Planetarni model atoma: Rutherfordovo iskustvo

Planetarni model atoma predložio je E. Rutherford 1910. godine. Prve studije strukture atoma napravljene su pomoću alfa čestica. Na temelju rezultata dobivenih u eksperimentima o njihovom rasipanju, Rutherford je sugerirao da je cijeli pozitivni naboj atoma koncentriran u maloj jezgri u njezinom središtu. S druge strane, negativno nabijeni elektroni raspoređeni su unutar ostatka volumena.

Malo pozadine

Prvu briljantnu pretpostavku o postojanju atoma napravio je stari grčki znanstvenik Demokrit. Od tada, ideja o postojanju atoma, čije kombinacije daju sve tvari oko nas, nije ostavila maštu ljudi znanosti. S vremena na vrijeme na nju su se obratili različiti predstavnici, ali do početka 19. stoljeća njihove su konstrukcije bile samo hipoteze koje nisu podržane eksperimentalnim podacima.

Konačno, 1804., više od stotinu godina prije nego se pojavio planetarni model atoma, engleski znanstvenik John Dalton predstavio je svoje postojanje i uveo koncept atomske mase, što je bila njegova prva kvantitativna značajka. Kao i njegovi prethodnici, on predstavlja atome u najmanjim dijelovima materije, kao što su čvrste kuglice koje se ne mogu podijeliti na još manje čestice.

Otkriće elektrona i prvi model atoma

Prošlo je gotovo stoljeće kada je konačno, krajem 19. stoljeća, Englez JJ Thomson otkrio i prvu subatomsku česticu, negativno nabijeni elektron. Budući da su atomi električno neutralni, Thomson je mislio da bi se trebali sastojati od pozitivno nabijene jezgre s elektronima raspršenim po njegovom volumenu. Na temelju različitih eksperimentalno dobivenih rezultata, 1898. predložio je vlastiti model atoma, koji se ponekad naziva "šljivama u pudingu", jer je atom u njemu bio predstavljen kao sfera ispunjena nekim pozitivno nabijenim fluidom u kojem su elektroni ugrađeni kao "šljive" u pudingu. " Polumjer takvog sfernog modela iznosio je oko 10 ^-8 cm. Ukupni pozitivni naboj tekućine je simetrično i ravnomjerno uravnotežen negativnim naboji elektrona, kao što je prikazano na slici ispod.

Ovaj model je na zadovoljavajući način objasnio činjenicu da kada se tvar zagrije, ona počinje emitirati svjetlo. Iako je to bio prvi pokušaj da se shvati što je atom, nije mogao zadovoljiti rezultate eksperimenata koje je kasnije proveo Rutherford i drugi. Thomson se 1911. složio da njegov model jednostavno ne može odgovoriti na pitanje kako i zašto dolazi do raspršenja α-zraka u eksperimentima. Stoga je napušten, a zamijenjen je savršeniji planetarni model atoma.

Kako je atom isti?

Ernest Rutherford objasnio je fenomen radioaktivnosti koji mu je donio Nobelovu nagradu, ali je njegov najznačajniji doprinos znanosti nastao kasnije kada je otkrio da se atom sastoji od guste jezgre okružene elektronskim orbitama, baš kao što je Sunce okruženo orbitama planeta.

Prema planetarnom modelu atoma, većina njegove mase koncentrirana je u sićušnoj (u usporedbi s veličinom cijelog atoma) jezgrom. Elektroni se kreću oko jezgre, putujući nevjerojatnom brzinom, ali većina volumena atoma je prazan prostor.

Veličina jezgre je toliko mala da je njezin promjer 100.000 puta manji od atoma. Promjer jezgre Rutherford je procijenjen na 10 - ¹³ cm, za razliku od veličine atoma - 10-8 cm, dok se izvan jezgre elektrona okreću oko njega pri velikim brzinama, što rezultira centrifugalnim silama koje uravnotežuju elektrostatske sile privlačenja između protona i elektrona.

