Лекция: Планетен модел на атома
Структура на атома
Най-точният начин за определяне на структурата на всяко вещество е спектралният анализ. Излъчването от всеки атом на елемента е изключително индивидуално. Преди обаче да разберем как протича спектралният анализ, нека разберем каква структура има атомът на който и да е елемент.
Първото предположение за структурата на атома е представено от J. Thomson. Този учен отдавна изучава атомите. Нещо повече, именно той притежава откритието на електрона - за което получава Нобелова награда. Моделът, който Томсън предложи, няма нищо общо с реалността, но служи като доста силен стимул при изследването на структурата на атома от Ръдърфорд. Моделът на Томсън бил наречен „пудинг със стафиди“.
Томсън вярваше, че атомът е твърда топка с отрицателен електрически заряд. За да го компенсират, електроните се разпръскват в топката, подобно на стафидите. Като цяло зарядът на електроните съвпада със заряда на цялото ядро, което прави атома неутрален.
По време на изследването на структурата на атома беше установено, че всички атоми в твърдото тяло извършват колебателни движения. И както знаете, всяка движеща се частица излъчва вълни. Ето защо всеки атом има свой собствен спектър. Тези твърдения обаче не се вписват в модела на Томсън.
Опитът на Ръдърфорд
За да потвърди или опровергае модела на Томсън, Ръдърфорд предлага експеримент, в резултат на който атом от някакъв 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 радиоактивното разпадане на радий. Техните потоци бяха алфа лъчи, всяка частица от които имаше положителен заряд. В резултат на многобройни изследвания е установено, че алфа частицата е като хелиев атом, на който липсват електрони. Използвайки съвременните знания, знаем, че алфа частицата е ядро \u200b\u200bна хелий, по това време Ръдърфорд вярва, че това са хелиеви йони.
Всяка алфа частица имаше огромна енергия, в резултат на което тя можеше да лети до 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 фолио от злато. Той насочи високоскоростни алфа частици към него. Той предположи, че в резултат на този експеримент всички частици ще летят през фолиото, и то с малки отклонения. За да разбере със сигурност обаче, той инструктира своите ученици да проверят за големи отклонения в тези частици.
Резултатът от експеримента изненада абсолютно всички, защото много частици не само се отклониха под достатъчно голям ъгъл - някои ъгли на отклонение достигнаха повече от 90 градуса.
Тези резултати изненадаха абсолютно всички, Ръдърфорд каза, че има чувството, че парче хартия е поставено по пътя на снарядите, което не позволява на алфа частицата да проникне вътре, в резултат на което тя се обръща обратно.
Ако атомът е бил наистина твърд, тогава той трябва да е имал някакво електрическо поле, което е забавило частицата. Силата на полето обаче беше недостатъчна, за да го спре напълно, още по-малко да го върне обратно. Това означава, че моделът на Томсън е опроверган. Така Ръдърфорд започва работа по нов модел.
Моделът на Ръдърфорд
За да се получи такъв експериментален резултат, е необходимо да се концентрира положителният заряд в по-малък размер, което води до по-голямо електрическо поле. Използвайки формулата за потенциала на полето, можете да определите необходимия размер на положителна частица, която би могла да отблъсне алфа частицата в обратна посока. Радиусът му трябва да бъде от порядъка на максимума 10-15 м... Ето защо Ръдърфорд предложи планетарен модел на атома.
Този модел е кръстен с причина. Факт е, че вътре в атома има положително заредено ядро, подобно на Слънцето в Слънчевата система. Електроните се въртят около ядрото, подобно на планетите. Слънчевата система е проектирана по такъв начин, че планетите да се привличат към слънцето от гравитационни сили, но те не падат на повърхността на слънцето в резултат на наличната скорост, която ги задържа в своята орбита. Същото се случва и с електроните - кулоновските сили привличат електрони към ядрото, но поради въртенето те не падат върху повърхността на ядрото.
Едно от предположенията на Томсън се оказа абсолютно правилно - общият заряд на електроните съответства на заряда на ядрото. В резултат на силното взаимодействие обаче електроните могат да бъдат избити от орбитата си, в резултат на което зарядът не се компенсира и атомът се превръща в положително зареден йон.
