RUTHERFORDA ATOMU MODELIS: VĒSTURE, EKSPERIMENTI, POSTULĀTI - FIZISKĀ - 2025

Rutherford atomu modelis ir apraksts atoma, ko rada britu fiziķis Ernests Rutherford (1871-1937) atklāja 1911. gadā, kad atoma kodols slavenās izkliedes eksperimenti, kas ņem savu vārdu.

Ideja par atomu (grieķu valodā “nedalāma”) kā mazāko matērijas sastāvdaļu bija intelektuālā jaunrade, kas dzimusi Senajā Grieķijā, ap 300. gadu pirms mūsu ēras. Tāpat kā tik daudzos citos grieķu jēdzienos, atoma jēdziens tiek izstrādāts, pamatojoties uz loģika un argumentācija, bet ne eksperimentēšana.

Rutherforda atomu modelis

Ievērojamākie atomistu filozofi bija Abdera demokrātijs (460 - 360 BC), Samosas Epikūrs (341 - 270 BC) un Titus Lucretius (98 - 54 BC). Grieķi iecerēja četrus dažādus atomu veidus, kas atbilda četriem elementiem, kuri pēc viņu uzskatiem veidoja matēriju: gaisu, ūdeni, zemi un uguni.

Vēlāk Aristotelis pievienos piekto elementu: ēteri, kas veidoja zvaigznes, jo pārējie četri elementi bija tīri sauszemes.

Aleksandra Lielā, kura skolotājs bija Aristotelis, iekarojumi paplašināja viņa uzskatus visā senajā pasaulē, sākot no Spānijas līdz Indijai, un tādējādi gadsimtiem ilgi atoma ideja radīja savu vietu zinātnes pasaulē.

Atoms vairs nav dalāms

Grieķu filozofu idejas par matērijas struktūru pastāvēja simtiem gadu, līdz angļu ķīmiķis un skolas skolotājs vārdā Džons Daltons (1776-1844) 1808. gadā publicēja savu eksperimentu rezultātus.

Daltons piekrita, ka elementus veido ārkārtīgi mazas daļiņas, ko sauc par atomiem. Bet viņš gāja tālāk, paziņojot, ka visi viena un tā paša elementa atomi ir vienādi, tiem ir vienāds izmērs, vienāda masa un vienādas ķīmiskās īpašības, kuru dēļ ķīmiskās reakcijas laikā tie paliek nemainīgi.

Šis ir pirmais zinātniski pamatotais atomu modelis. Tāpat kā grieķi, Daltons joprojām uzskatīja atomu par nedalāmu, tāpēc tam trūka struktūras. Tomēr Daltona ģēnijs lika viņam ievērot vienu no lielajiem fizikas saglabāšanas principiem:

• Ķīmiskās reakcijās atomi netiek ne radīti, ne iznīcināti, tie tikai maina to sadalījumu.

Un viņš noskaidroja veidu, kādā ķīmiskos savienojumus veido "savienojuma atomi" (molekulas):

• Kad divi vai vairāki dažādu elementu atomi apvienojas, veidojot vienu un to pašu savienojumu, tie vienmēr to dara noteiktā un nemainīgā masas proporcijā.

19. gadsimts bija lielais elektrības un magnētisma gadsimts. Dažus gadus pēc Daltona publikācijām dažu eksperimentu rezultāti zinātniekiem rada šaubas par atoma nedalāmību.

Crookes caurule

Crookes caurule bija ierīce, kuru projektējis britu ķīmiķis un meteorologs Viljams Krūkss (1832–1919). 1875. gadā Krūka veiktais eksperiments sastāvēja no tā, lai caurulē, kas piepildīta ar gāzi zemā spiedienā, ievietotu divus elektrodus, vienu sauca par katodu, bet otru - par anodu.

Nosakot potenciālo starpību starp diviem elektrodiem, gāze mirdzēja krāsai, kas bija raksturīga izmantotajai gāzei. Šis fakts liecināja par to, ka atomā pastāvēja noteikta īpaša organizācija, un tāpēc tā nebija dalāma.

Turklāt šis starojums izraisīja vāju fluorescenci uz stikla caurules sienas katoda priekšā, izslēdzot krustveida formas zīmes ēnu, kas atrodas mēģenes iekšpusē.