Rutherfordova iskustva

Planetarni model atoma nastao je 1911. godine, nakon poznatog eksperimenta sa zlatnom folijom, što nam je omogućilo da dobijemo neke temeljne informacije o njegovoj strukturi. Rutherfordov put do otkrića atomske jezgre dobar je primjer uloge kreativnosti u znanosti. Njegova potraga započela je 1899. godine, kada je otkrio da neki elementi emitiraju pozitivno nabijene čestice koje mogu prodrijeti u bilo što. Te čestice je nazvao alfa (α) česticama (sada znamo da su to jezgre helija). Kao i svi dobri znanstvenici, Rutherford je bio znatiželjan. Pitao se mogu li se alfa čestice upotrijebiti za pronalaženje strukture atoma. Rutherford je odlučio usmjeriti snop alfa čestica na list vrlo tanke zlatne folije. Izabrao je zlato jer se može upotrijebiti za izradu listova veličine samo 0,00004 cm, a za zlatnu foliju stavio je zaslon koji je svijetlio kad su ga udarile alfa čestice. Koristi se za detekciju alfa čestica nakon što prođu kroz foliju. Mali prorez na ekranu omogućio je alfa čestici da stigne do folije nakon izlaska iz izvora. Neki od njih bi trebali proći kroz foliju i nastaviti se kretati u istom smjeru, drugi dio bi se trebao odbiti od folije i reflektirati u oštrim kutovima. Dijagram eksperimenta možete vidjeti na donjoj slici.

Što se dogodilo u iskustvu Rutherforda?

Temeljem JJ Thomsonova modela atoma, Rutherford je sugerirao da bi područja krutog pozitivnog naboja koja ispunjavaju cijeli volumen atoma zlata odbijala ili savijala putanje svih alfa čestica dok prolaze kroz foliju.

Međutim, velika većina alfa čestica prošla je kroz zlatnu foliju, kao da ne postoji. Činilo se da su prolazili kroz prazan prostor. Samo nekoliko njih odstupa od pravog puta, kao što se pretpostavljalo na početku. Ispod se nalazi graf broja čestica koje su raspršene u odgovarajućem smjeru na kut raspršivanja.

Iznenađujuće, mali se postotak čestica vratio iz folije dok se košarka odbijala od štita. Rutherford je shvatio da su ta odstupanja rezultat izravnog sudara alfa čestica i pozitivno nabijenih komponenti atoma.

Jezgra je središnja

Na temelju neznatnog postotka alfa čestica koje se reflektiraju iz folije, može se zaključiti da je cijeli pozitivni naboj i gotovo cijela masa atoma koncentrirana na jednom malom području, a ostatak atoma je uglavnom prazan prostor. Rutherford je područje koncentriranog pozitivnog naboja nazvao jezgrom. Predvidio je i ubrzo otkrio da sadrži pozitivno nabijene čestice koje je nazvao protonima. Rutherford je predvidio postojanje neutralnih atomskih čestica nazvanih neutroni, ali ih nije mogao otkriti. Ipak, njegov student James Chadwick ih je otkrio nekoliko godina kasnije. Slika ispod prikazuje strukturu jezgre atoma urana.

Atomi se sastoje od pozitivno nabijenih teških jezgri, okruženih negativno nabijenim ekstremno lakim elektronskim česticama koje se okreću oko njih, i takvim brzinama da mehaničke centrifugalne sile jednostavno uravnotežuju svoju elektrostatičku privlačnost s nukleusom, te je s tim u vezi navodno osigurana stabilnost atoma.

Nedostaci ovog modela

Glavna ideja Rutherforda pripadala je ideji o maloj atomskoj jezgri. Pretpostavka elektronskih orbita bila je čista hipoteza. Nije točno znao gdje i kako se elektroni vrte oko jezgre. Stoga planetarni model Rutherforda ne objašnjava raspodjelu elektrona u orbitama.

Glavna ideja Rutherforda pripadala je ideji o maloj atomskoj jezgri. Pretpostavka elektronskih orbita bila je čista hipoteza. Nije točno znao gdje i kako se elektroni vrte oko jezgre. Stoga planetarni model Rutherforda ne objašnjava raspodjelu elektrona u orbitama.

