атома. Електронът, който се върти около положително заредено ядро, трябва, подобно на осцилиращ електрически заряд, излъчват електромагнитна енергия под формата на светлинни вълни. Но излъчвайки светлина, електронът губи част от енергията си, което води до дисбаланс между центробежната сила, свързана с въртенето на електрона и силата на електростатично привличане на електрона към ядрото. За да възстанови равновесието, електронът трябва да се приближи до ядрото. Така електронът, който непрекъснато излъчва електромагнитна енергия и се движи по спирала, ще се приближи до ядрото. След като е изчерпал цялата си енергия, той трябва да „падне“ върху ядрото и атомът ще престане да съществува. Това заключение противоречи на реалните свойства на атомите, които са стабилни образувания и могат да съществуват без разрушение изключително дълго време.
Второ, моделът на Ръдърфорд доведе до неправилни заключения за природата на атомните спектри. Когато светлината, излъчвана от горещо твърдо или течно тяло, премине през стъклена или кварцова призма, на екран, поставен зад призмата, се наблюдава така нареченият непрекъснат спектър, чиято видима част е цветна лентасъдържаща всички цветове на дъгата. Това явление се обяснява с факта, че излъчването на горещо твърдо или течно тяло се състои от електромагнитни вълни с различни честоти. Вълните с различни честоти се пречупват по различен начин от призмата и попадат на различни места на екрана.
Наборът от честоти на електромагнитно излъчване, излъчвано от дадено вещество, се нарича емисионен спектър. От друга страна, веществата абсорбират радиация с определени честоти. Комбинацията от последните се нарича абсорбционен спектър на веществото.
За да получите спектър, можете да използвате дифракционна решетка вместо призма. Последният представлява стъклена плоча, върху чиято повърхност са нанесени тънки успоредни щрихи на много близко разстояние един от друг (до 1500 щриха на 1 mm). Преминавайки през такава решетка, светлината се разлага и образува спектър, подобен на този, получен с помощта на призма. Дифракцията е присъща на всяко вълново движение и служи като едно от основните доказателства за вълновата природа на светлината.
Спектрите, получени чрез излъчване от свободни или слабо свързани атоми (например в газове или пари), се наричат атомни спектри.
Радиацията, излъчвана от твърди вещества или течности, винаги дава непрекъснат спектър. Радиацията, излъчвана от горещи газове и пари, за разлика от радиацията от твърди тела и течности, съдържа само определени дължини на вълната. Следователно, вместо непрекъсната ивица на екрана, получавате поредица от отделни цветни линии, разделени от тъмни интервали. Броят и местоположението на тези линии зависят от естеството на горещия газ или пара. Така калиевите пари произвеждат спектър, състоящ се от три линии - две червени и една виолетова; в спектъра на калциевите пари има няколко червени, жълти и зелени линии и т.н.
Радиацията, излъчвана от твърди вещества или течности, винаги дава непрекъснат спектър. Радиацията, излъчвана от горещи газове и пари, за разлика от радиацията от твърди тела и течности, съдържа само определени дължини на вълната. Следователно, вместо непрекъсната ивица на екрана, получавате поредица от отделни цветни линии, разделени от тъмни интервали. Броят и местоположението на тези линии зависят от естеството на горещия газ или пара. Така калиевите пари дават спектър, състоящ се от три линии - две червени и една виолетова; в спектъра на калциевите пари има няколко червени, жълти и зелени линии и т.н.
Такива спектри се наричат линейни спектри. Установено е, че светлината, излъчвана от газови атоми, има линеен спектър, в който спектралните линии могат да се комбинират в серии.
Във всяка серия подреждането на линиите съответства на определен модел. Могат да бъдат описани честотите на отделните линии Формулата на Балмер:
Фактът, че атомите на всеки елемент дават напълно определен спектър, присъщ само на този елемент, и интензитетът на съответните спектрални линии е толкова по-висок, колкото по-високо е съдържанието на елемента във взетата проба, се използва широко за определяне на качественото и количествен съставвещества и материали. Този метод на изследване се нарича спектрален анализ.