Tas bija noslēpumains starojums, kas pazīstams kā “katoda stari” un kurš taisnā virzienā devās uz anodu un bija ļoti enerģisks, spējīgs radīt mehāniskus efektus un tika novirzīts pozitīvi uzlādētas plāksnes virzienā vai arī ar magnētu palīdzību.

Elektrona atklāšana

Starojums Crookes caurules iekšpusē nevarēja būt viļņi, jo tas nes negatīvu lādiņu. Džozefs Džons Thomsons (1856 - 1940) nāca klajā ar atbildi 1887. gadā, kad viņš atrada saistību starp šī starojuma lādiņu un masu un secināja, ka tas vienmēr ir vienāds: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, neatkarīgi no gāzes ievietota caurulē vai katoda izgatavošanai izmantotais materiāls.

Thomson sauca šīs daļiņas par asinsķermenīšiem. Izmērot tā masu attiecībā pret elektrisko lādiņu, viņš secināja, ka katrs korpuss ir ievērojami mazāks par atomu. Tāpēc viņš ieteica viņiem būt daļai no šiem, tādējādi atklājot elektronu.

Britu zinātnieks bija pirmais, kurš ieskicēja atoma grafisko modeli, uzzīmējot lodīti ar ievietotiem punktiem, kurai savas formas dēļ tika dots segvārds "plūmju pudiņš". Bet šis atklājums radīja citus jautājumus:

• Ja matērija ir neitrāla, un elektronam ir negatīva lādiņa: kur atomā ir pozitīvā lādiņa, kas neitralizē elektronus?
• Ja elektronu masa ir mazāka par atoma masu, tad no kā sastāv pārējais atoms?
• Kāpēc šādi iegūtās daļiņas vienmēr bija elektroni un nekad nebija cita veida?

Rutherforda izkliedes eksperimenti: atoma kodols un protons

Līdz 1898. gadam Rutherfords bija identificējis divus urāna starojuma veidus, kurus viņš nosauca par alfa un beta.

Dabisko radioaktivitāti Marī Kirī atklāja jau 1896. gadā. Alfa daļiņas ir pozitīvi lādētas un ir vienkārši hēlija kodoli, taču tajā laikā kodola jēdziens vēl nebija zināms. Rutherfords grasījās to uzzināt.

Viens no eksperimentiem, ko Rutherfords 1911. gadā veica Mančestras universitātē ar Hansa Geigera palīdzību, bija smalkas zelta folijas bombardēšana ar alfa daļiņām, kuru lādiņš ir pozitīvs. Ap zelta foliju viņš novietoja dienasgaismas ekrānu, kas ļāva viņiem vizualizēt bombardēšanas sekas.

Novērojumi

Pētot ietekmi uz dienasgaismas ekrānu, Rutherfords un viņa palīgi novēroja, ka:

1. Ļoti augsts alfa daļiņu procentuālais daudzums tika izlaists caur lapu bez pamanāmām novirzēm.
2. Daži novirzījās diezgan stāvos leņķos
3. Un ļoti nedaudzi atleca atpakaļ

Rutherforda izkliedes eksperimenti. Avots:.

2. un 3. novērojums pārsteidza pētniekus un lika viņiem pieņemt, ka personai, kas atbildīga par staru izkliedi, jābūt ar pozitīvu lādiņu un ka, ievērojot 1. novērojumu, šī atbildīgā persona bija daudz mazāka nekā alfa daļiņas. .

Pats Rutherfords par to teica, ka tas bija "… it kā jūs izšautu 15 collu jūras šāviņu pie papīra lapas un šāviņš atlec atpakaļ un trāpīja jums". To noteikti nevar izskaidrot ar Thompson modeli.

Analizējot savus rezultātus no klasiskā viedokļa, Rutherfords bija atklājis atoma kodola esamību, kur bija koncentrēts atoma pozitīvais lādiņš, kas tam piešķīra neitralitāti.

Rutherford turpināja savus izkliedes eksperimentus. Līdz 1918. gadam jaunais alfa daļiņu mērķis bija slāpekļa gāzes atomi.

Tādā veidā viņš atklāja ūdeņraža kodolus un uzreiz zināja, ka vienīgā vieta, no kurienes šie kodoli varētu nākt, ir pati pati slāpeklis. Kā tas bija iespējams, ka ūdeņraža kodoli bija daļa no slāpekļa?

