Luento: Planeetan malli atomista
Atomirakenne
Tarkin tapa määrittää minkä tahansa aineen rakenne on spektrianalyysi. Elementin jokaisen atomin säteily on yksinomaan yksilöllistä. Ennen kuin ymmärrämme, miten spektrianalyysi tapahtuu, selvitämme minkä rakenteen minkä tahansa elementin atomilla on.
Ensimmäisen oletuksen atomin rakenteesta esitti J. Thomson. Tämä tiedemies on tutkinut atomeja pitkään. Lisäksi hän omistaa elektronin löytämisen - josta hän sai Nobelin palkinnon. Thomsonin ehdottamalla mallilla ei ollut mitään tekemistä todellisuuden kanssa, mutta se toimi melko vahvana kannustimena Rutherfordin tutkimuksessa atomin rakenteesta. Thomsonin mallia kutsuttiin "rusinapuuroksi".
Thomson uskoi, että atomi on kiinteä pallo, jolla on negatiivinen sähkövaraus. Sen kompensoimiseksi elektronit ovat tunkeutuneet palloon, kuten rusinat. Elektronien varaus yhtenee koko ytimen varauksen kanssa, mikä tekee atomista neutraalin.
Atomirakenteen tutkimuksen aikana todettiin, että kaikki kiinteiden aineiden atomit suorittavat värähtelyliikkeitä. Ja kuten tiedät, kaikki liikkuvat hiukkaset lähettävät aaltoja. Siksi jokaisella atomilla on oma spektri. Nämä lausunnot eivät kuitenkaan sopineet Thomsonin malliin.
Rutherfordin kokemus
Thomsonin mallin vahvistamiseksi tai kumoamiseksi Rutherford ehdotti kokeilua, jonka seurauksena jonkin elementin atomia pommitettiin alfa-hiukkasilla. Tämän kokeen tuloksena oli tärkeää nähdä, miten hiukkanen käyttäytyy.
Alfa-hiukkaset löydettiin radiumin radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Heidän virtansa olivat alfasäteitä, joiden jokaisella hiukkasella oli positiivinen varaus. Lukuisten tutkimusten tuloksena on todettu, että alfa-hiukkanen on kuin heliumiatomi, jossa ei ole elektroneja. Nykyistä tietoa käyttäen tiedämme, että alfa-hiukkanen on heliumin ydin, kun taas Rutherford uskoi sen olevan heliumioneja.
Jokaisella alfa-hiukkasella oli valtava energia, jonka seurauksena se pystyi lentämään kyseisiin atomiin suurella nopeudella. Siksi kokeen päätuloksena oli hiukkasen taipumakulman määrittäminen.
Kokeen suorittamiseksi Rutherford käytti ohutta kultaa. Hän ohjasi siihen nopeita alfa-hiukkasia. Hän oletti, että tämän kokeen seurauksena kaikki hiukkaset lentäisivät kalvon läpi pienillä poikkeamilla. Varman selvittämiseksi hän kuitenkin opetti oppilaitaan tarkistamaan näiden hiukkasten suuret poikkeamat.
Kokeen tulos yllätti ehdottomasti kaikki, koska monet hiukkaset taipuivat paitsi riittävän suuressa kulmassa - jotkut taipumakulmat olivat yli 90 astetta.
Nämä tulokset yllättivät ehdottomasti kaikki, Rutherford sanoi, että tuntui siltä, \u200b\u200bettä ammusten polulle olisi asetettu paperi, joka ei antanut alfa-hiukkasen tunkeutua sisälle, minkä seurauksena se kääntyi takaisin.
Jos atomi olisi todella kiinteä, siinä on täytynyt olla jonkinlainen sähkökenttä, joka hidastaa hiukkasia. Kentän voima ei kuitenkaan ollut riittävä pysäyttämään sitä kokonaan, saati sitten heittämään sitä takaisin. Tämä tarkoittaa, että Thomsonin malli on kumottu. Joten Rutherford alkoi työskennellä uuden mallin parissa.
Rutherfordin malli
Tällaisen kokeellisen tuloksen saavuttamiseksi on välttämätöntä keskittää positiivinen varaus pienempään kokoon, mikä johtaa suurempaan sähkökenttään. Kenttäpotentiaalin kaavan avulla voit määrittää vaaditun positiivisen hiukkasen koon, joka voi hylätä alfa-hiukkasen vastakkaiseen suuntaan. Sen säteen tulisi olla suurimman luokan luokkaa 10-15 m... Siksi Rutherford ehdotti atomin planeettamallia.
Tämä malli on nimetty syystä. Tosiasia on, että atomin sisällä on positiivisesti varautunut ydin, samanlainen kuin aurinkokunnan aurinko. Elektronit pyörivät ytimen ympäri, kuten planeetat. Aurinkokunta on suunniteltu siten, että gravitaatiovoimat houkuttelevat planeettoja aurinkoon, mutta ne eivät putoa auringon pinnalle käytettävissä olevan nopeuden seurauksena, joka pitää ne kiertoradallaan. Sama tapahtuu elektronien kanssa - Coulomb-voimat houkuttelevat elektroneja ytimeen, mutta pyörimisen vuoksi ne eivät putoa ytimen pinnalle.
Yksi Thomsonin oletuksista osoittautui ehdottomasti oikeeksi - elektronien kokonaisvaraus vastaa ytimen varausta. Vahvan vuorovaikutuksen seurauksena elektronit voidaan kuitenkin lyödä kiertoradaltaan, minkä seurauksena varaus ei kompensoidu ja atomi muuttuu positiivisesti varautuneeksi ioniksi.