Планетарният модел на структурата на атома се оказа неспособен да обясни линейния спектър на излъчване на водородни атоми, още по-малко комбинацията от спектрални линии в серия. Електронът, който се върти около ядрото, трябва да се приближи до ядрото, като непрекъснато променя скоростта си. Честотата на светлината, която излъчва, се определя от честотата на неговото въртене и следователно трябва да се променя непрекъснато. Това означава, че емисионният спектър на един атом трябва да бъде непрекъснат, непрекъснат. Според този модел честотата на излъчване на атома трябва да бъде равна на честотата на механичните вибрации или да бъде кратна на нея, което не е в съответствие с формулата на Балмер.
Така теорията на Ръдърфорд не може да обясни нито съществуването на стабилни атоми, нито наличието на техните линейни спектри.
Квантова теория на светлината През 1900гМ. Планк показа, че способността на нагрято тяло да излъчва радиация може да бъде правилно количествено описана само като се приеме, че лъчистата енергия се излъчва и абсорбира от телата не непрекъснато, а дискретно, т.е. на отделни порции – кванти. В същото време енергиятад всяка такава част е свързана с честотата на излъчване чрез връзка, наречена:
Уравнения на Планк Самият Планк дълго време вярваше, че излъчването и поглъщането на светлина от кванти е свойство на излъчващите тела, а не самото излъчване, което може да има всякаква енергия и следователно може да се абсорбира непрекъснато. Въпреки това през 1905гАйнщайн , анализирайки феномена на фотоелектричния ефект, стигна до извода, че електромагнитната (лъчиста) енергия съществува само под формата на кванти и че следователно радиацията е поток от неделими материални „частици“ (фотони), чиято енергия е определя се от.
Уравнението на ПланкФотоелектричен ефект е излъчването на електрони от метал под въздействието на падаща върху него светлина. Това явление е подробно проучено през 1888-1890 г.А. Г. Столетов . Ако поставите инсталацията във вакуум и я приложите към записМ
Оказа се, че при промяна на интензитета на осветление се променя само броят на електроните, излъчени от метала, т.е. сила на фототока. Но максималната кинетична енергия на всеки електрон, излъчен от метала, не зависи от интензитета на осветяване, а се променя само когато честотата на падащата върху метала светлина се променя. Именно с увеличаване на дължината на вълната (т.е. с намаляване на честотата) енергията на електроните, излъчени от метала, намалява и след това, при дължина на вълната, специфична за всеки метал, фотоелектричният ефект изчезва и не се появява дори при много висок интензитет на светлината. Така, когато е осветен с червена или оранжева светлина, натрият не проявява фотоелектричен ефект и започва да излъчва електрони само при дължина на вълната, по-малка от 590 nm (жълта светлина); при лития фотоелектричният ефект се открива при още по-къси дължини на вълната, като се започне от 516 nm (зелена светлина); и изхвърлянето на електрони от платината под въздействието на видима светлина изобщо не се случва и започва само когато платината се облъчи с ултравиолетови лъчи.
Тези свойства на фотоелектричния ефект са напълно необясними от гледна точка на класическата вълнова теория на светлината, според която ефектът трябва да се определя (за даден метал) само от количеството енергия, погълнато от металната повърхност за единица време, но не трябва да зависи от вида на падащата върху метала радиация. Същите тези свойства обаче получават просто и убедително обяснение, ако приемем, че излъчването се състои от отделни порции, фотони, с много специфична енергия.
Всъщност електронът в метала е свързан с металните атоми, така че трябва да се изразходва определена енергия, за да се откъсне. Ако фотонът има необходимото количество енергия (а енергията на фотона се определя от честотата на излъчване), тогава електронът ще бъде изхвърлен и ще се наблюдава фотоелектричният ефект. В процеса на взаимодействие с метал фотонът напълно отдава енергията си на електрона, тъй като фотонът не може да бъде разделен на части. Енергията на фотона ще бъде частично изразходвана за прекъсване на връзката между електрона и метала и частично за придаване на кинетична енергия на движение на електрона. Следователно максималната кинетична енергия на електрон, избит от метал, не може да бъде по-голяма от разликата между енергията на фотона и енергията на свързване на електрона с металните атоми. Следователно, с увеличаване на броя на фотоните, падащи върху металната повърхност за единица време (т.е. с увеличаване на интензитета на осветяване), само броят на електроните, изхвърлени от метала, ще се увеличи, което ще доведе до увеличаване на фототока , но енергията на всеки електрон няма да се увеличи. Ако енергията на фотона е по-малка от минималната енергия, необходима за изхвърляне на електрон, фотоелектричният ефект няма да се наблюдава за произволен брой фотони, падащи върху метала, т.е. при всякакъв интензитет на осветление.