Много важна информация 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 структурата на атома J. Thomson през 1904 г. атомът е представен като „море от положително електричество“ с електрони, които трептят в него. Общият отрицателен заряд на електрони на електрически неутрален атом се приравнява на пълния му положителен заряд.
Опитът на Ръдърфорд
За да се тества хипотезата на Томсън и да се определи по-точно структурата на атома Е. Ръдърфорд организира поредица от експерименти с разсейване α -частици с тънки метални пластини - фолио. През 1910 г. учениците на Ръдърфорд Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън проведени експерименти с бомбардировки α -частици от тънки метални пластини. Те откриха това най-много α -частиците преминават през фолиото, без да променят траекторията си. И това не беше изненадващо, ако приемем правилността на модела на атома на Томсън.
Източник α - радиацията беше поставена в оловен куб с пробит в него канал, за да може да се получи поток α -частици, летящи в определена посока. Алфа частиците са двойно йонизирани хелиеви атоми ( Не 2+). Те имат положителен заряд от +2 и маса, близо 7350 пъти масата на електрон. Падане върху екран с покритие от цинков сулфид α -частиците предизвикаха блясъка му, а в лупата беше възможно да се видят и преброят отделните светкавици, които се появяват на екрана, когато всеки α -частици. Между източника на лъчение и екрана беше поставено фолио. По светкавиците на екрана може да се прецени разсейването α -частици, т.е. за отклонението им от първоначалната посока при преминаване през металния слой.
Оказа се, че повечето α -частиците преминават през фолиото, без да променят посоката си, въпреки че дебелината на фолиото съответства на стотици хиляди атомни диаметри. Но някои споделят α -частиците въпреки това се отклоняват под малки ъгли и от време на време α - частиците внезапно промениха посоката си на движение и дори (около 1 на 100 000) бяха хвърлени назад, сякаш удряха масивно препятствие. Случаи на такова рязко отклонение α -частиците могат да се наблюдават чрез преместване на екрана с лупа в дъга.
От резултатите от този експеримент могат да се направят следните изводи:
- В атома има известно „препятствие“, наречено ядро.
- Ядрото има положителен заряд (иначе положително зареден α частиците не биха се отразили обратно).
- Ядрото е много малко в сравнение с размера на самия атом (само малка част α -частиците са променили посоката на движение).
- Сърцевината има голяма маса в сравнение с масата α -частици.
Ръдърфорд обясни резултатите от експеримента, като предложи "Планетен" модел на атома, което го оприличи на Слънчевата система. Според планетарния модел в центъра на атома има много малко ядро, около 100 000 пъти по-малко от самия атом. Това ядро \u200b\u200bсъдържа почти цялата маса на атома и носи положителен заряд. Електроните се движат около ядрото, чийто брой се определя от ядрения заряд. Външната траектория на движението на електроните определя външните размери на атома. Диаметърът на атома е около 10 -8 cm, а диаметърът на ядрото е около 10 -13 ÷ 10 -12 cm.
Колкото по-голям е зарядът на атомното ядро, толкова по-силен ще бъде отблъснат от него α -частица, толкова по-често ще има случаи на силни отклонения α -частици, преминаващи през металния слой от първоначалната посока на движение. Следователно, експерименти с разсейване α -частиците дават възможност 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 от електронния заряд) е числено равен на поредния номер на елемента в периодичната система. Това е потвърдено Г. Моузли, който установи през 1913 г. проста връзка между дължините на вълните на определени линии от рентгеновия спектър на даден елемент и неговия сериен номер, и Д. Чадуик, който определи с голяма точност през 1920 г. зарядите на атомни ядра на редица елементи чрез разсейване α -частици.
Установено е физическото значение на серийния номер на елемент в периодичната система: серийният номер се оказа най-важната константа на елемент, изразяващ положителния заряд на ядрото на неговия атом. От електронеутралността на атома следва, че броят на електроните, въртящи се около ядрото, е равен на поредния номер на елемента.