Erittäin tärkeä tieto atomin rakenteesta on, että melkein koko atomin massa on keskittynyt ytimeen. Esimerkiksi vetyatomissa on vain yksi elektroni, jonka massa on yli puolitoista tuhatta kertaa pienempi kuin ytimen massa.
| | |
Ehdotettiin yhtä ensimmäisistä atomirakenteen malleista J. Thomson vuonna 1904 atomi esiteltiin "positiivisen sähkön mereksi", jossa elektronit värähtelivät siinä. Sähköisesti neutraalin atomin elektronien negatiivinen kokonaisvaraus rinnastettiin sen positiiviseen kokonaisvaraukseen.
Rutherfordin kokemus
Thomsonin hypoteesin testaamiseksi ja atomin rakenteen määrittämiseksi tarkemmin E. Rutherford järjesti sarjan sirontakokeita α -hiukkaset ohuilla metallilevyillä - folio. Vuonna 1910 Rutherfordin opiskelijat Hans Geiger ja Ernest Marsden suorittaa pommituskokeita α -hiukkaset ohuista metallilevyistä. He havaitsivat sen eniten α -hiukkaset kulkevat folion läpi muuttamatta niiden liikerataa. Ja tämä ei ollut yllättävää, jos hyväksymme Thomsonin atomimallin oikeellisuuden.
Lähde α - säteily sijoitettiin lyijykuutioon, johon oli porattu kanava, jotta vuon saaminen oli mahdollista α -hiukkaset lentävät tiettyyn suuntaan. Alfa-hiukkaset ovat kaksinkertaisesti ionisoituja heliumatomeja ( Ei 2+). Niiden positiivinen varaus on +2 ja massa lähes 7350 kertaa elektronin massa. Putoaminen sinkkisulfidipinnoitetulle seulalle α -hiukkaset saivat sen hehkumaan, ja suurennuslasissa oli mahdollista nähdä ja laskea yksittäiset salamat, jotka näkyvät näytöllä, kun kukin α -hiukkasia. Säteilylähteen ja seulan väliin laitettiin folio. Näytön välähdysten perusteella hajonta voidaan arvioida α -hiukkasia, ts. niiden poikkeamisesta alkuperäisestä suunnasta kulkiessaan metallikerroksen läpi.
Kävi ilmi, että suurin osa α -hiukkaset kulkevat kalvon läpi muuttamatta suuntaansa, vaikka kalvon paksuus vastasi satoja tuhansia atomihalkaisijoita. Mutta jotkut jakavat α -hiukkaset kuitenkin taipuivat pienissä kulmissa ja toisinaan α -hiukkaset muuttivat äkillisesti liikesuuntaan ja jopa (noin yksi 100 000: sta) heitettiin takaisin, ikään kuin törmäsivät massiiviseen esteeseen. Tällaisen jyrkän poikkeaman tapaukset α -hiukkasia voitiin havaita siirtämällä näyttöä suurennuslasilla kaaressa.
Tämän kokeen tulosten perusteella voitiin tehdä seuraavat johtopäätökset:
- Atomissa on tietty "este", jota kutsuttiin ytimeksi.
- Ytimellä on positiivinen varaus (muuten positiivisesti varattu α hiukkasia ei heijastuisi takaisin).
- Ydin on hyvin pieni verrattuna itse atomin mittoihin (vain pieni osa α -hiukkaset muuttivat liikkeen suuntaa).
- Ytimellä on suuri massa verrattuna massaan α -hiukkasia.
Rutherford selitti kokeen tulokset ehdottamalla "Planeetan" malli atomista, joka verrasi sitä aurinkokuntaan. Planeetamallin mukaan atomin keskellä on hyvin pieni ydin, noin 100 000 kertaa pienempi kuin itse atomi. Tämä ydin sisältää melkein koko atomin massan ja kantaa positiivisen varauksen. Elektronit liikkuvat ytimen ympäri, jonka määrän määrää ydinvaraus. Elektronien liikkeen ulkoreitti määrittää atomin ulkomitat. Atomin halkaisija on noin 10-8 cm ja ytimen halkaisija on noin 10-13 ÷ 10-12 cm.
Mitä suurempi on ytimen varaus, sitä voimakkaampi se hylkää sitä α -hiukkanen, sitä useammin esiintyy voimakkaita poikkeamia α -hiukkaset, jotka kulkevat metallikerroksen läpi alkuperäisestä liikesuunnasta. Siksi sirontakokeet α -hiukkaset mahdollistavat paitsi havaita atomiytimen olemassaolon myös määrittää sen varauksen. Jo Rutherfordin kokeista seurasi, että ydinvaraus (ilmaistuna elektronivarausyksiköinä) on numeerisesti yhtä suuri kuin jaksollisen järjestelmän alkion järjestysluku. Tämä on vahvistettu G. Moseley, joka perusti vuonna 1913 yksinkertaisen suhteen elementin röntgenspektrin tiettyjen viivojen aallonpituuksien ja sen sarjanumeron välillä, ja D. Chadwick, joka määritteli suurella tarkkuudella vuonna 1920 useiden alkuaineiden ytimien varaukset sirottamalla α -hiukkasia.
Jaksollisen järjestelmän elementin sarjanumeron fyysinen merkitys selvitettiin: sarjanumero osoittautui elementin tärkeimmäksi vakiona, joka ilmaisee atomin ytimen positiivisen varauksen. Atomin elektronineutraliteetista seuraa, että ytimen ympäri pyörivien elektronien määrä on yhtä suuri kuin alkion järjestysluku.
Tämä löytö antoi uuden perustelun jaksollisen järjestelmän elementtien järjestelylle. Samalla se eliminoi myös Mendelejev-järjestelmän ilmeisen ristiriidan - joidenkin suurempien atomimassojen elementtien sijainti pienempien atomipainojen (telluurin ja jodin, argonin ja kaliumin, koboltin ja nikkelin) edessä. Kävi ilmi, että tässä ei ole ristiriitaa, koska elementin paikka järjestelmässä määräytyy atomin ytimen varauksen perusteella. Kokeellisesti todettiin, että telluuriatomin ytimen varaus on 52 ja jodiatomin - 53; siksi telluurin on suuresta atomimassastaan \u200b\u200bhuolimatta seisottava jodin edessä. Samalla tavalla argonin ja kaliumin, nikkelin ja koboltin ytimien varaukset vastaavat täysin näiden elementtien järjestyksen järjestystä järjestelmässä.
