โครงสร้างอะตอมแบบใดที่มีอยู่ก่อนรัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองทางประวัติศาสตร์และสมัยใหม่บางอย่างของอะตอม

บรรยาย: แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์

โครงสร้างอะตอม

วิธีที่แม่นยำที่สุดในการระบุโครงสร้างของสารใด ๆ คือการวิเคราะห์สเปกตรัม การแผ่รังสีจากแต่ละอะตอมของธาตุเป็นของแต่ละบุคคลโดยเฉพาะ อย่างไรก็ตามก่อนที่เราจะเข้าใจว่าการวิเคราะห์สเปกตรัมเกิดขึ้นได้อย่างไรเรามาดูกันว่าอะตอมขององค์ประกอบใดมีโครงสร้างอย่างไร

สมมติฐานแรกเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมนำเสนอโดย J. นักวิทยาศาสตร์ผู้นี้ศึกษาเกี่ยวกับอะตอมมานานแล้ว ยิ่งไปกว่านั้นเขาคือผู้ที่เป็นเจ้าของการค้นพบอิเล็กตรอนซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบล แบบจำลองที่ทอมสันเสนอนั้นไม่เกี่ยวข้องกับความเป็นจริง แต่เป็นสิ่งกระตุ้นที่ค่อนข้างแข็งแกร่งในการศึกษาโครงสร้างของอะตอมโดยรัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองของทอมสันเรียกว่า "พุดดิ้งลูกเกด"

ทอมสันเชื่อว่าอะตอมเป็นลูกบอลทึบที่มีประจุไฟฟ้าลบ เพื่อชดเชยอิเล็กตรอนจะถูกสลับเข้าไปในลูกบอลเช่นเดียวกับลูกเกด โดยรวมแล้วประจุของอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นพร้อมกับประจุของนิวเคลียสทั้งหมดซึ่งทำให้อะตอมเป็นกลาง

ในระหว่างการศึกษาโครงสร้างของอะตอมพบว่าอะตอมทั้งหมดในของแข็งมีการเคลื่อนที่แบบสั่น และอย่างที่คุณทราบอนุภาคเคลื่อนที่ใด ๆ ก็ปล่อยคลื่นออกมา นี่คือสาเหตุที่แต่ละอะตอมมีสเปกตรัมของตัวเอง อย่างไรก็ตามข้อความเหล่านี้ไม่สอดคล้องกับแบบจำลองของทอมสัน

ประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ด

เพื่อยืนยันหรือหักล้างแบบจำลองของทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดเสนอการทดลองที่ส่งผลให้มีการทิ้งอะตอมของธาตุบางส่วนด้วยอนุภาคแอลฟา จากผลการทดลองนี้จึงต้องดูว่าอนุภาคจะมีพฤติกรรมอย่างไร

อนุภาคอัลฟ่าถูกค้นพบอันเป็นผลมาจากการสลายกัมมันตภาพรังสีของเรเดียม กระแสของพวกมันคือรังสีอัลฟาซึ่งแต่ละอนุภาคมีประจุบวก จากผลการศึกษาจำนวนมากพบว่าอนุภาคแอลฟาเปรียบเสมือนอะตอมของฮีเลียมซึ่งขาดอิเล็กตรอน จากความรู้ปัจจุบันเราทราบว่าอนุภาคแอลฟาเป็นนิวเคลียสของฮีเลียมในขณะนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดเชื่อว่าเป็นฮีเลียมไอออน

อนุภาคแอลฟาแต่ละอนุภาคมีพลังงานมหาศาลซึ่งเป็นผลมาจากการที่มันสามารถบินไปยังอะตอมที่เป็นปัญหาด้วยความเร็วสูง ดังนั้นผลลัพธ์หลักของการทดลองคือการกำหนดมุมของการโก่งตัวของอนุภาค

ในการดำเนินการทดลองรัทเทอร์ฟอร์ดใช้ฟอยล์สีทองบาง ๆ เขานำอนุภาคอัลฟาความเร็วสูงไปที่มัน เขาสันนิษฐานว่าจากการทดลองนี้อนุภาคทั้งหมดจะบินผ่านฟอยล์และมีการเบี่ยงเบนเล็กน้อย อย่างไรก็ตามเพื่อความแน่ใจเขาสั่งให้นักเรียนตรวจสอบการเบี่ยงเบนขนาดใหญ่ในอนุภาคเหล่านี้

ผลการทดลองสร้างความประหลาดใจให้กับทุกคนอย่างแน่นอนเพราะอนุภาคจำนวนมากไม่เพียง แต่เบี่ยงเบนไปในมุมที่ใหญ่พอเท่านั้นมุมของการโก่งบางส่วนถึงมากกว่า 90 องศา

ผลลัพธ์เหล่านี้สร้างความประหลาดใจให้กับทุกคนอย่างแน่นอนรัทเทอร์ฟอร์ดกล่าวว่ามันให้ความรู้สึกเหมือนกระดาษแผ่นหนึ่งถูกวางขวางเส้นทางของโพรเจกไทล์ซึ่งไม่อนุญาตให้อนุภาคอัลฟาทะลุเข้าไปข้างในอันเป็นผลมาจากการที่มันย้อน

ถ้าอะตอมเป็นของแข็งจริง ๆ ก็ต้องมีสนามไฟฟ้าที่ทำให้อนุภาคช้าลง อย่างไรก็ตามพลังของสนามไม่เพียงพอที่จะหยุดมันได้อย่างสมบูรณ์นับประสาอะไรกับการขว้างมันกลับไป นั่นหมายความว่าแบบจำลองของทอมสันได้รับการหักล้าง ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงเริ่มทำงานกับโมเดลใหม่

เพื่อให้ได้ผลการทดลองดังกล่าวจำเป็นต้องรวบรวมประจุบวกในขนาดที่เล็กลงส่งผลให้สนามไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้น เมื่อใช้สูตรสำหรับศักยภาพของสนามคุณสามารถกำหนดขนาดที่ต้องการของอนุภาคบวกที่สามารถขับไล่อนุภาคแอลฟาไปในทิศทางตรงกันข้ามได้ รัศมีควรอยู่ในลำดับสูงสุด 10-15 ม... นั่นคือเหตุผลที่รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์

รุ่นนี้ตั้งชื่อด้วยเหตุผล ความจริงก็คือภายในอะตอมมีแกนที่มีประจุบวกคล้ายกับดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะ อิเล็กตรอนหมุนรอบแกนกลางเช่นเดียวกับดาวเคราะห์ ระบบสุริยะได้รับการออกแบบในลักษณะที่ดาวเคราะห์ถูกดึงดูดเข้าหาดวงอาทิตย์ด้วยแรงโน้มถ่วงอย่างไรก็ตามพวกมันจะไม่ตกลงสู่พื้นผิวของดวงอาทิตย์อันเป็นผลมาจากความเร็วที่มีอยู่ซึ่งทำให้พวกมันอยู่ในวงโคจร สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอน - กองกำลังคูลอมบ์ดึงดูดอิเล็กตรอนไปที่นิวเคลียส แต่เนื่องจากการหมุนทำให้พวกมันไม่ตกลงบนพื้นผิวของนิวเคลียส