Квантова теория на светлината, разработен Айнщайн, успя да обясни не само свойствата на фотоелектричния ефект, но и моделите на химическото действие на светлината, температурната зависимост на топлинния капацитет на твърдите тела и редица други явления. Оказа се, че е изключително полезен при развитието на идеи за структурата на атомите и молекулите.
От квантовата теория на светлината следва, че фотонът не е способен на фрагментация: той взаимодейства като цяло с електрона на метала, избивайки го от плочата; като цяло той взаимодейства със светлочувствителната субстанция на фотографския филм, като го кара да потъмнява в определена точка и т.н. В този смисъл фотонът се държи като частица, т.е. проявява корпускулярни свойства. Въпреки това, фотонът също има вълнови свойства: това се проявява във вълновата природа на разпространението на светлината, в способността на фотона да интерферира и дифракция. Фотонът се различава от частицата по класическо разбиранетози термин, тъй като точната му позиция в пространството, както точната позиция на всяка вълна, не може да бъде посочена. Но също така се различава от „класическата“ вълна по неспособността си да се разделя на части. Комбинирайки корпускулярни и вълнови свойства, фотонът, строго погледнато, не е нито частица, нито вълна - той се характеризира с корпускулярно-вълнова двойственост.
Първа информация за комплекса атомна структураса получени чрез изучаване на процесите на преминаване електрически токчрез течности. През тридесетте години на XIX век. експерименти изключителен физикМ. Фарадей беше доведен до идеята, че електричеството съществува под формата на отделни единични заряди.
Откриването на спонтанния разпад на атомите на някои елементи, наречено радиоактивност, стана пряко доказателство за сложността на структурата на атома. През 1902 г. английските учени Ърнест Ръдърфорд и Фредерик Соди доказват, че по време на радиоактивен разпад атомът на урана се превръща в два атома - атом на торий и атом на хелий. Това означаваше, че атомите не са неизменни, неразрушими частици.
Моделът на Ръдърфорд на атома
Изучавайки преминаването на тесен лъч от алфа частици през тънки слоеве материя, Ръдърфорд откри, че повечето алфа частици преминават през метално фолио, състоящо се от много хиляди слоеве атоми, без да се отклоняват от първоначалната посока, без да изпитват разсейване, сякаш има нямаше предмети по пътя им, нямаше препятствия. Някои частици обаче бяха отклонени под големи ъгли, изпитвайки действието на големи сили.
Въз основа на резултатите от експерименти за наблюдение на разсейването на алфа частици в материята Ръдърфорд предложи планетарен модел на структурата на атома.Според този модел Структурата на атома е подобна на структурата на Слънчевата система.В центъра на всеки атом има положително заредено ядрорадиус ≈ 10 -10 m като орбитата на планетите отрицателно заредени електрони.Почти цялата маса е концентрирана в атомното ядро. Алфа частиците могат да преминат през хиляди слоеве атоми, без да се разпръснат, защото по-голямата част от пространството вътре в атомите е празно и сблъсъците с леки електрони имат малък ефект върху движението на тежка алфа частица. Алфа частиците се разпръскват по време на сблъсъци с атомни ядра.
Атомният модел на Ръдърфорд не може да обясни всички свойства на атомите.
Според законите на класическата физика атом от положително заредено ядро и електрони, въртящи се в кръгови орбити, трябва да излъчват електромагнитни вълни. Излъчването на електромагнитни вълни трябва да доведе до намаляване на потенциалния запас от енергия в системата ядро-електрон, до постепенно намаляване на радиуса на орбитата на електрона и падането на електрона върху ядрото. Атомите обаче обикновено не излъчват електромагнитни вълни, електроните не падат върху атомните ядра, тоест атомите са стабилни.
Квантовите постулати на Н. Бор
Да обясни стабилността на атомите Нилс Борпредложи да се изоставят обичайните класически концепции и закони при обяснение на свойствата на атомите.