Joten atomiytimen varaus on päämäärä, josta riippuvat elementin ominaisuudet ja sijainti jaksollisessa taulukossa. siksi määräajoin Mendelejevin laki voidaan nyt muotoilla seuraavasti:
Elementtien ominaisuudet ja niiden muodostamat yksinkertaiset ja monimutkaiset aineet ovat ajoittain riippuvaisia \u200b\u200balkuaineiden atomien ydinvarauksesta
Elementtien järjestyslukujen määrittäminen niiden atomien ytimien varauksilla antoi mahdollisuuden määrittää paikkojen kokonaismäärä jaksollisessa taulukossa vedyn, jolla on järjestysnumero 1, ja uraanin (järjestysnumero 92) välillä, jota pidettiin tuolloin alkuaineiden jaksollisen taulukon viimeisenä jäsenenä. Kun atomin rakenteen teoria luotiin, paikat 43, 61, 72, 75, 85 ja 87 jäivät käyttämättä, mikä osoitti mahdollisuuden vielä tuntemattomien elementtien olemassaolosta. Itse asiassa vuonna 1922 löydettiin alkuaine hafnium, joka tapahtui 72; sitten vuonna 1925 - renium, joka tapahtui 75. Elementit, joiden pitäisi viedä pöydän neljä muuta vapaata paikkaa, osoittautuivat radioaktiivisiksi eikä niitä löytynyt luonnosta, mutta ne saatiin keinotekoisesti. Uusille alkuaineille annettiin teknetium (sarjanumero 43), prometium (61), astatiini (85) ja frangiumi (87). Tällä hetkellä kaikki jakson taulukon solut vedyn ja uraanin välillä ovat täytettyjä. Itse jaksollinen järjestelmä ei kuitenkaan ole täydellinen.
Atomispektrit
Planeettamalli oli merkittävä askel atomirakenteen teoriassa. Joissakin suhteissa se oli kuitenkin vastoin vakiintuneita tosiasioita. Tarkastellaan kahta tällaista ristiriitaa.
Ensinnäkin Rutherfordin teoria ei pystynyt selittämään atomin vakautta. Positiivisesti varautuneen ytimen ympäri pyörivän elektronin tulisi, kuten värähtelevä sähkövaraus, lähettää sähkömagneettista energiaa valoaaltojen muodossa. Mutta säteilemällä elektroni menettää osan energiastaan, mikä johtaa epätasapainoon elektronin pyörimiseen liittyvän keskipakovoiman ja elektronin ytimeen kohdistuvan sähköstaattisen vetovoiman välillä. Tasapainon palauttamiseksi elektronin on siirryttävä lähemmäksi ydintä. Siten elektroni, joka jatkuvasti lähettää sähkömagneettista energiaa ja liikkuu spiraalissa, lähestyy ydintä. Kun kaikki energiansa on käytetty loppuun, sen täytyy "pudota" ytimeen, ja atomi lakkaa olemasta. Tämä johtopäätös on ristiriidassa atomien todellisten ominaisuuksien kanssa, jotka ovat vakaita muodostelmia ja voivat esiintyä romahtamatta erittäin pitkään.
Toiseksi Rutherfordin malli johti virheellisiin johtopäätöksiin atomispektrien luonteesta. Kun hehkuvan kiinteän aineen tai nesteen säteilevä valo siirretään lasi- tai kvartsiprisman kautta, prisman taakse sijoitetulta näytöltä havaitaan ns. Jatkuva spektri, jonka näkyvä osa on värillinen nauha, joka sisältää kaikki sateenkaaren värit. Tämä ilmiö selitetään sillä, että punaisen kuuman kiinteän tai nestemäisen kappaleen säteily koostuu kaikenlaisten taajuuksien sähkömagneettisista aalloista. Eri taajuuksien aallot taittuvat prismassa epätasa-arvoisesti ja osuvat ruudun eri paikkoihin. Aineen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn taajuusjoukkoa kutsutaan emissiospektriksi. Toisaalta aineet absorboivat tiettyjen taajuuksien säteilyä. Jälkimmäisen yhdistelmää kutsutaan aineen absorptiospektriksi.
Prisman sijasta voit käyttää diffraktioristikkoa spektrin saamiseksi. Jälkimmäinen on lasilevy, jonka pinnalle levitetään hyvin lähietäisyydellä toisistaan \u200b\u200bohuita yhdensuuntaisia \u200b\u200baivohalvauksia (enintään 1500 iskua / 1 mm). Tällaisen ritilän läpi kulkeva valo hajoaa ja muodostaa spektrin, joka on samanlainen kuin prisman avulla saatu. Diffraktio on luontaista kaikelle aaltoliikkeelle ja toimii yhtenä tärkeimmistä todisteista valon aaltoluonteesta.
Kuumennettaessa aine lähettää säteitä (säteilyä). Jos säteilyllä on yksi aallonpituus, sitä kutsutaan yksiväriseksi. Useimmissa tapauksissa säteilylle on ominaista useita aallonpituuksia. Kun säteily hajotetaan yksivärisiksi komponenteiksi, saadaan säteilyspektri, jossa sen yksittäiset komponentit ilmaistaan \u200b\u200bspektriviivoilla.
Spektrejä, jotka saadaan säteilemällä vapaista tai heikosti sitoutuneista atomista (esimerkiksi kaasuissa tai höyryissä), kutsutaan atomispektreiksi.