หนึ่งในสมมติฐานของทอมสันนั้นถูกต้องอย่างยิ่ง - ประจุทั้งหมดของอิเล็กตรอนสอดคล้องกับประจุของนิวเคลียส อย่างไรก็ตามอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงทำให้อิเล็กตรอนสามารถหลุดออกจากวงโคจรของมันได้ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ประจุไม่ได้รับการชดเชยและอะตอมจะเปลี่ยนเป็นไอออนที่มีประจุบวก

ข้อมูลที่สำคัญมากเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมคือมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ตัวอย่างเช่นอะตอมของไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวซึ่งมีมวลน้อยกว่ามวลของนิวเคลียสมากกว่าหนึ่งพันครึ่งพันเท่า

หนึ่งในแบบจำลองแรกของโครงสร้างของอะตอมถูกเสนอ เจทอมสัน ในปี 1904 อะตอมถูกนำเสนอเป็น "ทะเลไฟฟ้าบวก" ที่มีอิเล็กตรอนสั่นอยู่ ประจุลบทั้งหมดของอิเล็กตรอนของอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเท่ากับประจุบวกทั้งหมด

ประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ด

เพื่อทดสอบสมมติฐานของทอมสันและกำหนดโครงสร้างของอะตอมได้แม่นยำยิ่งขึ้น E. รัทเทอร์ฟอร์ด จัดชุดการทดลองแบบกระจาย α - อนุภาคที่มีแผ่นโลหะบาง ๆ - ฟอยล์ ในปีพ. ศ. 2453 นักเรียนของรัทเทอร์ฟอร์ด ฮันส์ไกเกอร์ และ เออร์เนสต์มาร์สเดน ทำการทดลองระเบิด α - อนุภาคของแผ่นโลหะบาง ๆ พวกเขาพบว่าส่วนใหญ่ α - อนุภาคผ่านฟอยล์โดยไม่เปลี่ยนวิถี และนี่ก็ไม่น่าแปลกใจถ้าเรายอมรับความถูกต้องของแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

ที่มา α - รังสีถูกวางไว้ในลูกบาศก์ตะกั่วโดยมีช่องเจาะอยู่เพื่อให้สามารถรับฟลักซ์ได้ α - อนุภาคที่บินไปในทิศทางที่แน่นอน อนุภาคอัลฟ่าเป็นอะตอมของฮีเลียมที่แตกตัวเป็นไอออนสองเท่า ( ไม่ใช่ 2+). พวกมันมีประจุบวก +2 และมีมวลเกือบ 7350 เท่าของมวลอิเล็กตรอน ตกลงบนหน้าจอเคลือบสังกะสีซัลไฟด์ α - อนุภาคทำให้เกิดการเรืองแสงและในแว่นขยายสามารถมองเห็นและนับการกะพริบแต่ละครั้งที่ปรากฏบนหน้าจอเมื่อแต่ละ α - อนุภาค วางฟอยล์ไว้ระหว่างแหล่งกำเนิดรังสีและหน้าจอ โดยการกะพริบบนหน้าจอเราสามารถตัดสินการกระจายได้ α - อนุภาคเช่น เกี่ยวกับการเบี่ยงเบนจากทิศทางเดิมเมื่อผ่านชั้นโลหะ

ปรากฎว่าส่วนใหญ่ α - อนุภาคผ่านฟอยล์โดยไม่เปลี่ยนทิศทางแม้ว่าความหนาของฟอยล์จะสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางอะตอมนับแสน แต่บางส่วนแบ่งปัน α - อนุภาคยังคงเบี่ยงเบนไปที่มุมเล็ก ๆ และบางครั้ง α - อนุภาคเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่อย่างกะทันหันและแม้กระทั่ง (ประมาณ 1 ใน 100,000) ก็ถูกโยนกลับราวกับว่าชนสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ กรณีของการเบี่ยงเบนที่รุนแรงเช่นนี้ α - สามารถสังเกตเห็นอนุภาคได้โดยการเลื่อนหน้าจอด้วยแว่นขยายในส่วนโค้ง

จากผลการทดลองนี้สามารถสรุปได้ดังนี้:

1. มี "อุปสรรค" บางอย่างในอะตอมซึ่งเรียกว่านิวเคลียส
2. นิวเคลียสมีประจุบวก (มิฉะนั้นก็มีประจุบวก α อนุภาคจะไม่สะท้อนกลับ)
3. นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของอะตอมเอง (มีเพียงส่วนเล็ก ๆ α - อนุภาคเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่)
4. แกนกลางมีมวลมากเมื่อเทียบกับมวล α - อนุภาค

รัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายผลการทดลองโดยเสนอ แบบจำลองอะตอมของ "ดาวเคราะห์"ซึ่งเปรียบได้กับระบบสุริยะ ตามแบบจำลองดาวเคราะห์มีนิวเคลียสขนาดเล็กมากที่ใจกลางอะตอมซึ่งมีขนาดเล็กกว่าอะตอมประมาณ 100,000 เท่า นิวเคลียสนี้ประกอบด้วยมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมและมีประจุบวก อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสจำนวนซึ่งกำหนดโดยประจุนิวเคลียร์ วิถีภายนอกของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนกำหนดขนาดภายนอกของอะตอม เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมประมาณ 10 -8 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสประมาณ 10 -13 ÷ 10 -12 ซม.

ยิ่งมีประจุของนิวเคลียสมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งถูกขับไล่จากมัน α - อนุภาคยิ่งมักจะมีการเบี่ยงเบนที่รุนแรงมากขึ้น α - อนุภาคที่ผ่านชั้นโลหะจากทิศทางการเคลื่อนที่เดิม ดังนั้นการทดลองแบบกระจาย α - อนุภาคทำให้ไม่เพียง แต่ตรวจจับการมีอยู่ของนิวเคลียสอะตอมเท่านั้น แต่ยังตรวจสอบประจุของมันได้ด้วย จากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดตามมาว่าประจุนิวเคลียร์ (แสดงในหน่วยของประจุอิเล็กตรอน) มีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับเลขลำดับของธาตุในระบบธาตุ สิ่งนี้ได้รับการยืนยันแล้ว G. Moseleyซึ่งก่อตั้งขึ้นในปี 1913 ความสัมพันธ์อย่างง่ายระหว่างความยาวคลื่นของเส้นบางเส้นของสเปกตรัมรังสีเอกซ์ขององค์ประกอบกับหมายเลขซีเรียล D. Chadwickซึ่งกำหนดด้วยความแม่นยำอย่างยิ่งในปี 1920 ประจุของนิวเคลียสของธาตุจำนวนหนึ่งโดยการกระจัดกระจาย α - อนุภาค

ความหมายทางกายภาพของหมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบในระบบธาตุถูกกำหนดขึ้น: หมายเลขซีเรียลกลายเป็นค่าคงที่ที่สำคัญที่สุดขององค์ประกอบซึ่งแสดงถึงประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอม จากความเป็นกลางของอิเล็กโทรเนลของอะตอมเป็นไปตามจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสเท่ากับจำนวนลำดับของธาตุ