Основните свойства на атомите получават последователно качествено обяснение въз основа на приемането квантови постулати на Н. Бор.
1. Електронът се върти около ядрото само по строго определени (стационарни) кръгови орбити.
2. Една атомна система може да бъде само в определени стационарни или квантови състояния, всяко от които съответства на определена енергия E. Атомът не излъчва енергия в стационарни състояния.
Стационарно състояние на атомас минимален енергиен запас се нарича основно състояние, всички останали състояния се извикват възбудени (квантови) състояния.Атомът може да остане в основно състояние безкрайно дълго време; времето на живот на атома във възбудено състояние продължава 10 -9 -10 -7 секунди.
3. Излъчването или поглъщането на енергия възниква само когато атом преминава от едно стационарно състояние в друго. Енергия на квант електромагнитно излъчване при преход от стационарно състояние с енергия E mв състояние на енергия E nравна на разликата между енергиите на атом в две квантови състояния:
∆E = E m – E n = hv,
Къде v– честота на излъчване, ч= 2ph = 6,62 ∙ 10 -34 J ∙s.
Квантов модел на структурата на атома
Впоследствие някои положения от теорията на Н. Бор бяха допълнени и преосмислени. Най-съществената промяна беше въвеждането на концепцията за електронен облак, която замени концепцията за електрона само като частица. По-късно теорията на Бор е заменена от квантовата теория, която отчита вълновите свойства на електрона и другите елементарни частици, образуващи атома.
база съвременна теорияатомна структурае планетарен модел, допълнен и подобрен. Според тази теория ядрото на атома се състои от протони (положително заредени частици) и неврони (частици без заряд). А около ядрото електроните (отрицателно заредени частици) се движат по неопределени траектории.
Все още имате въпроси? Искате ли да научите повече за моделите на атомната структура?
За да получите помощ от преподавател, регистрирайте се.
Първият урок е безплатен!
уебсайт, при пълно или частично копиране на материал се изисква връзка към източника.
Планетарният модел на атома е предложен от Е. Ръдърфорд през 1910 г. Той прави първите си изследвания на структурата на атома с помощта на алфа частици. Въз основа на резултатите, получени от техните експерименти с разсейване, Ръдърфорд предположи, че целият положителен заряд на атома е концентриран в малко ядро в неговия център. От друга страна, отрицателно заредените електрони са разпределени в останалата част от обема му.
Малко предистория
Първото гениално предположение за съществуването на атомите е направено от древногръцкия учен Демокрит. Оттогава идеята за съществуването на атоми, чиито комбинации пораждат всички вещества около нас, не напуска въображението на хората на науката. Периодично с нея се свързвали различни нейни представители, но преди началото на XIXвекове от изграждането им са били само хипотези, неподкрепени с експериментални данни.
И накрая, през 1804 г., повече от сто години преди появата на планетарния модел на атома, английският учен Джон Далтън представи доказателства за неговото съществуване и въведе понятието атомно тегло, което беше първата му количествена характеристика. Подобно на своите предшественици, той възприема атомите като малки парчета материя, като твърди топки, които не могат да бъдат разделени на още по-малки частици.
Откриване на електрона и първия модел на атома
Измина почти век, когато най-накрая, края на XIXвек, англичанинът J. J. Thomson открива и първата субатомна частица, отрицателно зареденият електрон. Тъй като атомите са електрически неутрални, Томсън смята, че те трябва да се състоят от положително заредено ядро с електрони, разпръснати из неговия обем. Въз основа на различни експериментални резултати, той предлага своя модел на атома през 1898 г., понякога наричан „сливи в пудинга“, защото представя атома като сфера, пълна с някаква положително заредена течност, в която са вградени електрони като „сливи“. пудингът." Радиусът на такъв сферичен модел е около 10 -8 см. Общият положителен заряд на течността е симетрично и равномерно балансиран от отрицателните заряди на електроните, както е показано на фигурата по-долу.