Това откритие даде нова обосновка за подреждането на елементи в периодичната таблица. В същото време премахна и очевидното противоречие в системата на Менделеев - положението 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 зарядът на ядрото на телуровия атом е 52, а на йодния атом - 53; следователно телурът, въпреки голямата си атомна маса, трябва да стои 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 \u200b\u200bе основната величина, от която зависят свойствата на даден елемент и неговото положение в периодичната таблица. Следователно периодичен закон на Менделеев в момента може да се формулира, както следва:
Свойствата на елементите и образуваните от тях прости и сложни вещества периодично зависят от ядрения заряд на атомите на елементите
Определянето на поредните номера на елементите по зарядите на ядрата на техните атоми даде възможност да се установи общият брой места в периодичната система между водород, който има пореден номер 1, и уран (подреден номер 92), който по това време се смяташе за последен член на периодичната система на елементите. Когато е създадена теорията за структурата на атома, места 43, 61, 72, 75, 85 и 87 остават незаети, което показва възможността за съществуване на неоткрити елементи. Всъщност през 1922 г. е открит елементът хафний, който се е състоял 72; след това през 1925 г. - рений, който се състоя 75. Елементите, които трябва да заемат останалите четири свободни места на масата, се оказаха радиоактивни и не бяха открити в природата, но бяха получени изкуствено. Новите елементи бяха наречени технеций (сериен номер 43), прометиум (61), астатин (85) и франций (87). Понастоящем всички клетки в периодичната таблица между водород и уран са пълни. Самата периодична система обаче не е пълна.
Атомни спектри
Планетарният модел е основна стъпка в теорията на атомната структура. В някои отношения обаче това противоречи на добре установени факти. Помислете за две такива противоречия.
Първо, теорията на Ръдърфорд не може да обясни стабилността на атома. Електрон, въртящ се около положително заредено ядро, трябва подобно на трептящ електрически заряд да излъчва 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 електростатичното привличане на електрона към ядрото. За да възстанови равновесието, електронът трябва да се приближи до ядрото. По този начин електронът, излъчващ непрекъснато електромагнитна енергия и движещ се по спирала, ще се приближи до ядрото. След като е изчерпал цялата си енергия, той трябва да „падне” до ядрото и атомът ще престане да съществува. Това заключение противоречи на реалните свойства на атомите, които са стабилни образувания и могат да съществуват без да се срутват изключително дълго време.
На второ място, моделът на Ръдърфорд доведе до неправилни изводи за същността на атомните спектри. Когато светлината, излъчвана от нажежаема твърда или течност, преминава през стъклена или кварцова призма, на екрана, поставен зад призмата, се наблюдава така нареченият непрекъснат спектър, чиято видима част е цветна лента, съдържаща всички цветове на дъгата. Това явление се обяснява с факта, че излъчването на горещо твърдо или течно тяло се състои от електромагнитни вълни от всякакъв вид честоти. Вълните с различни честоти се пречупват неравномерно от призмата и удрят различни места на екрана. Наборът от честоти на електромагнитното излъчване, излъчвано от дадено вещество, се нарича емисионен спектър. От друга страна, веществата поглъщат лъчение с определени честоти. Комбинацията от последните се нарича абсорбционен спектър на веществото.
Вместо призма, можете да използвате дифракционна решетка, за да получите спектър. Последният представлява стъклена плоча, върху чиято повърхност, на много близко разстояние един от друг, се нанасят тънки паралелни ходове (до 1500 хода на 1 мм). Преминавайки през такава решетка, светлината се разлага и образува спектър, подобен на получения от призма. Дифракцията е присъща на всяко вълново движение и служи като едно от основните доказателства за вълновата природа на светлината.
При нагряване веществото излъчва лъчи (радиация). Ако лъчението има една дължина на вълната, то то се нарича едноцветно. В повечето случаи лъчението се характеризира с няколко дължини на вълната. Когато лъчението се разлага на монохроматични компоненти, се получава радиационен спектър, където отделните му компоненти се изразяват със спектрални линии.