การค้นพบนี้ให้เหตุผลใหม่สำหรับการจัดเรียงองค์ประกอบในตารางธาตุ ในเวลาเดียวกันมันยังกำจัดความขัดแย้งที่เห็นได้ชัดในระบบ Mendeleev ซึ่งเป็นตำแหน่งขององค์ประกอบบางอย่างที่มีมวลอะตอมสูงกว่าหน้าธาตุที่มีมวลอะตอมต่ำกว่า (เทลลูเรียมและไอโอดีนอาร์กอนและโพแทสเซียมโคบอลต์และนิกเกิล) ปรากฎว่าไม่มีความขัดแย้งที่นี่เนื่องจากตำแหน่งขององค์ประกอบในระบบถูกกำหนดโดยประจุของนิวเคลียสของอะตอม ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าประจุของนิวเคลียสของอะตอมเทลลูเรียมเท่ากับ 52 และอะตอมของไอโอดีน - 53 ดังนั้นเทลลูเรียมแม้จะมีมวลอะตอมมาก แต่ก็ต้องอยู่ก่อนไอโอดีน ในทำนองเดียวกันประจุของนิวเคลียสของอาร์กอนและโพแทสเซียมนิกเกิลและโคบอลต์สอดคล้องกับลำดับของการจัดเรียงองค์ประกอบเหล่านี้ในระบบ

ดังนั้นประจุของนิวเคลียสของอะตอมจึงเป็นปริมาณพื้นฐานที่คุณสมบัติของธาตุและตำแหน่งในตารางธาตุขึ้นอยู่ ดังนั้น กฎของเมนเดเลเยฟเป็นระยะ ในปัจจุบันสามารถกำหนดได้ดังนี้:

คุณสมบัติของธาตุและสารที่เรียบง่ายและซับซ้อนที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับประจุนิวเคลียร์ของอะตอมของธาตุเป็นระยะ ๆ

การกำหนดจำนวนลำดับของธาตุโดยประจุของนิวเคลียสของอะตอมทำให้สามารถกำหนดจำนวนตำแหน่งทั้งหมดในระบบธาตุระหว่างไฮโดรเจนซึ่งมีลำดับเลข 1 และยูเรเนียม (ลำดับ 92) ซึ่งในเวลานั้นถือเป็นสมาชิกตัวสุดท้ายของตารางธาตุ เมื่อทฤษฎีโครงสร้างของอะตอมถูกสร้างขึ้นสถานที่ 43, 61, 72, 75, 85 และ 87 ยังคงว่างเปล่าซึ่งบ่งบอกถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่ขององค์ประกอบที่ยังไม่ถูกค้นพบ แท้จริงแล้วในปี 1922 ได้มีการค้นพบแฮฟเนียมของธาตุซึ่งเกิดขึ้น 72; จากนั้นในปีพ. ศ. 2468 - รีเนียมซึ่งเกิดขึ้น 75 แห่งองค์ประกอบที่ควรครอบครองสี่ที่ว่างที่เหลือของโต๊ะกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีและไม่พบในธรรมชาติ แต่ได้รับเทียม ธาตุใหม่นี้มีชื่อว่าเทคนีเทียม (หมายเลขซีเรียล 43), โพรมีเธียม (61), แอสทาทีน (85) และแฟรนเซียม (87) ปัจจุบันเซลล์ทั้งหมดในตารางธาตุระหว่างไฮโดรเจนและยูเรเนียมเต็มไปหมด อย่างไรก็ตามระบบธาตุเองยังไม่สมบูรณ์

สเปกตรัมของอะตอม

แบบจำลองดาวเคราะห์เป็นขั้นตอนสำคัญในทฤษฎีโครงสร้างอะตอม อย่างไรก็ตามในบางประเด็นก็สวนทางกับข้อเท็จจริงที่เป็นที่ยอมรับ พิจารณาสองความขัดแย้งดังกล่าว

ประการแรกทฤษฎีของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายความเสถียรของอะตอมได้ อิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกควรจะปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในรูปของคลื่นแสงเช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าที่กำลังสั่น แต่โดยการเปล่งแสงอิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานส่วนหนึ่งไปซึ่งนำไปสู่ความไม่สมดุลระหว่างแรงเหวี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของอิเล็กตรอนและแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตของอิเล็กตรอนไปยังนิวเคลียส ในการคืนสภาพสมดุลอิเล็กตรอนจะต้องเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสมากขึ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนซึ่งเปล่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องและเคลื่อนที่เป็นเกลียวจะเข้าใกล้นิวเคลียส หลังจากใช้พลังงานจนหมดแล้วมันจะต้อง "ตกลง" ไปที่นิวเคลียสและอะตอมจะหยุดอยู่ ข้อสรุปนี้ขัดแย้งกับคุณสมบัติที่แท้จริงของอะตอมซึ่งเป็นการก่อตัวที่เสถียรและสามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่ยุบตัวเป็นเวลานานมาก

ประการที่สองแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดนำไปสู่ข้อสรุปที่ไม่ถูกต้องเกี่ยวกับธรรมชาติของสเปกตรัมอะตอม เมื่อแสงที่ปล่อยออกมาจากของแข็งหรือของเหลวจากหลอดไส้ถูกส่งผ่านแก้วหรือปริซึมควอตซ์จะสังเกตเห็นสเปกตรัมต่อเนื่องที่เรียกว่าบนหน้าจอที่วางอยู่ด้านหลังปริซึมส่วนที่มองเห็นได้ซึ่งเป็นแถบสีที่มีสีทั้งหมดของรุ้ง ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการแผ่รังสีของของแข็งสีแดงร้อนหรือของเหลวประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกความถี่ คลื่นที่มีความถี่ต่างกันจะหักเหโดยปริซึมไม่เท่ากันและไปกระทบที่ต่างๆบนหน้าจอ ชุดความถี่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากสารเรียกว่าสเปกตรัมการแผ่รังสี ในทางกลับกันสารจะดูดซับรังสีบางความถี่ การรวมกันของหลังเรียกว่าสเปกตรัมการดูดซึมของสาร

แทนที่จะเป็นปริซึมคุณสามารถใช้ตะแกรงการเลี้ยวเบนเพื่อให้ได้สเปกตรัม แผ่นหลังเป็นแผ่นกระจกบนพื้นผิวซึ่งในระยะใกล้กันมากจะมีการใช้จังหวะขนานบาง ๆ (สูงถึง 1500 จังหวะต่อ 1 มม.) ผ่านตะแกรงดังกล่าวแสงจะสลายตัวและสร้างสเปกตรัมคล้ายกับที่ได้จากปริซึม การเลี้ยวเบนมีอยู่โดยธรรมชาติในการเคลื่อนที่ของคลื่นทั้งหมดและทำหน้าที่เป็นหนึ่งในข้อพิสูจน์หลักของธรรมชาติของคลื่นของแสง

เมื่อได้รับความร้อนสารจะเปล่งรังสี (รังสี) ถ้ารังสีมีความยาวคลื่นเดียวจะเรียกว่า monochromatic ในกรณีส่วนใหญ่รังสีจะมีลักษณะหลายความยาวคลื่น เมื่อรังสีถูกย่อยสลายเป็นส่วนประกอบแบบโมโนโครมจะได้สเปกตรัมของรังสีซึ่งส่วนประกอบแต่ละส่วนจะแสดงด้วยเส้นสเปกตรัม