Kiinteiden tai nesteiden säteily antaa aina jatkuvan spektrin. Hehkuvien kaasujen ja höyryjen lähettämä säteily, toisin kuin kiinteiden ja nesteiden säteily, sisältää vain tietyt aallonpituudet. Siksi kiinteän nauhan sijasta näyttö tuottaa sarjan erillisiä värillisiä viivoja, jotka on erotettu pimeillä tiloilla. Näiden johtojen määrä ja sijainti riippuvat kuuman kaasun tai höyryn luonteesta. Joten kaliumhöyryt antavat - spektrin, joka koostuu kolmesta viivasta - kahdesta punaisesta ja yhdestä violetista; kalsiumhöyryn spektrissä on useita punaisia, keltaisia \u200b\u200bja vihreitä viivoja jne.
Kiinteiden tai nesteiden säteily antaa aina jatkuvan spektrin. Hehkuvien kaasujen ja höyryjen lähettämä säteily, toisin kuin kiinteiden ja nesteiden säteily, sisältää vain tietyt aallonpituudet. Siksi kiinteän nauhan sijasta näyttö tuottaa sarjan erillisiä värillisiä viivoja, jotka on erotettu pimeillä tiloilla. Näiden johtojen määrä ja sijainti riippuvat kuuman kaasun tai höyryn luonteesta. Joten, kaliumhöyry antaa spektrin, joka koostuu kolmesta viivasta - kahdesta punaisesta ja yhdestä violetista; kalsiumhöyryn spektrissä on useita punaisia, keltaisia \u200b\u200bja vihreitä viivoja jne.
Tällaisia \u200b\u200bspektrejä kutsutaan linjaspektreiksi. Havaittiin, että kaasuatomien lähettämällä valolla on linjaspektri, jossa spektriviivat voidaan yhdistää sarjaan.
Jokaisessa sarjassa viivojen järjestely vastaa tiettyä mallia. Yksittäisten linjojen taajuudet voidaan kuvata balmerin kaava:
Sitä, että kunkin elementin atomit antavat täysin määritellyn spektrin, joka on luontainen vain tälle elementille, ja vastaavien spektriviivojen voimakkuus on sitä korkeampi, mitä suurempi elementin sisältö näytteessä on, käytetään laajalti aineiden ja materiaalien laadullisen ja määrällisen koostumuksen määrittämiseen. Tätä tutkimusmenetelmää kutsutaan spektrianalyysi.
Planeettamalli atomin rakenteesta osoittautui kykenemättömäksi selittämään vetyatomien emissiolinjan spektrin ja vielä enemmän spektriviivojen yhdistelmän sarjassa. Elektronin, joka pyörii ytimen ympärillä, on lähestyttävä ydintä muuttaen jatkuvasti sen liikkumisnopeutta. Sen lähettämän valon taajuus määräytyy sen pyörimistaajuuden perusteella, ja sen on sen vuoksi muututtava jatkuvasti. Tämä tarkoittaa, että atomin säteilyspektrin on oltava jatkuva, jatkuva. Tämän mallin mukaan atomin säteilytaajuuden tulisi olla yhtä suuri kuin mekaaninen värähtelytaajuus tai sen moninkertainen, mikä ei ole samaa mieltä Balmerin kaavan kanssa. Siten Rutherfordin teoria ei kyennyt selittämään stabiilien atomien olemassaoloa eikä linjaspektrien läsnäoloa niissä.
Kvanttiteoria valosta
Vuonna 1900 M. Planck osoitti, että lämmitetyn ruumiin kykyä säteillä säteilyä voidaan kuvata oikein kvantitatiivisesti vain olettaen, että kehot lähettävät ja absorboivat säteilyenergiaa ei jatkuvasti, vaan huomaamattomasti, ts. erillisinä annoksina - kvantteja. Tässä tapauksessa energia E jokainen tällainen osa liitetään säteen taajuuteen nimen saaneen suhteen perusteella planckin yhtälöt:
Pitkän ajan Planck itse uskoi, että kvanttien emissio ja valon absorptio on säteilevien kappaleiden ominaisuus eikä itse säteily, jolla on energiaa ja joka voi siten absorboitua jatkuvasti. Kuitenkin vuonna 1905 Einsteinanalysoimalla valosähköisen ilmiön ilmiötä, päädyttiin siihen johtopäätökseen, että sähkömagneettista (säteily) energiaa esiintyy vain kvanttien muodossa ja että siksi säteily on jakamattomien materiaalien "hiukkasten" (fotonien) virta, jonka energia määritetään planckin yhtälö.
Valosähköinen ilmiö kutsutaan metallin elektronipäästöksi sille putoavan valon vaikutuksesta. Tätä ilmiötä tutkittiin yksityiskohtaisesti vuosina 1888-1890. A. G. Stoletov... Jos laitat asennuksen tyhjiöön ja levität sitä levylle M negatiivinen potentiaali, piirissä ei ole virtaa, koska levyn ja verkon välisessä tilassa ei ole varautuneita hiukkasia, jotka voivat kuljettaa sähkövirtaa. Mutta kun levyä valaisee valonlähde, galvanometri havaitsee virran (kutsutaan valovirraksi) ulkonäön, jonka kantajat ovat elektronin valon vetämiä metallista.
Kävi ilmi, että kun valaistuksen voimakkuus muuttuu, muuttuu vain metallin lähettämien elektronien määrä, ts. valovirran voimakkuus. Mutta jokaisen metallista lähtevän elektronin suurin kineettinen energia ei riipu valaistuksen voimakkuudesta, vaan muuttuu vain, kun metalliin tulevan valon taajuus muuttuu. Se aallonpituuden kasvaessa (ts. Taajuuden pienenemisen myötä) metallin lähettämien elektronien energia pienenee, ja sitten kullekin metallille ominaisella aallonpituudella fotoefekti katoaa eikä näy edes hyvin suurella valaistuksen voimakkuudella. Punainen tai oranssi valo valaistuna natriumilla ei siis ole valosähköistä vaikutusta ja se alkaa lähettää elektronia vain alle 590 nm: n aallonpituudella (keltainen valo); litiumissa fotoefekti havaitaan vielä lyhyemmillä aallonpituuksilla alkaen 516 nm: stä (vihreä valo); ja elektronien uuttamista platinasta näkyvän valon vaikutuksesta ei tapahdu lainkaan ja se alkaa vasta, kun platinaa säteilytetään ultraviolettisäteillä.