Pēc tam Rutherfords ieteica, ka ūdeņraža kodolam - elementam, kam jau bija piešķirts atoma numurs 1 - jābūt pamatdaļiņai. Viņš to sauca par protonu, kas vispirms bija grieķu vārds. Tādējādi atoma kodola un protona atklājumi ir saistīti ar šo izcilo jaunzēlandieti.

Rutherforda atomu modelis postulē

Jaunais modelis ļoti atšķīrās no Thompson. Tie bija viņa postulāti:

• Atomā ir pozitīvi lādēts kodols, kurš, neskatoties uz to, ka ir ļoti mazs, satur gandrīz visu atoma masu.
• Elektroni ap atomu kodolu riņķo lielos attālumos un riņķveida vai elipsveida orbītā.
• Atoma neto lādiņš ir nulle, jo elektronu lādiņi kompensē kodolā esošo pozitīvo lādiņu.

Rutherforda aprēķini norādīja uz sfēriskas formas kodolu un tik mazu rādiusu kā 10 ^-15 m, atoma rādiusa vērtībai esot aptuveni 100 000 reižu lielākai, jo kodoli atrodas salīdzinoši tālu viens no otra: apmēram ^10-10 m.

Jaunais Ernests Rūterfords. Avots: Nezināms, publicēts 1939. gadā Rutherfordā: tā ir Rt Honorda lords Rutherfords, O. M dzīve un vēstules.

Tas izskaidro, kāpēc vairums alfa daļiņu vienmērīgi izgāja cauri loksnei vai arī tām bija ļoti maza novirze.

Rutforforda atoms, ņemot vērā ikdienas priekšmetu mērogu, būtu veidots no kodola, kas ir beisbola izmērs, savukārt atoma rādiuss būtu aptuveni 8 km, tāpēc atomu gandrīz visu var uzskatīt par tukšu vietu.

Pateicoties tās līdzībai ar miniatūru Saules sistēmu, tā kļuva pazīstama kā "atoma planētas modelis". Elektrostatiskais pievilkšanās spēks starp kodolu un elektroniem būtu analogs gravitācijas pievilcībai starp sauli un planētām.

Ierobežojumi

Tomēr bija dažas domstarpības par dažiem novērotajiem faktiem:

• Ja tiek pieņemta ideja, ka elektrons riņķo ap kodolu, gadās, ka elektronam vajadzētu nepārtraukti izstarot starojumu, līdz tas saduras ar kodolu, no tā izrietot, ka atoms tiek iznīcināts krietni zem sekundes. Par laimi, tas nav tas, kas patiesībā notiek.
• Turklāt dažos gadījumos atoms izstaro noteiktas elektromagnētiskā starojuma frekvences, kad notiek pārejas no augstākas enerģijas stāvokļa uz tādu, kurā ir zemāka enerģija, un tikai uz šīm frekvencēm, nevis citām. Kā izskaidrot faktu, ka enerģija ir kvantitatīva?

Neskatoties uz šiem ierobežojumiem, tā kā šodien ir daudz sarežģītāki modeļi, kas atbilst novērotajiem faktiem, Rutherforda atomu modelis joprojām ir noderīgs, lai students varētu pirmo reizi veiksmīgi izmantot atomu un tā sastāvdaļas.

Šajā atoma modelī neitrons neparādās - vēl viena kodola sastāvdaļa, kas netika atklāta līdz 1932. gadam.

Neilgi pēc tam, kad Rutherfords ierosināja savu planētas modeli, 1913. gadā dāņu fiziķis Nīls Bohrs to pārveidoja, lai izskaidrotu, kāpēc atoms netiek iznīcināts, un mēs joprojām esam šeit, lai pastāstītu šo stāstu.

Interesanti raksti

Šrēdingera atomu modelis.

De Broglie atomu modelis.

Čadvika atomu modelis.

Heizenberga atomu modelis.

Perrina atomu modelis.

Tomsa atoma modelis.

Diraka Jordānijas atomu modelis.

Democritus atomu modelis.

Boha atoma modelis.

Daltona atomu modelis.

Atsauces

1. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Klases piezīmes radiobioloģijas un radioloģiskās aizsardzības katedrai. Venecuēlas Centrālās universitātes Sabiedrības veselības skola.