สเปกตรัมที่ได้จากการแผ่รังสีจากอะตอมอิสระหรือที่มีพันธะอ่อนแอ (ตัวอย่างเช่นในก๊าซหรือไอระเหย) เรียกว่าสเปกตรัมอะตอม

การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากของแข็งหรือของเหลวจะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเสมอ การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากก๊าซและไอระเหยจากหลอดไส้ในทางตรงกันข้ามกับการแผ่รังสีของของแข็งและของเหลวมีความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น ดังนั้นแทนที่จะเป็นแถบทึบหน้าจอจะสร้างเส้นสีที่แยกจากกันโดยคั่นด้วยช่องว่างที่มืด จำนวนและตำแหน่งของเส้นเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของก๊าซร้อนหรือไอน้ำ ดังนั้นไอระเหยของโพแทสเซียมจึงให้ - สเปกตรัมที่ประกอบด้วยสามเส้น - สองสีแดงและหนึ่งสีม่วง ในสเปกตรัมของไอแคลเซียมมีเส้นสีแดงสีเหลืองและสีเขียวหลายเส้นเป็นต้น

การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากของแข็งหรือของเหลวจะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเสมอ การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากก๊าซและไอระเหยจากหลอดไส้ในทางตรงกันข้ามกับการแผ่รังสีของของแข็งและของเหลวมีความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น ดังนั้นแทนที่จะเป็นแถบทึบหน้าจอจะสร้างเส้นสีที่แยกจากกันโดยคั่นด้วยช่องว่างที่มืด จำนวนและตำแหน่งของเส้นเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของก๊าซร้อนหรือไอน้ำ ดังนั้นไอโพแทสเซียมจึงให้สเปกตรัมที่ประกอบด้วยเส้นสามเส้น - สีแดงสองเส้นและสีม่วงหนึ่งเส้น ในสเปกตรัมของไอแคลเซียมมีเส้นสีแดงสีเหลืองและสีเขียวหลายเส้นเป็นต้น

สเปกตรัมดังกล่าวเรียกว่าสเปกตรัมเส้น พบว่าแสงที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของแก๊สมีสเปกตรัมแบบเส้นที่สามารถรวมเส้นสเปกตรัมเป็นอนุกรมได้

ในแต่ละชุดการจัดเรียงเส้นจะสอดคล้องกับรูปแบบที่แน่นอน สามารถอธิบายความถี่ของแต่ละบรรทัดได้ สูตรของ Balmer:

ความจริงที่ว่าอะตอมของแต่ละองค์ประกอบให้สเปกตรัมที่แน่นอนอย่างสมบูรณ์ซึ่งมีอยู่ในองค์ประกอบนี้เท่านั้นและความเข้มของเส้นสเปกตรัมที่สอดคล้องกันก็ยิ่งสูงขึ้นเนื้อหาขององค์ประกอบในตัวอย่างที่นำมาก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้นจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อกำหนดองค์ประกอบเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณของสารและวัสดุ วิธีการวิจัยนี้เรียกว่า การวิเคราะห์สเปกตรัม.

แบบจำลองดาวเคราะห์ของโครงสร้างอะตอมนั้นไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของเส้นของการปล่อยอะตอมของไฮโดรเจนได้และยิ่งไปกว่านั้นการรวมกันของเส้นสเปกตรัมในอนุกรม อิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสต้องเข้าใกล้นิวเคลียสทำให้ความเร็วในการเคลื่อนที่เปลี่ยนไปอย่างต่อเนื่อง ความถี่ของแสงที่ปล่อยออกมาจะถูกกำหนดโดยความถี่ของการหมุนดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ นั่นหมายความว่าสเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอมต้องต่อเนื่องต่อเนื่องกัน ตามแบบจำลองนี้ความถี่การแผ่รังสีของอะตอมต้องเท่ากับความถี่การสั่นสะเทือนเชิงกลหรือเป็นจำนวนทวีคูณซึ่งไม่สอดคล้องกับสูตรของ Balmer ดังนั้นทฤษฎีของรัทเทอร์ฟอร์ดจึงไม่สามารถอธิบายการมีอยู่ของอะตอมที่เสถียรหรือการปรากฏตัวของเส้นสเปกตรัม

ทฤษฎีควอนตัมของแสง

ในปี 1900 M. พลังค์ แสดงให้เห็นว่าความสามารถของร่างกายที่ร้อนในการปล่อยรังสีสามารถอธิบายได้อย่างถูกต้องในเชิงปริมาณโดยการสันนิษฐานว่าพลังงานที่เปล่งออกมาจะถูกปล่อยออกมาและดูดซึมโดยร่างกายไม่ได้อย่างต่อเนื่อง แต่ไม่น่าเชื่อเช่น ในส่วนที่แยกจากกัน - quanta ในกรณีนี้พลังงาน จ แต่ละส่วนดังกล่าวเกี่ยวข้องกับความถี่ของการแผ่รังสีตามความสัมพันธ์ซึ่งได้รับชื่อ สมการของพลังค์:

พลังค์เองเชื่อมานานแล้วว่าการแผ่รังสีและการดูดซับแสงโดยควอนต้าเป็นสมบัติของการเปล่งแสงไม่ใช่ของรังสีซึ่งสามารถมีพลังงานใด ๆ และสามารถดูดซึมได้อย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตามในปี 1905 ไอน์สไตน์การวิเคราะห์ปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกสรุปได้ว่าพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสี) มีอยู่ในรูปของควอนต้าเท่านั้นดังนั้นการแผ่รังสีจึงเป็นกระแสของ "อนุภาค" (โฟตอน) ที่แยกไม่ออกซึ่งเป็นพลังงานที่กำหนด สมการของพลังค์.

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค เรียกว่าการปล่อยอิเล็กตรอนโดยโลหะภายใต้อิทธิพลของแสงที่ตกกระทบกับมัน ปรากฏการณ์นี้ได้รับการศึกษาโดยละเอียดในปี พ.ศ. 2431-2433 A. G. Stoletov... หากคุณใส่การติดตั้งในสูญญากาศและนำไปใช้กับแผ่น ม ศักย์ลบจากนั้นจะไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจรเนื่องจากไม่มีอนุภาคที่มีประจุอยู่ในช่องว่างระหว่างจานและกริดที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ แต่เมื่อแผ่นส่องสว่างด้วยแหล่งกำเนิดแสงกัลวาโนมิเตอร์จะตรวจจับลักษณะของกระแสไฟฟ้า (เรียกว่าโฟโตเคอร์เรนต์) ซึ่งเป็นพาหะซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากโลหะด้วยแสง