Спектрите, получени чрез излъчване от свободни или слабо свързани атоми (например в газове или пари), се наричат \u200b\u200bатомни спектри.
Излъчването от твърди вещества или течности винаги дава непрекъснат спектър. Излъчването, излъчвано от нажежаеми газове и пари, за разлика от излъчването на твърди вещества и течности, съдържа само определени дължини на вълните. Следователно, вместо плътна лента, екранът създава поредица от отделни цветни линии, разделени от тъмни пространства. Броят и местоположението на тези линии зависят от естеството на горещия газ или пара. И 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.
Излъчването от твърди вещества или течности винаги дава непрекъснат спектър. Излъчването, излъчвано от нажежаеми газове и пари, за разлика от излъчването на твърди вещества и течности, съдържа само определени дължини на вълните. Следователно, вместо плътна лента, екранът създава поредица от отделни цветни линии, разделени от тъмни пространства. Броят и местоположението на тези линии зависят от естеството на горещия газ или пара. И 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 \u200b\u200bлинейни спектри. Установено е, че светлината, излъчвана от газовите атоми, има линеен спектър, в който спектралните линии могат да се комбинират в серия.
Във всяка серия подреждането на линиите съответства на определен модел. Честотите на отделните линии могат да бъдат описани формулата на Балмер:
Фактът, че атомите на всеки елемент дават напълно определен спектър, присъщ само на този елемент, а интензивността на съответните спектрални линии е толкова по-висока, колкото по-високо е съдържанието на елемента в взетата проба, се използва широко за определяне на качествения и количествен състав на веществата и материалите. Този метод на изследване се нарича спектрален анализ.
Оказа се, че планетарният модел на атомната структура не може да обясни линейния спектър на излъчване на водородни атоми и още повече комбинацията от спектърни линии в серия. Електрон, въртящ се около ядрото, трябва да се доближи до ядрото, като непрекъснато променя скоростта на своето движение. Честотата на излъчваната от нея светлина се определя от честотата на нейното въртене и следователно трябва да се променя непрекъснато. Това означава, че радиационният спектър на атома трябва да бъде непрекъснат, непрекъснат. Според този модел честотата на излъчване на атома трябва да бъде равна на честотата на механичните вибрации или да е кратно на нея, което не е в съответствие с формулата на Балмер. По този начин теорията на Ръдърфорд не е в състояние да обясни нито съществуването на стабилни атоми, нито наличието на линейни спектри в тях.
Квантова теория на светлината
През 1900г М. Планк показа, че способността на нагрятото тяло да излъчва радиация може да бъде правилно количествено описана само като се приеме, че лъчистата енергия се излъчва и абсорбира от тела не непрекъснато, а дискретно, т.е. на отделни порции - кванти. В този случай енергията Е. всяка такава част е свързана с честотата на излъчване от връзката, получила името уравнения на Планк:
Дълго време самият Планк вярваше, че излъчването и поглъщането на светлината от квантите е свойство на излъчващите тела, а не на самата радиация, която е способна да притежава всякаква енергия и следователно може да се абсорбира непрекъснато. Въпреки това през 1905г Айнщайнанализирайки явлението на фотоелектричния ефект, стигна до заключението, че електромагнитната (лъчиста) енергия съществува само под формата на кванти и че следователно радиацията е поток от неделими материални „частици“ (фотони), чиято енергия се определя уравнение на Планк.
Фотоелектричен ефект се нарича излъчване на електрони от метал под въздействието на падаща върху него светлина. Този феномен е изследван подробно през 1888-1890. А. Г. Столетов... Ако поставите инсталацията във вакуум и я приложите върху плочата М отрицателен потенциал, тогава няма да има ток във веригата, тъй като в пространството между плочата и мрежата няма заредени частици, които могат да носят електрически ток. Но когато плочата е осветена от източник на светлина, галванометърът открива появата на ток (наречен фототок), чиито носители са електрони, изтръгнати от метала от светлината.