Nämä valosähköisen vaikutuksen ominaisuudet ovat täysin selittämättömiä klassisen valoaaltoteorian näkökulmasta, jonka mukaan vaikutus tulisi määrittää (tietylle metallille) vain metallin pinnan absorboimalla energiamäärällä aikayksikköä kohti, mutta niiden ei pitäisi riippua metalliin sattuvan säteilyn tyypistä. Nämä samat ominaisuudet saavat kuitenkin yksinkertaisen ja vakuuttavan selityksen, jos oletamme, että säteily koostuu erillisistä osista, fotoneista, joilla on hyvin määritelty energia.
Itse asiassa metallin elektroni on sitoutunut metallin atomeihin, joten sen vetämiseen tarvitaan tietty määrä energiaa. Jos fotonilla on tarvittava energiavaranto (ja fotonienergia määräytyy säteilytaajuuden mukaan), elektroni repeytyy ulos, fotoefekti havaitaan. Metallin vuorovaikutuksessa fotoni luovuttaa energiansa kokonaan elektronille, koska fotonia ei voida jakaa osiin. Fotonin energia käytetään osittain elektronin ja metallin välisen sidoksen katkaisemiseen, osittain liikeen kineettisen energian välittämiseen elektronille. Siksi metallista lyödyn elektronin suurin kineettinen energia ei voi olla suurempi kuin fotonienergian ja elektronin metalliatomien sitoutumisenergian välinen ero. Siksi metallin pinnalle sattuvien fotonien määrän lisääntyessä aikayksikköä kohden (ts. Valaistuksen voimakkuuden kasvaessa) vain metallista vedettyjen elektronien määrä kasvaa, mikä johtaa valovirran lisääntymiseen, mutta kunkin elektronin energia ei kasva. Jos fotonienergia on pienempi kuin vähimmäisenergia, joka vaaditaan elektronin poistamiseksi, valosähköistä vaikutusta ei havaita millään metallille sattuneella fotonien lukumäärällä, ts. millä tahansa valovoimalla.
Kvanttiteoria valostakehitetty Einstein, pystyi selittämään valosähköisen vaikutuksen ominaisuuksien lisäksi myös valon kemiallisen vaikutuksen säännönmukaisuudet, kiinteiden aineiden lämpökapasiteetin lämpötilariippuvuuden ja useita muita ilmiöitä. Se osoittautui erittäin hyödylliseksi kehitettäessä ideoita atomien ja molekyylien rakenteesta.
Valokvanttiteoriasta seuraa, että fotoni on kykenemätön hajoamaan: se on vuorovaikutuksessa kokonaisuutena metallin elektronin kanssa ja lyö sen pois levystä; kokonaisuutena se on myös vuorovaikutuksessa valokuvaelokuvan valoherkän aineen kanssa, aiheuttaen sen tummenemisen tietyssä kohdassa jne. Tässä mielessä fotoni käyttäytyy kuin hiukkanen, so. osoittaa runko-ominaisuuksia. Fotonilla on kuitenkin myös aalto-ominaisuuksia: tämä ilmenee valon etenemisen aaltomuodossa, fotonin kyvyssä häiritä ja diffraktiota. Foton eroaa hiukkasesta tämän termin klassisessa merkityksessä siinä, että sen tarkkaa sijaintia avaruudessa, kuten minkä tahansa aallon tarkkaa sijaintia, ei voida ilmoittaa. Mutta se eroaa myös "klassisesta" aallosta - kyvyttömyydestä jakaa osiin. Yhdistämällä korpuskulaariset ja aalto-ominaisuudet fotoni ei tarkkaan ottaen ole hiukkasia eikä aaltoja - sillä on aalto-hiukkasten kaksinaisuus.
Ensimmäiset tiedot kompleksista atomin rakenne saatiin tutkimalla nesteiden läpi kulkevan sähkövirran prosesseja. XIX vuosisadan kolmekymppisenä. erinomaisen fyysikon M. Faradayn kokeilut viittasivat ajatukseen, että sähkö on olemassa erillisten yksikkömaksujen muodossa.
Joidenkin alkuaineiden spontaanin hajoamisen löytämisestä, jota kutsutaan radioaktiivisuudeksi, tuli suora todiste atomin rakenteen monimutkaisuudesta. Vuonna 1902 englantilaiset tutkijat Ernest Rutherford ja Frederick Soddy todistivat, että radioaktiivinen hajoaminen muuttaa uraaniatomin kahdeksi atomiksi - toriumatomiksi ja heliumatomiksi. Tämä tarkoitti, että atomit eivät ole muuttumattomia, tuhoutumattomia hiukkasia.
Rutherfordin Atom-malli
Tutkimalla kapean alfa-hiukkassäteen kulkemista ohuiden ainekerrosten läpi Rutherford havaitsi, että useimmat alfa-hiukkaset kulkevat monien tuhansien atomikerrosten muodostavan metallikalvon läpi poikkeamatta alkuperäisestä suunnasta, kokematta sirontaa, ikään kuin ne eivät olisi heidän tiellään ei esteitä. Jotkut hiukkaset taipuivat kuitenkin suuriin kulmiin ja kokivat suurten voimien vaikutuksen.
Perustuu kokeiden tuloksiin alfa-hiukkasten sironnan havaitsemisesta aineessa Rutherford ehdotti planeettamallia atomin rakenteelle.Tämän mallin mukaan atomin rakenne on samanlainen kuin aurinkokunnan rakenne.Jokaisen atomin keskellä on positiivisesti varautunut ydinsäde ≈ 10-10 m kuten planeetat kääntyvät negatiivisesti varautuneet elektronit.Lähes kaikki massa on keskittynyt atomituumaan. Alfa-hiukkaset voivat kulkea tuhansien atomikerrosten läpi sirpaamatta, koska suurin osa atomien sisällä olevasta tilasta on tyhjä, ja törmäykset kevyiden elektronien kanssa eivät juurikaan vaikuta raskaan alfa-hiukkasen liikkumiseen. Alfa-hiukkasten sironta tapahtuu törmäyksissä atomiatumien kanssa.