ปรากฎว่าเมื่อความเข้มของการส่องสว่างเปลี่ยนไปจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงไปเช่น ความแรงของกระแสไฟ แต่พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ปล่อยออกมาจากโลหะนั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของการส่องสว่าง แต่จะเปลี่ยนแปลงก็ต่อเมื่อความถี่ของการตกกระทบของแสงบนโลหะเปลี่ยนแปลงไป ด้วยการเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่น (เช่นด้วยความถี่ที่ลดลง) พลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะจะลดลงจากนั้นที่ความยาวคลื่นเฉพาะสำหรับโลหะแต่ละชนิดเอฟเฟกต์แสงจะหายไปและไม่ปรากฏแม้ที่ความเข้มของการส่องสว่างสูงมาก ดังนั้นเมื่อส่องสว่างด้วยแสงสีแดงหรือสีส้มโซเดียมจะไม่แสดงผลโฟโตอิเล็กทริกและเริ่มปล่อยอิเล็กตรอนที่ความยาวคลื่นน้อยกว่า 590 นาโนเมตรเท่านั้น (แสงสีเหลือง) ในลิเธียมจะพบเอฟเฟกต์โฟโตที่ความยาวคลื่นสั้นลงโดยเริ่มต้นที่ 516 นาโนเมตร (แสงสีเขียว) และการสกัดอิเล็กตรอนจากแพลตตินัมภายใต้อิทธิพลของแสงที่มองเห็นจะไม่เกิดขึ้นเลยและจะเริ่มต้นก็ต่อเมื่อแพลทินัมถูกฉายรังสีด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต

คุณสมบัติเหล่านี้ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกนั้นอธิบายไม่ได้อย่างสมบูรณ์จากมุมมองของทฤษฎีคลื่นคลาสสิกของแสงตามที่ควรกำหนดเอฟเฟกต์ (สำหรับโลหะที่กำหนด) โดยปริมาณพลังงานที่ดูดซึมโดยพื้นผิวโลหะต่อหน่วยเวลาเท่านั้น แต่ไม่ควรขึ้นอยู่กับชนิดของการแผ่รังสีบนโลหะ อย่างไรก็ตามคุณสมบัติเดียวกันนี้ได้รับคำอธิบายที่ง่ายและน่าเชื่อหากเราสมมติว่ารังสีประกอบด้วยส่วนที่แยกจากกันโฟตอนด้วยพลังงานที่กำหนดไว้อย่างดี

ในความเป็นจริงอิเล็กตรอนในโลหะถูกผูกไว้กับอะตอมของโลหะดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งเพื่อดึงมันออกมา ถ้าโฟตอนมีแหล่งจ่ายพลังงานที่ต้องการ (และพลังงานโฟตอนถูกกำหนดโดยความถี่ของการแผ่รังสี) อิเล็กตรอนจะถูกฉีกออกจะสังเกตเห็นผลกระทบจากแสง ในกระบวนการโต้ตอบกับโลหะโฟตอนจะให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนอย่างสมบูรณ์เนื่องจากโฟตอนไม่สามารถแยกออกเป็นส่วน ๆ ได้ พลังงานของโฟตอนจะถูกใช้ไปบางส่วนในการทำลายพันธะระหว่างอิเล็กตรอนและโลหะส่วนหนึ่งในการสื่อสารพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ไปยังอิเล็กตรอน ดังนั้นพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากโลหะจะต้องไม่มากกว่าความแตกต่างระหว่างพลังงานโฟตอนและพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนกับอะตอมของโลหะ ดังนั้นเมื่อจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบบนพื้นผิวโลหะเพิ่มขึ้นต่อหนึ่งหน่วยเวลา (เช่นเมื่อความเข้มของการส่องสว่างเพิ่มขึ้น) จำนวนอิเล็กตรอนที่ดึงออกจากโลหะจะเพิ่มขึ้นเท่านั้นซึ่งจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้า แต่พลังงานของอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะไม่เพิ่มขึ้น หากพลังงานโฟตอนน้อยกว่าพลังงานขั้นต่ำที่ต้องใช้ในการดึงอิเล็กตรอนออกมาจะไม่พบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกสำหรับจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบกับโลหะนั่นคือ ที่ความเข้มแสงใด ๆ

ทฤษฎีควอนตัมของแสงพัฒนาแล้ว ไอน์สไตน์สามารถอธิบายได้ไม่เพียง แต่คุณสมบัติของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความสม่ำเสมอของการกระทำทางเคมีของแสงการพึ่งพาอุณหภูมิของความจุความร้อนของของแข็งและปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมาย มันกลายเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล

จากทฤษฎีควอนตัมของแสงเป็นไปตามที่โฟตอนไม่สามารถแยกออกได้: มันมีปฏิสัมพันธ์โดยรวมกับอิเล็กตรอนของโลหะทำให้มันหลุดออกจากจาน โดยรวมแล้วมันยังทำปฏิกิริยากับสารไวแสงของฟิล์มถ่ายภาพทำให้มืดลงในบางจุดเป็นต้นในแง่นี้โฟตอนจะทำงานเหมือนอนุภาคเช่น แสดงคุณสมบัติของร่างกาย อย่างไรก็ตามโฟตอนยังมีคุณสมบัติของคลื่นด้วยเช่นกันสิ่งนี้ปรากฏให้เห็นในลักษณะของคลื่นของการแพร่กระจายของแสงในความสามารถของโฟตอนในการรบกวนและการเลี้ยวเบน โฟตอนแตกต่างจากอนุภาคในความหมายดั้งเดิมของคำนี้ตรงที่ไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนในอวกาศได้เช่นเดียวกับตำแหน่งที่แน่นอนของคลื่นใด ๆ แต่ก็แตกต่างจากคลื่น "คลาสสิก" เช่นกัน - ไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ได้ การรวมคุณสมบัติของร่างกายและคลื่นโฟตอนคือการพูดอย่างเคร่งครัดทั้งอนุภาคหรือคลื่น - มันมีความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น

ข้อมูลแรกเกี่ยวกับคอมเพล็กซ์ โครงสร้างของอะตอม ได้รับในการศึกษากระบวนการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านของเหลว ในช่วงทศวรรษที่สามสิบของศตวรรษที่ XIX การทดลองของนักฟิสิกส์ที่โดดเด่น M. Faraday เสนอแนวคิดที่ว่ากระแสไฟฟ้ามีอยู่ในรูปของประจุไฟฟ้าแยกต่างหาก

การค้นพบการสลายตัวตามธรรมชาติของอะตอมขององค์ประกอบบางอย่างที่เรียกว่ากัมมันตภาพรังสีกลายเป็นหลักฐานโดยตรงถึงความซับซ้อนของโครงสร้างของอะตอม ในปีพ. ศ. 2445 เออร์เนสต์รัทเทอร์ฟอร์ดและเฟรดเดอริคซ็อดดี้นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้พิสูจน์ว่าการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีแปลงอะตอมของยูเรเนียมให้เป็นอะตอมสองอะตอมคืออะตอมทอเรียมและอะตอมของฮีเลียม นั่นหมายความว่าอะตอมไม่ใช่อนุภาคที่ไม่เปลี่ยนรูปและทำลายไม่ได้

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

จากการตรวจสอบการผ่านของลำแสงแคบของอนุภาคแอลฟาผ่านชั้นบาง ๆ ของสสารรัทเทอร์ฟอร์ดพบว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านฟอยล์โลหะซึ่งประกอบด้วยอะตอมหลายพันชั้นโดยไม่เบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิมโดยไม่พบการกระจัดกระจายราวกับว่าพวกมันไม่ได้อยู่ในเส้นทางของมัน ไม่มีอุปสรรค อย่างไรก็ตามอนุภาคบางชนิดหักเหไปที่มุมขนาดใหญ่ซึ่งประสบกับการกระทำของกองกำลังขนาดใหญ่