Оказа се, че когато интензивността на осветеността се промени, се променя само броят на електроните, излъчвани от метала, т.е. сила на фототока. Но максималната кинетична енергия на всеки електрон, излъчен от метала, не зависи от интензивността на осветяване, а се променя само когато се промени честотата на падащата върху метала светлина. Именно с увеличаване на дължината на вълната (т.е. с намаляване на честотата) енергията на електроните, излъчвани от метала, намалява и след това при специфична за всеки метал дължина на вълната фотоефектът изчезва и не се появява дори при много висока интензивност на осветяване И така, когато се осветява с червена или оранжева светлина, натрият не проявява фотоефект и започва да излъчва електрони само при дължина на вълната по-малка от 590 nm (жълта светлина); в лития фотоефектът се открива при още по-къси дължини на вълните, започвайки от 516 nm (зелена светлина); а извличането на електрони от платина под въздействието на видима светлина изобщо не се случва и започва едва при облъчване на платината с ултравиолетови лъчи.
Тези свойства на фотоелектричния ефект са напълно необясними от позицията на класическата вълнова теория на светлината, според която ефектът трябва да се определя (за даден метал) само от количеството енергия, погълната от металната повърхност за единица време, но не трябва да зависи от вида на радиацията, падаща върху метала. Същите тези свойства обаче получават просто и убедително обяснение, ако приемем, че радиацията се състои от отделни порции, фотони, с добре дефинирана енергия.
В действителност, електрон в метала е свързан с атомите на метала, така че е необходимо определено количество енергия, за да се изтегли. Ако фотонът има необходимото захранване с енергия (и енергията на фотона се определя от честотата на излъчване), тогава електронът ще бъде изтръгнат, ще се наблюдава фотоефектът. В процеса на взаимодействие с метал фотонът напълно отдава енергията си на електрон, тъй като фотонът не може да бъде разделен на части. Енергията на фотона ще бъде изразходвана отчасти за прекъсване на връзката между електрона и метала, отчасти за предаване на кинетичната енергия на движението на електрона. Следователно, максималната кинетична енергия на електрона, избит от метал, не може да бъде по-голяма от разликата между енергията на фотоните 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 интензивността на осветяване), ще се увеличи само броят на електроните, изтеглени от метала, 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 изваждане на електрон, фотоелектричният ефект няма да се наблюдава за произволен брой фотони, падащи върху метала, т.е. при всяка интензивност на светлината.
Квантова теория на светлинатаразработен Айнщайн, успя да обясни не само свойствата на фотоелектричния ефект, но и закономерностите на химичното действие на светлината, температурната зависимост на топлинния капацитет на твърдите вещества и редица други явления. Оказа се изключително полезно при развитието на идеи за структурата на атомите и молекулите.
От квантовата теория на светлината следва, че фотонът не е способен да се раздели: той взаимодейства като цяло с електрон от метал, избивайки го от плочата; като цяло той също взаимодейства с фоточувствителното вещество на фотографския филм, причинявайки му потъмняване в определена точка и т. н. В този смисъл фотонът се държи като частица, т.е. проявява корпускуларни свойства. Фотонът обаче има и вълнови свойства: това се проявява във вълновия характер на разпространението на светлината, в способността на фотона да пречи и дифракцията. Фотонът се различава от частицата в класическия смисъл на този термин по това, че не може да се посочи точното му местоположение в пространството, както точното положение на всяка вълна. Но се различава и от „класическата“ вълна - невъзможността за разделяне на части. Комбинирайки корпускуларните и вълновите свойства, фотонът, строго погледнато, не е нито частица, нито вълна - той има вълново-корпускуларна двойственост.
Първата информация за комплекса структурата на атома са получени при изследване на процесите на преминаване на електрически ток през течности. През тридесетте години на XIX век. експериментите на изключителния физик М. Фарадей предложиха идеята, че електричеството съществува под формата на отделни единични заряди.
Откриването на спонтанното разпадане 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 доказаха, че радиоактивният разпад превръща атома на урана в два атома - атом на торий и атом на хелий. Това означава, че атомите не са неизменни, неразрушими частици.