Rutherfordin atomimalli ei kyennyt selittämään kaikkia atomien ominaisuuksia.
Klassisen fysiikan lakien mukaan positiivisesti varautuneen ytimen ja elektronien, pyöreillä kiertoradoilla pyörivien atomien, tulisi lähettää sähkömagneettisia aaltoja. Sähkömagneettisten aaltojen säteilyn tulisi johtaa potentiaalienergian määrän vähenemiseen ydin-elektronijärjestelmässä, elektronin kiertoradan säteen asteittaiseen vähenemiseen ja elektronin putoamiseen ytimeen. Atomit eivät kuitenkaan yleensä lähetä sähkömagneettisia aaltoja, elektronit eivät putoa atomiytimiin, toisin sanoen atomit ovat vakaita.
N. Bohrin kvantti postuloi
Selittää atomien vakautta Niels Bohr ehdotti luopumista tavallisista klassisista käsitteistä ja laeista selittäessään atomien ominaisuuksia.
Atomien perusominaisuudet saavat johdonmukaisen laadullisen selityksen adoptiosta n. Bohrin kvantti postuloi.
1. Elektroni pyörii ytimen ympäri vain tiukasti määritellyillä (paikallaan olevilla) pyöreillä kiertoradoilla.
2. Atomisysteemi voi olla vain tietyissä kiinteissä tai kvanttitiloissa, joista kukin vastaa tiettyä energiaa E. Atomi ei säteile energiaa kiinteissä tiloissa.
Atomin kiinteä tila vähimmäisenergian saannilla kutsutaan maa valtio, kaikkia muita valtioita kutsutaan innoissaan (kvantti) tilat.Atomi voi olla perustilassa äärettömän kauan, atomin elinaika viritetyssä tilassa kestää 10-9-10-7 sekuntia.
3. Säteily tai energian absorptio tapahtuu vain atomin siirtyessä kiinteästä tilasta toiseen. Sähkömagneettisen säteilyn kvantin energia siirtymisen aikana paikallaan olevasta tilasta energian kanssa E menergiatilaan E non yhtä suuri kuin atomienergioiden välinen ero kahdessa kvanttitilassa:
∆Е \u003d Е m - Е n \u003d hv,
missä v - säteilytaajuus h \u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10-34 Js.
Kvanttimalli atomin rakenteesta
Myöhemmin joitain N. Bohrin teorian säännöksiä täydennettiin ja muutettiin. Merkittävin muutos oli elektronipilven käsitteen käyttöönotto, joka muutti elektronin käsitettä vain hiukkasena. Myöhemmin Bohrin teoria korvattiin kvanttiteorialla, jossa otetaan huomioon elektronin ja muiden atomin muodostavien alkeishiukkasten aalto-ominaisuudet.
Perusta moderni teoria atomin rakenteestaon planeettamalli, jota on täydennetty ja parannettu. Tämän teorian mukaan atomin ydin koostuu protoneista (positiivisesti varautuneista hiukkasista) ja neuroneista (joissa ei ole hiukkasten varausta). Ja elektronit (negatiivisesti varatut hiukkaset) liikkuvat ytimen ympäri määrittelemättömiä polkuja pitkin.
Onko sinulla vielä kysyttävää? Haluatko tietää enemmän atomimalleista?
Saadaksesi apua ohjaajalta - rekisteröidy.
Ensimmäinen oppitunti on ilmainen!
sivuston kopioimalla materiaali kokonaan tai osittain, linkki lähteeseen vaaditaan.
E. Rutherford ehdotti atomin planeettamallia vuonna 1910. Ensimmäiset tutkimukset atomin rakenteesta teki hän alfa-hiukkasia käyttämällä. Niiden sironta-kokeissa saatujen tulosten perusteella Rutherford ehdotti, että kaikki atomin positiivinen varaus keskittyisi pieneen ytimeen sen keskellä. Toisaalta negatiivisesti varautuneet elektronit jakautuvat koko lopputilavuuteen.
Hieman taustaa
Ensimmäisen nerokkaan arvauksen atomien olemassaolosta teki antiikin Kreikan tiedemies Democritus. Siitä lähtien ajatus atomien olemassaolosta, joiden yhdistelmät antavat kaikki ympärillämme olevat aineet, ei jättänyt tiede-ihmisten mielikuvitusta. Toisinaan useat sen edustajat kääntyivät sen puoleen, mutta 1800-luvun alkuun saakka heidän rakenteensa olivat vain hypoteeseja, joita kokeelliset tiedot eivät tue.
Lopuksi, vuonna 1804, yli sata vuotta ennen atomin planeettamallin ilmestymistä, englantilainen tiedemies John Dalton esitteli todisteita sen olemassaolosta ja esitteli atomipainon käsitteen, joka oli sen ensimmäinen määrällinen ominaisuus. Edeltäjiensä tavoin hän kuvasi atomeja pieninä aineosina, kuten kovina palloina, joita ei voida hajottaa vielä pienempiin hiukkasiin.