จากผลการทดลองสังเกตการกระจัดกระจายของอนุภาคแอลฟาในสสาร รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองดาวเคราะห์สำหรับโครงสร้างของอะตอมตามรุ่นนี้ โครงสร้างของอะตอมนั้นคล้ายกับโครงสร้างของระบบสุริยะตรงกลางของแต่ละอะตอมจะมี นิวเคลียสที่มีประจุบวกรัศมี≈ 10 -10 ม. เหมือนดาวเคราะห์หมุน อิเล็กตรอนที่มีประจุลบมวลเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม อนุภาคอัลฟ่าสามารถผ่านอะตอมหลายพันชั้นโดยไม่กระจัดกระจายเนื่องจากพื้นที่ส่วนใหญ่ภายในอะตอมว่างเปล่าและการชนกับอิเล็กตรอนเบาแทบจะไม่มีผลต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาที่มีน้ำหนักมาก การกระเจิงของอนุภาคแอลฟาเกิดขึ้นในการชนกับนิวเคลียสของอะตอม

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติทั้งหมดของอะตอมได้

ตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิกอะตอมของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่มีประจุบวกซึ่งหมุนรอบวงโคจรควรปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา การแผ่รังสีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าน่าจะนำไปสู่การลดลงของการจัดหาพลังงานศักย์ในระบบนิวเคลียส - อิเล็กตรอนเพื่อให้รัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอนลดลงทีละน้อยและการที่อิเล็กตรอนตกลงสู่นิวเคลียส อย่างไรก็ตามอะตอมมักจะไม่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิเล็กตรอนจะไม่ตกบนนิวเคลียสของอะตอมนั่นคืออะตอมมีความเสถียร

ควอนตัมของ N. Bohr สมมุติฐาน

เพื่ออธิบายความเสถียรของอะตอม นีลส์บอร์ เสนอให้ละทิ้งแนวคิดและกฎหมายคลาสสิกตามปกติเมื่ออธิบายคุณสมบัติของอะตอม

คุณสมบัติพื้นฐานของอะตอมได้รับคำอธิบายเชิงคุณภาพที่สอดคล้องกันโดยพิจารณาจากการนำไปใช้ ควอนตัมของ N. Bohr ตั้งสมมติฐาน

1. อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสตามวงโคจรวงกลมที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด (นิ่ง) เท่านั้น

2. ระบบอะตอมสามารถอยู่ในสถานะนิ่งหรือสถานะควอนตัมได้เท่านั้นซึ่งแต่ละสถานะสอดคล้องกับพลังงานบางอย่าง E. อะตอมไม่แผ่พลังงานในสถานะหยุดนิ่ง

สถานะนิ่งของอะตอม เรียกว่ามีการจัดหาพลังงานขั้นต่ำ สถานะพื้นดินรัฐอื่น ๆ ทั้งหมดเรียกว่า สถานะตื่นเต้น (ควอนตัม)อะตอมสามารถอยู่ในสถานะพื้นดินได้เป็นเวลานานไม่สิ้นสุดอายุการใช้งานของอะตอมในสภาวะตื่นเต้นจะอยู่ได้นาน 10 -9-10 -7 วินาที

3. การแผ่รังสีหรือการดูดซับพลังงานเกิดขึ้นเฉพาะในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของอะตอมจากสถานะหยุดนิ่งหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง พลังงานของควอนตัมของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะนิ่งด้วยพลังงาน อีมเข้าสู่สถานะของพลังงาน นเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานของอะตอมในสองสถานะควอนตัม:

∆Е \u003d Еม - Е n \u003d hv,

ที่ไหน v - ความถี่ของรังสี ซ \u003d 2ph \u003d 6.62 ∙ 10 -34 J ∙วิ

แบบจำลองควอนตัมของโครงสร้างของอะตอม

ต่อจากนั้นมีการเสริมและนำบทบัญญัติบางประการของทฤษฎีของ N. การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดคือการนำแนวคิดของเมฆอิเล็กตรอนซึ่งเปลี่ยนแนวคิดของอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคเท่านั้น ต่อมาทฤษฎีของบอร์ถูกแทนที่ด้วยทฤษฎีควอนตัมซึ่งคำนึงถึงคุณสมบัติของคลื่นของอิเล็กตรอนและอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ที่ก่อตัวเป็นอะตอม

พื้นฐาน ทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมเป็นแบบจำลองของดาวเคราะห์เสริมและปรับปรุง ตามทฤษฎีนี้นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน (อนุภาคที่มีประจุบวก) และเซลล์ประสาท (ไม่มีประจุของอนุภาค) และอิเล็กตรอน (อนุภาคที่มีประจุลบ) จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสไปตามวิถีที่ไม่มีกำหนด

หากยังมีคำถาม ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมหรือไม่?
หากต้องการความช่วยเหลือจากติวเตอร์ - ลงทะเบียน
บทเรียนแรกฟรี!

ไซต์ที่มีการคัดลอกเนื้อหาทั้งหมดหรือบางส่วนจำเป็นต้องมีลิงก์ไปยังแหล่งที่มา

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมถูกเสนอโดย E.Rutherford ในปีพ. ศ. 2453 การศึกษาโครงสร้างของอะตอมเป็นครั้งแรกโดยเขาใช้อนุภาคแอลฟา จากผลที่ได้รับในการทดลองเกี่ยวกับการกระจัดกระจายรัทเทอร์ฟอร์ดแนะนำว่าประจุบวกทั้งหมดของอะตอมนั้นกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสเล็ก ๆ ที่ใจกลาง ในทางกลับกันอิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะกระจายไปทั่วปริมาตรที่เหลือ

พื้นหลังเล็กน้อย

การคาดเดาอย่างแยบยลครั้งแรกเกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอมเกิดขึ้นโดย Democritus นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ ตั้งแต่นั้นมาความคิดเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของอะตอมซึ่งการรวมกันของสารทั้งหมดที่อยู่รอบตัวเราไม่ได้ทำให้จินตนาการของผู้คนในวิทยาศาสตร์ ในบางครั้งตัวแทนหลายคนก็หันมาสนใจ แต่จนถึงต้นศตวรรษที่ 19 โครงสร้างของพวกเขาเป็นเพียงสมมติฐานเท่านั้นไม่ได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลการทดลอง

ในที่สุดในปี 1804 กว่าหนึ่งร้อยปีก่อนที่แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์จะปรากฏขึ้นจอห์นดาลตันนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้นำเสนอหลักฐานการดำรงอยู่ของมันและนำเสนอแนวคิดเรื่องน้ำหนักอะตอมซึ่งเป็นลักษณะเชิงปริมาณครั้งแรก เช่นเดียวกับรุ่นก่อน ๆ เขามองเห็นอะตอมเป็นชิ้นส่วนเล็ก ๆ เหมือนลูกบอลแข็งที่ไม่สามารถแยกย่อยออกเป็นอนุภาคขนาดเล็กได้