Атомният модел на Ръдърфорд
Изследвайки преминаването на тесен лъч алфа частици през тънки слоеве материя, Ръдърфорд установява, 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 не са по пътя няма препятствия. Някои частици обаче се отклоняват 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 за 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 планетите се обръщат отрицателно заредени електрони.Почти цялата маса е концентрирана в атомното ядро. Алфа частиците могат да преминат през хиляди слоеве на атоми, без да се разсейват, тъй като по-голямата част от пространството вътре в атомите е празно, а сблъсъците с леки електрони почти нямат ефект върху движението на тежка алфа частица. Разсейването на алфа частици се случва при сблъсъци с атомни ядра.
Моделът на Ръдърфорд за атома не може да обясни всички свойства на атомите.
Според законите на класическата физика атом, направен от положително заредено ядро \u200b\u200bи електрони, въртящи се в кръгови орбити, трябва да излъчва електромагнитни вълни. Излъчването на електромагнитни вълни трябва да доведе до намаляване на подаването на потенциална енергия в системата ядро-електрон, до постепенно намаляване на радиуса на орбитата на електрона и падането на електрона върху ядрото. Обаче атомите обикновено не излъчват електромагнитни вълни, електроните не падат върху атомните ядра, тоест атомите са стабилни.
Квантовите постулати на Н. Бор
За да се обясни стабилността на атомите Нилс Бор предложи да се откажат от обичайните класически понятия и закони, когато обясняват свойствата на атомите.
Основните свойства на атомите получават последователно качествено обяснение въз основа на приемането квантовите постулати на Н. Бор.
1. Електронът се върти около ядрото само по строго определени (стационарни) кръгови орбити.
2. Атомната система може да бъде само в определени стационарни или квантови състояния, всяко от които съответства на определена енергия Е. Атомът не излъчва енергия в стационарни състояния.
Стационарно състояние на атома с минимално снабдяване с енергия се нарича основно условие, всички останали държави се наричат възбудени (квантови) състояния.Атомът може да бъде в основно състояние безкрайно дълго време, животът на атом в възбудено състояние трае 10 -9 -10 -7 секунди.
3. Излъчването или поглъщането на енергия се случва само по време на прехода на атом от едно неподвижно състояние в друго. Енергията на квант електромагнитно излъчване по време на прехода от неподвижно състояние с енергия E mв състояние на енергия E nе равно на разликата между енергиите на атома в две квантови състояния:
∆Е \u003d Е m - Е n \u003d hv,
където v - честота на излъчване, з \u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10 -34 J ∙ s.
Квантов модел на структурата на атома
Впоследствие някои разпоредби от теорията на Н. Бор бяха допълнени и преосмислени. Най-значителната промяна беше въвеждането на концепцията за електронен облак, което промени концепцията за електрон само като частица. По-късно теорията на Бор е заменена от квантовата теория, която отчита вълновите свойства на електрона и други елементарни частици, образуващи атома.
Основата съвременна теория за строежа на атомае планетарен модел, допълнен и подобрен. Според тази теория ядрото на атома се състои от протони (положително заредени частици) и неврони (без заряд на частици). И електроните (отрицателно заредени частици) се движат около ядрото по неопределени траектории.
Все още имате въпроси? Искате ли да научите повече за атомните модели?
За да получите помощ от преподавател - регистрирайте се.
Първият урок е безплатен!
сайт, с пълно или частично копиране на материала, се изисква връзка към източника.
Планетарният модел на атома е предложен от Е. Ръдърфорд през 1910г. Първите изследвания на структурата на атома са направени от него с помощта на алфа частици. Въз основа на резултатите, получени в експерименти за тяхното разсейване, Ръдърфорд предполага, че целият положителен заряд на атом е концентриран в малко ядро \u200b\u200bв центъра му. От друга страна, отрицателно заредените електрони се разпределят в останалата част от неговия обем.
Малко фон
Първото гениално предположение за съществуването на атоми е направено от древногръцкия учен Демокрит. Оттогава идеята за съществуването на атоми, чиито комбинации дават всички вещества около нас, не напуска въображението на хората на науката. От време на време различни негови представители се обръщаха към него, но до началото на 19 век техните конструкции бяха само хипотези, неподкрепени от 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 съществуването му и въведе понятието за атомно тегло, което беше първата му количествена характеристика. Подобно на своите предшественици, той си представяше атомите като малки парченца материя, като твърди сфери, които не могат да бъдат разделени на още по-малки частици.