Osim toga, stabilnost Rutherfordovog atoma bila je moguća samo uz kontinuirano kretanje elektrona u orbitama bez gubitka kinetičke energije. No elektrodinamički proračuni pokazali su da je gibanje elektrona duž bilo koje krivulje trajektorije, praćeno promjenom smjera vektora brzine i pojavom odgovarajućeg ubrzanja, neizbježno praćeno emisijom elektromagnetske energije. U isto vrijeme, prema zakonu očuvanja energija, kinetička energija Elektron mora biti vrlo brzo utrošen na zračenje i mora pasti na jezgru, kao što je shematski prikazano na slici ispod. Ali to se ne događa jer su atomi stabilne formacije. Tipična za znanost kontradikcija nastala je između modela fenomena i eksperimentalnih podataka.

Od Rutherforda do Nielsa Bohra

Sljedeći veliki korak naprijed u atomskoj povijesti dogodio se 1913. godine, kada je danski znanstvenik Niels Bohr objavio opis detaljnijeg modela atoma. Ona je jasnije definirala mjesta gdje se elektroni mogu nalaziti. Iako će kasnije znanstvenici razviti rafiniraniju atomsku strukturu, planetarni model atoma Bohra bio je u biti ispravan, a veći dio je još uvijek prihvaćen. Imao je mnogo korisnih primjena, na primjer, uz njegovu pomoć, objasnili su svojstva različitih kemijskih elemenata, prirodu njihovog spektra zračenja i struktura atoma. Planetarni model i Bohrov model bili su najvažniji prekretnici, označavajući pojavu novog smjera u fizici - fizici mikrosvijeta. Bohr je dobio 1922. Nobelovu nagradu za fiziku za svoj doprinos našem razumijevanju strukture atoma.

Što je novi Boh donio atomskom modelu?

Dok je još bio mlad, Bohr je radio u laboratoriju Rutherford u Engleskoj. Budući da je pojam elektrona slabo razvijen u Rutherfordovom modelu, Bohr ih se usredotočio. Kao rezultat, planetarni model atoma bio je znatno rafiniran. Bohrovi postulati, koju je formulirao u svom članku "O strukturi atoma i molekula", objavljenom 1913., navodi:

1. Elektroni se mogu kretati oko jezgre samo na fiksnim udaljenostima od nje, što je određeno količinom energije koju imaju. Ove fiksne razine nazvao je razinama energije ili elektronskim ljuskama. Bohr ih predstavlja u obliku koncentričnih sfera, s jezgrom u središtu svake od njih. U ovom slučaju, elektroni s nižom energijom naći će se na nižim razinama, bliže jezgri. Oni koji imaju više energije naći će se na višim razinama, dalje od jezgre.

2. Ako elektron upije neku (vrlo specifičnu za određenu razinu) količinu energije, skoči na sljedeću, višu energetsku razinu. Nasuprot tome, ako izgubi istu količinu energije, vratit će se na prvobitnu razinu. Međutim, elektron ne može postojati na dvije razine energije.

Ova ideja je ilustrirana slikom.

Energetski dijelovi za elektrone

Model Bohrovog atoma zapravo je kombinacija dvije različite ideje: Rutherfordov atomski model s elektronima koji se okreću oko jezgre (zapravo, to je planetarni model Bohr - Rutherfordovog atoma), i ideja njemačkog znanstvenika Maxa Plancka o kvantiziranju energije materije, objavljenoj 1901. Kvant (u množini, kvanti) je minimalna količina energije koju supstanca može apsorbirati ili zračiti. To je svojevrsni korak uzorkovanja količine energije.

Ako usporedite energiju s vodom i želite je dodati u materiju u obliku čaše, ne možete samo sipati vodu u kontinuirani tok. Umjesto toga, možete ga dodati u malim količinama, primjerice žličicu. Bohr je vjerovao da ako elektroni mogu apsorbirati ili izgubiti samo fiksne količine energije, tada bi trebali mijenjati svoju energiju samo ovim fiksnim količinama. Dakle, oni mogu samo zauzeti fiksne razine energije oko jezgre, koje odgovaraju kvantiziranim prirastima njihove energije.

Dakle, kvantni pristup objašnjenju onoga što čini atomsku strukturu proizlazi iz Bohrovog modela. Planetarni model i Bohrov model bili su posebni koraci od klasične fizike do kvantne fizike, koja je glavni alat u fizici mikrosvijeta, uključujući atomsku fiziku.