การค้นพบอิเล็กตรอนและแบบจำลองแรกของอะตอม

เกือบหนึ่งศตวรรษผ่านไปในที่สุดในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 J.J. Thomson ชาวอังกฤษก็ได้ค้นพบอนุภาคย่อยอะตอมตัวแรกซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ เนื่องจากอะตอมมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าทอมสันจึงคิดว่ามันควรประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกซึ่งมีอิเล็กตรอนกระจัดกระจายอยู่ทั่วปริมาตร จากผลการทดลองต่างๆที่ได้รับจากการทดลองในปี พ.ศ. 2441 เขาได้เสนอแบบจำลองอะตอมของเขาซึ่งบางครั้งเรียกว่า "พลัมในพุดดิ้ง" เนื่องจากอะตอมในนั้นแสดงเป็นทรงกลมที่เต็มไปด้วยของเหลวที่มีประจุบวกซึ่งอิเล็กตรอนถูกนำมาใช้เป็น "พลัม ลงในพุดดิ้ง” รัศมีของแบบจำลองทรงกลมนี้อยู่ที่ประมาณ 10 -8 ซม. ประจุบวกทั้งหมดของของเหลวจะสมมาตรและสมดุลเท่า ๆ กันโดยประจุลบของอิเล็กตรอนดังแสดงในรูปด้านล่าง

แบบจำลองนี้อธิบายได้อย่างน่าพอใจว่าเมื่อสารได้รับความร้อนสารจะเริ่มเปล่งแสง แม้ว่านี่จะเป็นความพยายามครั้งแรกในการทำความเข้าใจว่าอะตอมคืออะไร แต่ก็ไม่สามารถตอบสนองผลการทดลองที่ดำเนินการในภายหลังโดยรัทเทอร์ฟอร์ดและคนอื่น ๆ Thomson ในปี 2454 เห็นพ้องกันว่าแบบจำลองของเขาไม่สามารถตอบได้ว่าทำไมจึงเกิดการกระเจิงของα-rays ดังนั้นจึงถูกทิ้งร้างและมีแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ที่สมบูรณ์แบบมากขึ้นมาแทนที่

อะตอมทำงานอย่างไร?

เออร์เนสต์รัทเทอร์ฟอร์ดให้คำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ของกัมมันตภาพรังสีซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล แต่ผลงานที่สำคัญที่สุดของเขาในด้านวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นในภายหลังเมื่อเขาพบว่าอะตอมประกอบด้วยแกนหนาแน่นที่ล้อมรอบด้วยวงโคจรของอิเล็กตรอนเช่นเดียวกับดวงอาทิตย์ที่ล้อมรอบด้วยวงโคจรของดาวเคราะห์

ตามแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์มวลส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสขนาดเล็ก (เมื่อเทียบกับขนาดของอะตอมทั้งหมด) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสโดยเดินทางด้วยความเร็วเหลือเชื่อ แต่ปริมาตรส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นพื้นที่ว่าง

ขนาดของนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากจนมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าอะตอมถึง 100,000 เท่า เส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสถูกประเมินโดยรัทเทอร์ฟอร์ดว่า 10 -13 ซม. ตรงกันข้ามกับขนาดของอะตอม - 10-8 ซม. นอกนิวเคลียสอิเล็กตรอนจะหมุนรอบตัวมันด้วยความเร็วสูงส่งผลให้เกิดแรงเหวี่ยงที่สมดุลของแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอน

การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมเกิดขึ้นในปีพ. ศ. 2454 หลังจากการทดลองที่มีชื่อเสียงด้วยฟอยล์ทองคำซึ่งให้ข้อมูลพื้นฐานบางประการเกี่ยวกับโครงสร้างของมัน เส้นทางของรัทเทอร์ฟอร์ดในการค้นพบนิวเคลียสของอะตอมเป็นตัวอย่างที่ดีของบทบาทของความคิดสร้างสรรค์ในวิทยาศาสตร์ การค้นหาของเขาเริ่มย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2442 เมื่อเขาพบว่าองค์ประกอบบางอย่างปล่อยอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งสามารถทะลุผ่านอะไรก็ได้ เขาเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าอนุภาคอัลฟา (α) (ปัจจุบันเรารู้แล้วว่าเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม) เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์ที่ดีทุกคนรัทเทอร์ฟอร์ดรู้สึกสงสัย เขาสงสัยว่าอนุภาคแอลฟาสามารถใช้เพื่อค้นหาโครงสร้างของอะตอมได้หรือไม่ รัทเทอร์ฟอร์ดตัดสินใจเล็งลำแสงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นฟอยล์สีทองบาง ๆ เขาเลือกสีทองเพราะสามารถผลิตแผ่นที่มีความหนาเพียง 0.00004 ซม. ด้านหลังแผ่นฟอยล์สีทองเขาวางหน้าจอที่เรืองแสงเมื่ออนุภาคแอลฟากระทบมัน มันถูกใช้เพื่อตรวจจับอนุภาคแอลฟาหลังจากผ่านกระดาษฟอยล์ ช่องเล็ก ๆ ในหน้าจอทำให้ลำแสงอนุภาคแอลฟาไปถึงแผ่นฟอยล์หลังจากออกจากแหล่งกำเนิด บางส่วนควรผ่านกระดาษฟอยล์และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันต่อไปในขณะที่บางส่วนควรจะกระเด็นออกจากฟอยล์และสะท้อนในมุมที่คมชัด คุณสามารถดูแผนภาพของการทดลองได้ในรูปด้านล่าง

เกิดอะไรขึ้นในประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ด

จากแบบจำลองอะตอมของ J.J. Thomson รัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าบริเวณที่เป็นของแข็งของประจุบวกที่บรรจุอะตอมทองคำทั้งหมดจะเบี่ยงเบนหรือโค้งงอเส้นทางของอนุภาคแอลฟาทั้งหมดเมื่อผ่านฟอยล์

อย่างไรก็ตามอนุภาคอัลฟ่าส่วนใหญ่พุ่งตรงผ่านแผ่นฟอยล์สีทองราวกับว่ามันไม่ได้อยู่ที่นั่น ดูเหมือนพวกเขาจะผ่านพื้นที่ว่างเปล่า มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่เบี่ยงเบนไปจากทางตรงตามที่แนะนำไว้ในตอนแรก ด้านล่างนี้เป็นพล็อตจำนวนอนุภาคที่กระจัดกระจายในทิศทางที่สอดคล้องกันกับมุมกระเจิง

น่าแปลกที่อนุภาคเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่กระเด็นออกมาจากกระดาษฟอยล์เหมือนลูกบาสเก็ตบอลกระเด็นออกจากพนัก รัทเทอร์ฟอร์ดตระหนักว่าการเบี่ยงเบนเหล่านี้เป็นผลมาจากการชนกันโดยตรงระหว่างอนุภาคแอลฟาและส่วนประกอบที่มีประจุบวกของอะตอม