Elektronin ja atomin ensimmäisen mallin löytäminen
Lähes vuosisata kului, kun lopulta 1800-luvun lopulla englantilainen J.J. Thomson löysi myös ensimmäisen subatomisen hiukkasen, negatiivisesti varautuneen elektronin. Koska atomit ovat sähköisesti neutraaleja, Thomsonin mielestä niiden tulisi koostua positiivisesti varautuneesta ytimestä, jonka elektronit ovat hajallaan koko tilavuudellaan. Useiden kokeellisesti saatujen tulosten perusteella hän ehdotti vuonna 1898 atomimalliaan, jota joskus kutsutaan "luumuiksi vanukkaaksi", koska siinä oleva atomi oli pallona, \u200b\u200bjoka oli täytetty positiivisesti varautuneella nesteellä, johon elektroneja vietiin "luumuina". vanukkaaksi. " Tällaisen pallomaisen mallin säde oli noin 10-8 cm, nesteen positiivinen kokonaisvaraus on symmetrisesti ja tasaisesti tasapainotettu elektronien negatiivisilla varauksilla, kuten alla olevassa kuvassa näkyy.
Tämä malli selitti tyydyttävästi tosiasian, että kun ainetta kuumennetaan, se alkaa lähettää valoa. Vaikka tämä oli ensimmäinen yritys ymmärtää mikä atomi on, se ei voinut tyydyttää myöhemmin Rutherfordin ja muiden suorittamien kokeiden tuloksia. Thomson vuonna 1911 oli sitä mieltä, että hänen mallinsa ei yksinkertaisesti pystynyt vastaamaan siihen, miten ja miksi havaittu a-säteiden sironta tapahtuu. Siksi se hylättiin, ja atomin täydellisempi planeettamalli tuli sen tilalle.
Kuinka atomi toimii?
Ernest Rutherford antoi selityksen radioaktiivisuuden ilmiölle, joka ansaitsi hänelle Nobel-palkinnon, mutta hänen merkittävin panos tieteeseen tuli myöhemmin, kun hän totesi, että atomi koostuu tiheästä ytimestä, jota ympäröivät elektroniradat, aivan kuten aurinkoa ympäröivät planeettojen kiertoradat.
Atomin planeettamallin mukaan suurin osa sen massasta on keskittynyt pieneen (koko atomin kokoon verrattuna) ytimeen. Elektronit liikkuvat ytimen ympäri ja kulkevat uskomattomalla nopeudella, mutta suurin osa atomien tilavuudesta on tyhjää tilaa.
Ytimen koko on niin pieni, että sen halkaisija on 100 000 kertaa pienempi kuin atomin. Rutherford arvioi ytimen halkaisijaksi 10-13 cm, toisin kuin atomin koko - 10-8 cm .Ytimen ulkopuolella elektronit pyörivät sen ympärillä suurilla nopeuksilla, mikä johtaa keskipakovoimiin, jotka tasapainottavat protonien ja elektronien välisiä vetovoiman voimia.
Rutherfordin kokeet
Atomin planeettamalli syntyi vuonna 1911 kuuluisan kultakalvokokeilun jälkeen, joka antoi perustietoa sen rakenteesta. Rutherfordin polku atomituuman löytämiseen on hyvä esimerkki luovuuden roolista tieteessä. Hänen etsintänsä alkoi vuonna 1899, jolloin hän huomasi, että tietyt elementit lähettävät positiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka voivat tunkeutua mihin tahansa. Hän kutsui näitä hiukkasia alfa (α) -hiukkasiksi (tiedämme nyt, että ne olivat heliumin ytimiä). Kuten kaikki hyvät tutkijat, Rutherford oli utelias. Hän pohti, voisiko alfahiukkasia käyttää atomin rakenteen selvittämiseen. Rutherford päätti kohdistaa alfa-hiukkassäteen erittäin ohuen kultakalvon arkille. Hän valitsi kultaa, koska se voi tuottaa vain 0,00004 cm paksuja arkkeja. Kultakalvolevyn taakse hän pani näytön, joka loisti, kun alfahiukkaset osuivat siihen. Sitä käytettiin alfa-hiukkasten havaitsemiseen niiden kulkiessa folion läpi. Pieni aukko näytöllä antoi alfa-hiukkassäteen päästä kalvoon lähdöstä poistuttuaan. Jotkut heistä kulkevat kalvon läpi ja jatkavat liikkumista samaan suuntaan, kun taas toiset pitäisi pomppia foliosta ja heijastua teräviin kulmiin. Voit nähdä kokeilun kaavion alla olevasta kuvasta.
Mitä tapahtui Rutherfordin kokemuksessa?
JJ Thomsonin atomimallin perusteella Rutherford oletti, että kiinteät positiivisen varauksen alueet, jotka täyttävät koko kullan atomien määrän, taipuisivat tai taivuttaisivat kaikkien alfahiukkasten polkuja kulkiessaan kalvon läpi.
Suurin osa alfahiukkasista meni kuitenkin suoraan kultafolion läpi ikään kuin sitä ei olisi. He näyttivät kulkevan tyhjää tilaa. Vain harvat heistä poikkeavat suoralta polulta, kuten alun perin ehdotettiin. Alla on käyrä vastaavassa suunnassa siroteltujen hiukkasten lukumäärästä sirontakulmaan nähden.
Yllättäen pieni prosenttiosuus hiukkasista palautui foliosta kuin koripallo takaisin takalaudalta. Rutherford tajusi, että nämä poikkeamat olivat seurausta alfahiukkasten ja atomin positiivisesti varautuneiden komponenttien suorasta törmäyksestä.
Ydin on keskipisteessä
Kalvosta heijastuneiden alfahiukkasten vähäisen prosenttiosuuden perusteella voimme päätellä, että kaikki positiivinen varaus ja melkein koko atomin massa ovat keskittyneet yhdelle pienelle alueelle, ja loput atomista on pääosin tyhjää tilaa. Rutherford kutsui keskitetyn positiivisen varauksen aluetta ydeksi. Hän ennusti ja huomasi pian, että se sisältää positiivisesti varautuneita hiukkasia, joita hän kutsui protoneiksi. Rutherford ennusti neutroneiksi kutsuttujen neutraalien atomihiukkasten olemassaolon, mutta hän ei pystynyt havaitsemaan niitä. Siitä huolimatta hänen oppilaansa James Chadwick löysi heidät muutama vuosi myöhemmin. Alla olevassa kuvassa esitetään uraaniatomin ytimen rakenne.