Този модел задоволително обяснява факта, че когато дадено вещество се нагрее, то започва да излъчва светлина. Въпреки че това беше първият опит да се разбере какво представлява атомът, той не успя да задоволи резултатите от експериментите, проведени по-късно от Ръдърфорд и други. Томсън се съгласи през 1911 г., че неговият модел просто не може да отговори как и защо се получава експериментално наблюдаваното разсейване на α-лъчи. Поради това той е изоставен и е заменен от по-напреднал планетарен модел на атома.
Как е устроен атомът?
Ърнест Ръдърфорд даде обяснение на явлението радиоактивност, което му спечели Нобелова награда, но най-значимият му принос към науката дойде по-късно, когато установи, че атомът се състои от плътно ядро, заобиколено от орбити на електрони, точно както Слънцето е заобиколено от орбитите на планетите.
Според планетарния модел на атома по-голямата част от неговата маса е концентрирана в малко (в сравнение с размера на целия атом) ядро. Електроните се движат около ядрото, пътувайки с невероятни скорости, 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. Диаметърът на ядрото е оценен от Ръдърфорд на 10 -13 см, за разлика от размера на атома - 10 -8 см. Извън ядрото електроните се въртят около него с висока скорост, което води до центробежни сили, които балансират електростатичните. сили на привличане между протони и електрони.
Експериментите на Ръдърфорд
Планетарният модел на атома възниква през 1911 г. след известния експеримент със златно фолио, който позволява да се получи фундаментална информация за неговата структура. Пътят на Ръдърфорд към откриването на атомното ядро е добър примерролята на творчеството в науката. Търсенето му започва през далечната 1899 г., когато открива, че някои елементи излъчват положително заредени частици, които могат да проникнат през всичко. Той нарече тези частици алфа (α) частици (сега знаем, че те са били хелиеви ядра). Като всички добри учени Ръдърфорд беше любопитен. Той се чудеше дали алфа частиците могат да се използват, за да се научи структурата на атома. Ръдърфорд решава да насочи лъч от алфа частици към лист много тънко златно фолио. Той избра злато, защото можеше да се направи на листове с дебелина 0,00004 см. Зад лист златно фолио той постави екран, който светеше, когато алфа частиците го удариха. Използва се за откриване на алфа частици след преминаването им през фолио. Малък процеп в екрана позволява на лъча от алфа частици да достигне до фолиото, след като напусне източника. Част от тях трябва да преминат през фолиото и да продължат да се движат в същата посока, другата част да отскочат от фолиото и да се отразят под остри ъгли. Можете да видите експерименталния дизайн на фигурата по-долу.
Какво се случи в експеримента на Ръдърфорд?
Базирайки се на модела на атома на J. J. Thomson, Ръдърфорд допуска, че непрекъснати области с положителен заряд, изпълващи целия обем на златните атоми, ще отклонят или огънат траекториите на всички алфа частици, докато преминават през фолиото.
По-голямата част от алфа частиците обаче преминават направо през златното фолио, сякаш то не е там. Сякаш минаваха през празно пространство. Само няколко от тях се отклоняват от прав път, както се очакваше в началото. По-долу има графика на броя на частиците, разпръснати в съответната посока спрямо ъгъла на разсейване.
Изненадващо, малък процент от частиците отскочиха обратно от фолиото, като баскетболна топка, отскачаща от табло. Ръдърфорд осъзнава, че тези отклонения са резултат от преки сблъсъци между алфа частици и положително заредените компоненти на атома.
Ядрото заема централно място
Въз основа на малкия процент алфа частици, отразени от фолиото, можем да заключим, 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 концентриран положителен заряд ядрото. Той предсказа и скоро откри, че съдържа положително заредени частици, които той нарече протони. Ръдърфорд прогнозира съществуването на неутрални атомни частици, наречени неутрони, но не успя да ги открие. Неговият ученик Джеймс Чадуик обаче ги открива няколко години по-късно. Фигурата по-долу показва структурата на ядрото на уранов атом.
Атомите се състоят от положително заредени тежки ядра, заобиколени от отрицателно заредени изключително леки електронни частици, въртящи се около тях и с такива скорости, че механичните центробежни сили просто балансират електростатичното им привличане към ядрото и в тази връзка, предполага се, е осигурена стабилността на атома .