แกนกลางเป็นเวทีกลาง

จากเปอร์เซ็นต์ที่ไม่สำคัญของอนุภาคแอลฟาที่สะท้อนจากฟอยล์เราสามารถสรุปได้ว่าประจุบวกทั้งหมดและมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่เล็ก ๆ แห่งเดียวและส่วนที่เหลือของอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่างเปล่า รัทเทอร์ฟอร์ดเรียกบริเวณที่มีประจุบวกเข้มข้นว่านิวเคลียส เขาทำนายและค้นพบในไม่ช้าว่ามันมีอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งเขาเรียกว่าโปรตอน รัทเทอร์ฟอร์ดทำนายการมีอยู่ของอนุภาคอะตอมเป็นกลางที่เรียกว่านิวตรอน แต่เขาไม่สามารถตรวจจับได้ อย่างไรก็ตามเจมส์แชดวิกลูกศิษย์ของเขาค้นพบพวกเขาในอีกไม่กี่ปีต่อมา รูปด้านล่างแสดงโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนักที่มีประจุบวกล้อมรอบด้วยอนุภาค - อิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบมากซึ่งหมุนรอบตัวพวกมันและด้วยความเร็วเช่นนี้แรงเหวี่ยงเชิงกลจะทำให้แรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตของพวกมันสมดุลกับนิวเคลียสและด้วยเหตุนี้ความเสถียรของอะตอมจึงน่าจะมั่นใจ

ข้อเสียของรุ่นนี้

ความคิดหลักของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวข้องกับความคิดของนิวเคลียสอะตอมขนาดเล็ก สมมติฐานเกี่ยวกับวงโคจรของอิเล็กตรอนเป็นสมมติฐานที่บริสุทธิ์ เขาไม่รู้แน่ชัดว่าอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสอยู่ที่ไหนและอย่างไร ดังนั้นแบบจำลองดาวเคราะห์ของรัทเทอร์ฟอร์ดจึงไม่ได้อธิบายถึงการกระจายของอิเล็กตรอนในวงโคจร

นอกจากนี้ความเสถียรของอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดเป็นไปได้ก็ต่อเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องในวงโคจรโดยไม่สูญเสียพลังงานจลน์ แต่การคำนวณทางไฟฟ้าได้แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามวิถีโค้งใด ๆ พร้อมกับการเปลี่ยนแปลงทิศทางของเวกเตอร์ความเร็วและการปรากฏตัวของความเร่งที่สอดคล้องกันนั้นมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกรณีนี้ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะต้องใช้ไปกับการแผ่รังสีอย่างรวดเร็วและจะต้องตกลงไปที่นิวเคลียสดังที่แสดงในรูปด้านล่าง

แต่สิ่งนี้ไม่เกิดขึ้นเนื่องจากอะตอมมีการก่อตัวที่เสถียร ความขัดแย้งทางวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปเกิดขึ้นระหว่างแบบจำลองของปรากฏการณ์และข้อมูลการทดลอง

จาก Rutherford ถึง Niels Bohr

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญต่อไปในประวัติศาสตร์อะตอมเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2456 เมื่อนีลส์บอร์นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์กได้ตีพิมพ์คำอธิบายของแบบจำลองอะตอมที่ละเอียดขึ้น เธอกำหนดสถานที่ที่อิเล็กตรอนสามารถอยู่ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ในภายหลังจะพัฒนาการออกแบบอะตอมที่ซับซ้อนมากขึ้น แต่แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ของบอร์นั้นถูกต้องเป็นส่วนใหญ่และส่วนใหญ่ยังคงเป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน มีการใช้งานที่เป็นประโยชน์มากมายเช่นใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมีต่างๆลักษณะของสเปกตรัมของรังสีและโครงสร้างของอะตอม แบบจำลองของดาวเคราะห์และแบบจำลองของบอร์เป็นเหตุการณ์สำคัญที่ทำให้เกิดทิศทางใหม่ทางฟิสิกส์นั่นคือฟิสิกส์ของโลกขนาดเล็ก บอร์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2465 จากการมีส่วนร่วมในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม

บอร์นำอะไรใหม่มาสู่แบบจำลองอะตอม?

เมื่อโตเป็นหนุ่มบอร์ทำงานในห้องปฏิบัติการของรัทเทอร์ฟอร์ดในอังกฤษ เนื่องจากแนวคิดของอิเล็กตรอนได้รับการพัฒนาไม่ดีในแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดบอร์จึงมุ่งเน้นไปที่พวกมัน เป็นผลให้แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ สมมุติฐานของ Bohr ซึ่งเขากำหนดไว้ในบทความของเขา "เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล" ซึ่งตีพิมพ์ในปี 2456 อ่าน:

1. อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสในระยะทางคงที่จากมันเท่านั้นโดยพิจารณาจากปริมาณพลังงานที่มี เขาเรียกสิ่งเหล่านี้ว่าระดับพลังงานคงที่หรือเปลือกอิเล็กตรอน บอร์เป็นตัวแทนของพวกมันเป็นทรงกลมศูนย์กลางโดยมีแกนกลางอยู่ตรงกลางของแต่ละอัน ในกรณีนี้จะพบอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำกว่าในระดับล่างใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น ผู้ที่มีพลังงานมากกว่าจะพบในระดับที่สูงขึ้นซึ่งอยู่ห่างจากแกนกลาง

2. ถ้าอิเล็กตรอนดูดซับพลังงานจำนวนหนึ่ง (ค่อนข้างแน่นอนสำหรับระดับหนึ่ง) มันจะข้ามไปยังระดับพลังงานถัดไปที่สูงขึ้น ในทางกลับกันถ้าเขาสูญเสียพลังงานในปริมาณเท่าเดิมเขาก็จะกลับสู่ระดับเดิม อย่างไรก็ตามอิเล็กตรอนไม่สามารถดำรงอยู่ได้ในระดับพลังงานสองระดับ

ความคิดนี้แสดงอยู่ในรูป

ส่วนพลังงานสำหรับอิเล็กตรอน

แบบจำลองอะตอมของบอร์เป็นการรวมกันของความคิดที่แตกต่างกันสองแบบ: แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดที่มีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส (อันที่จริงมันเป็นแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมของบอร์ - รัทเทอร์ฟอร์ด) และแนวคิดของ Max Planck นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันเกี่ยวกับการหาปริมาณของพลังงานของสสารซึ่งตีพิมพ์ในปี 1901 ควอนตัม (พหูพจน์ - ควอนต้า) คือปริมาณพลังงานขั้นต่ำที่สามารถดูดซับหรือแผ่ออกจากสสารได้ เป็นขั้นตอนหนึ่งในการสุ่มตัวอย่างปริมาณพลังงาน

หากเทียบพลังงานกับน้ำและคุณต้องการเพิ่มลงในสสารในรูปแบบของแก้วคุณไม่สามารถเทน้ำในกระแสที่ต่อเนื่องได้ คุณสามารถเพิ่มในปริมาณเล็กน้อยเช่นทีละช้อนชาแทน บอร์เชื่อว่าหากอิเล็กตรอนสามารถดูดซับหรือสูญเสียพลังงานในปริมาณที่แน่นอนได้พวกมันก็ควรเปลี่ยนพลังงานตามจำนวนคงที่เหล่านี้เท่านั้น ดังนั้นพวกมันสามารถครอบครองระดับพลังงานคงที่รอบ ๆ นิวเคลียสซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานในเชิงปริมาณ

ดังนั้นจากแบบจำลองของบอร์จึงเป็นแนวทางควอนตัมในการอธิบายว่าโครงสร้างของอะตอมคืออะไร แบบจำลองดาวเคราะห์และแบบจำลองของบอร์เป็นขั้นตอนจากฟิสิกส์คลาสสิกไปจนถึงฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งเป็นเครื่องมือหลักในฟิสิกส์ของโลกรวมถึงฟิสิกส์อะตอม