Atomit koostuvat positiivisesti varautuneista raskaista ytimistä, joita ympäröivät negatiivisesti varautuneet erittäin kevyet hiukkaset-elektronit, jotka pyörivät niiden ympärillä, ja sellaisilla nopeuksilla, että mekaaniset keskipakovoimat yksinkertaisesti tasapainottavat niiden sähköstaattisen vetovoiman ytimeen, ja tältä osin oletettavasti taataan atomin vakaus.
Tämän mallin haitat
Rutherfordin pääidea liittyi ajatukseen pienestä atomituumasta. Oletus elektronien kiertoradoista oli puhdas hypoteesi. Hän ei tiennyt tarkalleen missä ja miten elektronit pyörivät ytimen ympärillä. Siksi Rutherfordin planeettamalli ei selitä elektronien jakautumista kiertoradoilla.
Lisäksi Rutherfordin atomin vakaus oli mahdollista vain elektronien jatkuvalla liikkumisella kiertoradoilla ilman kineettisen energian menetystä. Mutta elektrodynaamiset laskelmat ovat osoittaneet, että elektronien liikkumiseen kaikilla kaarevilla reiteillä, joihin liittyy muutos nopeusvektorin suunnassa ja vastaavan kiihtyvyyden ilme, seuraa väistämättä sähkömagneettisen energian emissio. Tässä tapauksessa energiansäästölain mukaan elektronin kineettinen energia on käytettävä hyvin nopeasti säteilyyn ja sen on pudotettava ytimeen, kuten kaavamaisesti on esitetty alla olevassa kuvassa.
Mutta tätä ei tapahdu, koska atomit ovat vakaita muodostumia. Ilmiömallin ja kokeellisen datan välillä syntyi tyypillinen tieteellinen ristiriita.
Rutherfordista Niels Bohriin
Seuraava merkittävä askel eteenpäin atomihistoriassa tapahtui vuonna 1913, jolloin tanskalainen tiedemies Niels Bohr julkaisi kuvauksen yksityiskohtaisemmasta atomimallista. Hän määritteli selkeämmin paikat, joissa elektronit voivat olla. Vaikka myöhemmät tutkijat kehittäisivät kehittyneempiä atomisuunnitelmia, Bohrin planeettamalli atomista oli enimmäkseen oikea, ja suuri osa siitä hyväksytään vielä tänään. Sillä oli monia hyödyllisiä sovelluksia, esimerkiksi sitä käytetään selittämään eri kemiallisten alkuaineiden ominaisuuksia, niiden säteilyn spektrin luonnetta ja atomin rakennetta. Planeetan malli ja Bohrin malli olivat tärkeimmät virstanpylväät, jotka merkitsivät uuden fysiikan - mikromaailman fysiikan - syntymistä. Bohr sai vuoden 1922 fysiikan Nobel-palkinnon hänen panoksestaan \u200b\u200bymmärtämään atomin rakennetta.
Mitä Bohr toi uutta atomimalliin?
Nuorena miehenä Bohr työskenteli Rutherfordin laboratoriossa Englannissa. Koska elektronien käsite oli huonosti kehitetty Rutherfordin mallissa, Bohr keskittyi niihin. Tämän seurauksena atomin planeettamalli parani merkittävästi. Bohrin postulaatit, jotka hän muotoili vuonna 1913 julkaistussa artikkelissa "Atomien ja molekyylien rakenteesta", ovat seuraavat:
1. Elektronit voivat liikkua ytimen ympärillä vain kiinteillä etäisyyksillä siitä määritettynä niiden energiamäärällä. Hän kutsui näitä kiinteitä tasoja energiatasoksi tai elektronikuoreksi. Bohr edusti heitä samankeskisinä palloina, ytimen keskellä. Tässä tapauksessa elektronit, joilla on pienempi energia, löytyvät alemmilta tasoilta, lähempänä ydintä. Ne, joilla on enemmän energiaa, löytyvät ylemmiltä tasoilta, kauemmas ytimestä.
2. Jos elektroni absorboi tietyn (tietylle tasolle varsin selvän) energiamäärän, se hyppää seuraavalle, korkeammalle energiatasolle. Päinvastoin, jos hän menettää saman määrän energiaa, hän palaa takaisin alkuperäiselle tasolle. Elektronia ei kuitenkaan voi olla kahdella energiatasolla.
Tämä ajatus on esitetty kuvassa.
Elektronien energiaosuudet
Bohrin atomimalli on itse asiassa yhdistelmä kahta erilaista ideaa: Rutherfordin atomimalli elektronilla, joka kiertää ytimen (itse asiassa se on Bohr-Rutherford-atomin planeettamalli), ja saksalaisen tutkijan Max Planckin idea energian kvantisoinnista, julkaistu vuonna 1901. Kvantti (monikko - kvantti) on vähimmäismäärä energiaa, jonka aine voi absorboida tai säteillä. Se on eräänlainen näytteenottovaihe energiamäärälle.
Jos energiaa verrataan veteen ja haluat lisätä sen aineeseen lasin muodossa, et voi vain kaataa vettä jatkuvana virtana. Sen sijaan voit lisätä sen pieninä määrinä, kuten teelusikallinen kerrallaan. Bohr uskoi, että jos elektronit pystyvät absorboimaan tai menettämään vain kiinteät määrät energiaa, niiden tulisi muuttaa energiaa vain näillä kiinteillä määrillä. Siten he voivat käyttää vain kiinteitä energiatasoja ytimen ympärillä, jotka vastaavat niiden energian kvantitoituja lisäyksiä.
Joten Bohrin mallista kvanttinen lähestymistapa atomin rakenteen selittämiseen. Planeetan malli ja Bohrin malli olivat eräänlaisia \u200b\u200bvaiheita klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan, joka on tärkein instrumentti mikromaailman fysiikassa, mukaan lukien atomifysiikka.