Недостатъци на този модел
Основната идея на Ръдърфорд е свързана с идеята за малко атомно ядро. Предположението за електронните орбити беше чиста хипотеза. Той не знаеше точно къде и как се въртят електроните около ядрото. Следователно планетарният модел на Ръдърфорд не обяснява разпределението на електроните по орбитите.
Освен това стабилността на атома на Ръдърфорд е възможна само при непрекъснато движение на електрони в орбити без загуба на кинетична енергия. Но електродинамичните изчисления показват, че движението на електрони по всякакви криволинейни траектории, придружено от промяна в посоката на вектора на скоростта и появата на съответното ускорение, неизбежно е придружено от излъчване на електромагнитна енергия. В този случай, съгласно закона за запазване на енергията, кинетичната енергия на електрона трябва много бързо да се изразходва за радиация и тя трябва да падне върху ядрото, както е показано схематично на фигурата по-долу.
Но това не се случва, тъй като атомите са стабилни образувания. Между модела на явлението и експерименталните данни възникна типично за науката противоречие.
От Ръдърфорд до Нилс Бор
Следващият голям напредък в историята на атома идва през 1913 г., когато датският учен Нилс Бор публикува описание на по-подробен модел на атома. Той по-ясно определя местата, където могат да бъдат разположени електрони. Въпреки че по-късно учените ще разработят по-сложни атомни проекти, планетарният модел на атома на Бор е в основата си правилен и голяма част от него все още се приема днес. Има много полезни приложения, например, използва се за обяснение на свойствата на различни химически елементи, естеството на спектъра на тяхното излъчване и структурата на атома. Появяват се планетарният модел и моделът на Бор основни етапи, което бележи появата на ново направление във физиката - физиката на микросвета. Бор получава Нобелова награда за физика през 1922 г. за приноса си към нашето разбиране за атомната структура.
Какво ново донесе Бор в атомния модел?
Докато е още млад, Бор работи в лабораторията на Ръдърфорд в Англия. Тъй като концепцията за електроните е слабо развита в модела на Ръдърфорд, Бор се фокусира върху тях. В резултат планетарният модел на атома беше значително подобрен. Постулатите на Бор, които той формулира в статията си „За структурата на атомите и молекулите“, публикувана през 1913 г., гласят:
1. Електроните могат да се движат около ядрото само на фиксирани разстояния от него, определени от количеството енергия, което имат. Той нарече тези фиксирани нива енергийни нива или електронни обвивки. Бор си ги представя като концентрични сфери с ядро в центъра на всяка. В този случай електрони с по-ниска енергия ще бъдат намерени на по-ниски нива, по-близо до ядрото. Тези с повече енергия ще бъдат намерени на повече високи нива, по-далеч от ядрото.
2. Ако един електрон погълне определено (съвсем определено за дадено ниво) количество енергия, тогава той ще скочи на следващото, по-високо енергийно ниво. Обратно, ако загуби същото количество енергия, той ще се върне обратно към първоначалното си ниво. Един електрон обаче не може да съществува на две енергийни нива.
Тази идея е илюстрирана с рисунка.
Енергийни части за електрони
Моделът на атома на Бор всъщност е комбинация от две различни идеи: атомният модел на Ръдърфорд с електрони, обикалящи около ядро (по същество планетарният модел на атома на Бор-Ръдърфорд) и идеята на немския учен Макс Планк за квантуване на енергията на материята, публикувана през 1901 г. Квант (множествено число: кванти) е минималното количество енергия, което може да бъде абсорбирано или излъчено от вещество. Това е един вид стъпка на дискретизиране на количеството енергия.
Ако енергията се сравни с вода и искате да я добавите към материята под формата на чаша, не можете просто да излеете вода в непрекъснат поток. Вместо това можете да го добавите в малки количества, като чаена лъжичка. Бор вярва, че ако електроните могат да абсорбират или губят само фиксирани количества енергия, тогава те трябва да променят енергията си само с тези фиксирани количества. По този начин те могат да заемат само фиксирани енергийни нива около ядрото, които съответстват на квантуваните увеличения на тяхната енергия.
Така от модела на Бор израства квантовият подход за обяснение на структурата на атома. Планетарният модел и моделът на Бор бяха уникални стъпки от класическата физика към квантовата физика, която е основният инструмент във физиката на микросвета, включително атомната физика.