Откриването на електрона и първият модел на атома
Мина почти век, когато най-накрая, в края на 19-ти век, англичанинът Дж. Дж. Томсън откри и първата субатомна частица, отрицателно зареден електрон. Тъй като атомите са електрически неутрални, Томсън смята, че те трябва да бъдат съставени от положително заредено ядро \u200b\u200bс електрони, разпръснати по целия му обем. Въз основа на различни резултати, получени експериментално, през 1898 г. той предлага своя модел на атома, понякога наричан "сливи в пудинг", тъй като атомът в него е представен като сфера, пълна с някаква положително заредена течност, в която са въведени електрони, като "сливи в пудинг. " Радиусът на такъв сферичен модел беше 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 обясни факта, че когато дадено вещество се нагрява, то започва да излъчва светлина. Въпреки че това беше първият опит да се разбере какво представлява атомът, той не можеше да удовлетвори резултатите от експерименти, извършени по-късно от Ръдърфорд и други. Томсън през 1911 г. се съгласи, че неговият модел просто не може да отговори как и защо се наблюдава разсейването на α-лъчи. Следователно той беше изоставен и на негово място дойде по-съвършен планетарен модел на атома.
Как работи атомът?
Ърнест Ръдърфорд даде обяснение за явлението радиоактивност, което му донесе Нобелова награда, но най-значителният му принос в науката дойде по-късно, когато той 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 масата му е концентрирана в 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 атом. 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 високи скорости, което води до центробежни сили, които балансират електростатичните сили на привличане между протоните и електроните.
Експериментите на Ръдърфорд
Планетният модел на атома се появява през 1911 г., след известния експеримент със златно фолио, който предоставя някои основни сведения за неговата структура. Пътят на Ръдърфорд към откриването на атомното ядро \u200b\u200bе добър пример за ролята на творчеството в науката. Търсенето му започва през далечната 1899 г., когато открива, че някои елементи излъчват положително заредени частици, които могат да проникнат във всичко. Той нарече тези частици алфа (α) частици (сега знаем, че са били хелиеви ядра). Както всички добри учени, Ръдърфорд беше любопитен. Той се чудеше дали алфа частиците могат да се използват за откриване на структурата на атома. Ръдърфорд реши да насочи лъч от алфа частици към лист от много тънко златно фолио. Той избра златото, защото то може да произведе листове с дебелина само 0,00004 см. Зад лист златно фолио той постави екран, който светеше, когато алфа частиците го ударят. Използвал се е за откриване на алфа частици след преминаването им през фолио. Малък процеп на екрана позволи на лъча от алфа частици да достигне фолиото след излизане от източника. Някои от тях трябва да преминат през фолиото и да продължат да се движат в същата посока, докато други трябва да отскочат от фолиото и да бъдат отразени под остри ъгли. Можете да видите диаграмата на експеримента на фигурата по-долу.
Какво се случи в опита на Ръдърфорд?
Въз основа на модела на атома на Дж. Дж. Томсън, Ръдърфорд предполага, че твърдите области с положителен заряд, запълващи целия обем златни атоми, ще отклонят или огънат пътищата на всички алфа частици, когато преминават през фолиото.
По-голямата част от алфа частиците обаче минаха направо през златното фолио, сякаш го нямаше. Те сякаш преминаваха през празното пространство. Само няколко от тях се отклоняват от правия път, както беше предложено първоначално. По-долу е даден график на броя на частиците, разпръснати в съответната посока спрямо ъгъла на разсейване.
Изненадващо, малък процент от частиците отскачаха от фолиото, както баскетболът се отскача от дъската. Ръдърфорд осъзна, че тези отклонения са резултат от директен сблъсък между алфа частици и положително заредените компоненти на атома.
Ядрото заема централно място
Въз основа на незначителния процент на алфа частици, отразени от фолиото, можем да заключим, че целият положителен заряд и почти цялата маса на атома са концентрирани в една малка площ, а останалата част от атома е предимно празно пространство. Ръдърфорд нарича зоната на концентрирания положителен заряд ядрото. Той прогнозира и скоро откри, че той съдържа положително заредени частици, които той нарича протони. Ръдърфорд предсказа съществуването на неутрални атомни частици, наречени неутрони, но не успя да ги открие. Въпреки това неговият ученик Джеймс Чадуик ги открива няколко години по-късно. Фигурата по-долу показва структурата на ядрото на уран атом.
Атомите се състоят от положително заредени тежки ядра, заобиколени от отрицателно заредени изключително леки частици-електрони, въртящи се около тях, и при такива скорости, че механичните центробежни сили просто балансират своето електростатично привличане към ядрото и в тази връзка се предполага, че е осигурена стабилността на атома.
Недостатъци на този модел
Основната идея на Ръдърфорд е свързана с идеята за малко атомно ядро. Предположението за орбитите на електроните беше чиста хипотеза. Той не знаеше къде точно 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 показват, че движението на електрони по всяка криволинейна траектория, придружено от промяна в посоката на вектора на скоростта и появата на съответно ускорение, неизбежно е придружено от излъчването на електромагнитна енергия. В този случай, съгласно закона за запазване на енергията, кинетичната енергия на електрона трябва много бързо да бъде изразходвана за радиация и тя трябва да падне върху ядрото, както е схематично показано на фигурата по-долу.
Но това не се случва, тъй като атомите са стабилни образувания. Типично научно противоречие възникна между модела на явлението и експерименталните данни.
От Ръдърфорд до Нилс Бор
Следващата голяма стъпка напред в атомната история дойде 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 електроните. Въпреки че по-късно учените ще разработят по-сложни атомни конструкции, планетарният модел на Бор на атома е до голяма степен правилен и голяма част от него е приет и до днес. Той имаше много полезни приложения, например, той се използва за обяснение на свойствата на различни химични елементи, естеството на спектъра на тяхното излъчване и структурата на атома. Планетарният модел и моделът на Бор са най-важните етапи, които бележат появата на нова посока във физиката - физиката на микросвета. Бор получава Нобелова награда за физика през 1922 г. за своя принос към разбирането ни за структурата на атома.
Какво донесе Бор ново в атомния модел?
Като 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 на това планетарният модел на атома беше значително подобрен. Постулатите на Бор, които той формулира в статията си "За строежа 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, която имат. Той нарича тези фиксирани нива енергийни нива или електронни обвивки. Бор ги представя като концентрични сфери, с ядро \u200b\u200bв 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 с повече енергия ще бъдат намерени на по-високи нива, по-далеч от ядрото.
2. Ако електрон погълне определено (съвсем определено за дадено ниво) количество енергия, тогава той ще скочи до следващото, по-високо енергийно ниво. И обратно, ако загуби същото количество енергия, той ще се върне на първоначалното ниво. Електронът обаче не може да съществува на две енергийни нива.
Тази идея е илюстрирана на фигурата.
Енергийни порции за електрони
Моделът на атома на Бор всъщност е комбинация от две различни идеи: атомният модел на Ръдърфорд с електрони, които обикалят около ядрото (всъщност това е планетарният модел на атома на Бор-Ръдърфорд), и идеята на германския учен Макс Планк за квантуването на енергията на материята, публикувана през 1901 г. Квантът (множествено число - кванти) е минималното количество енергия, което може да бъде абсорбирано или излъчено от материята. Това е един вид стъпка в вземането на проби от количеството енергия.
Ако енергията се сравнява с водата 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 добавяте в малки количества, като чаена лъжичка наведнъж. Бор вярва, че ако електроните могат само да абсорбират или загубят 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 квантовани стъпки от тяхната енергия.
И така, от модела на Бор, квантов подход за обяснение каква е структурата на атома. Планетарният модел и моделът на Бор са един вид стъпки от класическата към квантовата физика, която е основният инструмент във физиката на микросвета, включително атомната физика.
