АТОМНАЯ МОДЕЛЬ РЕЗЕРФОРДА: ИСТОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПОСТУЛАТЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Модель атома Резерфорда - это описание атома, созданного британским физиком Эрнестом Резерфордом (1871-1937), обнаруженным в 1911 году, когда атомное ядро ​​было обнаружено в ходе знаменитых экспериментов по рассеянию, получивших свое название.

Идея атома («неделимый» по-гречески) как мельчайшего компонента материи возникла в результате интеллектуального творения, зародившегося в Древней Греции около 300 г. до н.э. Как и многие другие греческие концепции, концепция атома разработана на основе логика и аргументация, но не экспериментирование.

Атомная модель Резерфорда

Наиболее известными философами-атомистами были Демокрит из Абдеры (460 - 360 до н.э.), Эпикур Самосский (341 - 270 до н.э.) и Тит Лукреций (98 - 54 до н.э.). Греки задумали четыре различных типа атомов, которые соответствовали четырем элементам, из которых они составляли материю: воздух, вода, земля и огонь.

Позже Аристотель добавил пятый элемент: эфир, из которого образовались звезды, поскольку остальные четыре элемента были чисто земными.

Завоевания Александра Македонского, учителем которого был Аристотель, распространили его веру на весь древний мир, от Испании до Индии, и, таким образом, на протяжении столетий идея атома создавала свое собственное место в мире науки.

Атом больше не неделим

Идеи греческих философов о структуре материи оставались верными в течение сотен лет, пока английский химик и школьный учитель по имени Джон Далтон (1776-1844) не опубликовал результаты своих экспериментов в 1808 году.

Дальтон согласился с тем, что элементы состоят из очень маленьких частиц, называемых атомами. Но он пошел дальше, заявив, что все атомы одного и того же элемента равны, имеют одинаковый размер, одинаковую массу и одинаковые химические свойства, что позволяет им оставаться неизменными во время химической реакции.

Это первая научно обоснованная модель атома. Как и греки, Дальтон по-прежнему считал атом неделимым, следовательно, лишенным структуры. Однако гений Далтона привел его к соблюдению одного из великих принципов сохранения физики:

• В химических реакциях атомы не создаются и не разрушаются, они только меняют свое распределение.

И он установил, каким образом химические соединения образуются из «составных атомов» (молекул):

• Когда два или более атомов разных элементов объединяются, чтобы сформировать одно и то же соединение, они всегда делают это в определенных и постоянных массовых пропорциях.

XIX век был великим веком электричества и магнетизма. Спустя несколько лет после публикаций Дальтона результаты некоторых экспериментов заставили ученых усомниться в неделимости атома.

Трубка Крукса

Трубка Крукса была устройством, разработанным британским химиком и метеорологом Уильямом Круксом (1832-1919). Эксперимент, который Крукс провел в 1875 году, заключался в помещении внутри трубки, заполненной газом под низким давлением, двух электродов, один из которых назывался катодом, а другой - анодом.

Установив разность потенциалов между двумя электродами, газ стал светиться цветом, характерным для используемого газа. Этот факт предполагал, что внутри атома существовала некая особая организация и, следовательно, она не была неделимой.

Кроме того, это излучение вызывало слабую флуоресценцию на стенке стеклянной трубки перед катодом, вырезая тень крестообразной метки, расположенной внутри трубки.

Это было загадочное излучение, известное как «катодные лучи», которое двигалось по прямой к аноду и было очень энергичным, способным вызывать механические эффекты, и которое отклонялось в сторону положительно заряженной пластины или также через магниты.

Открытие электрона

Излучение внутри трубки Крукса не могло быть волнами, так как оно несло отрицательный заряд. Джозеф Джон Томсон (1856 - 1940) придумал ответ в 1887 году, когда он обнаружил связь между зарядом и массой этого излучения и обнаружил, что она всегда одинакова: 1,76 x 10 ¹¹ Кл / кг, независимо от газа. заключенный в трубку или материал, используемый для изготовления катода.

Томсон назвал эти частицы корпускулами. Измеряя ее массу по отношению к ее электрическому заряду, он пришел к выводу, что каждая корпускула была значительно меньше атома. Поэтому он предположил, что они должны быть их частью, открыв тем самым электрон.

Британский ученый первым набросал графическую модель атома, нарисовав сферу со вставленными точками, которая из-за своей формы получила прозвище «сливовый пудинг». Но это открытие вызвало другие вопросы:

• Если материя нейтральна, а электрон имеет отрицательный заряд: где в атоме положительный заряд, нейтрализующий электроны?
• Если масса электрона меньше массы атома, то из чего состоит остальная часть атома?
• Почему полученные таким образом частицы всегда были электронами и никогда не были другого типа?

Эксперименты по резерфордскому рассеянию: атомное ядро ​​и протон

К 1898 году Резерфорд идентифицировал два типа излучения урана, которые он назвал альфа и бета.

Естественная радиоактивность была открыта Марией Кюри еще в 1896 году. Альфа-частицы имеют положительный заряд и представляют собой просто ядра гелия, но в то время концепция ядра еще не была известна. Резерфорд собирался это выяснить.

Один из экспериментов, проведенных Резерфордом в 1911 году в Манчестерском университете с помощью Ганса Гейгера, состоял в бомбардировке тонкой золотой фольги альфа-частицами, заряд которых положительный. Вокруг золотой фольги он поместил флуоресцентный экран, который позволял им визуализировать эффекты бомбардировки.

наблюдения

Изучая воздействие на флуоресцентный экран, Резерфорд и его помощники заметили, что:

1. Очень высокий процент альфа-частиц прошел через лист без заметных отклонений.
2. Некоторые отклонились под довольно крутыми углами
3. И очень немногие отскочили обратно

Эксперименты по резерфордскому рассеянию. Источник: .

Наблюдения 2 и 3 удивили исследователей и заставили их предположить, что человек, ответственный за рассеяние лучей, должен иметь положительный заряд и что в силу наблюдения номер 1 этот ответственный человек был намного меньше, чем у альфа-частиц. ,

Сам Резерфорд сказал об этом, что это было «… как если бы вы выпустили 15-дюймовый морской снаряд по листу бумаги, и снаряд отскочил назад и попал в вас». Это определенно нельзя объяснить моделью Томпсона.

Анализируя свои результаты с классической точки зрения, Резерфорд обнаружил существование атомного ядра, в котором сосредоточен положительный заряд атома, что придает ему нейтральность.

Резерфорд продолжил свои эксперименты по рассеянию. К 1918 году новой мишенью для альфа-частиц были атомы азота.

Таким образом он обнаружил ядра водорода и сразу понял, что единственное место, откуда эти ядра могут появиться, - это сам азот. Как могло случиться, что ядра водорода были частью азота?

Затем Резерфорд предположил, что ядро ​​водорода, элемента, которому уже был присвоен атомный номер 1, должно быть фундаментальной частицей. Он назвал его протоном, что в переводе с греческого означает «первый». Таким образом, открытие атомного ядра и протона принадлежит этому блестящему новозеландцу.

Постулаты модели атома Резерфорда

Новая модель сильно отличалась от Томпсона. Это были его постулаты:

• Атом содержит положительно заряженное ядро, которое, несмотря на очень маленькие размеры, содержит почти всю массу атома.
• Электроны вращаются вокруг ядра атома на больших расстояниях по круговым или эллиптическим орбитам.
• Суммарный заряд атома равен нулю, поскольку заряды электронов компенсируют положительный заряд, присутствующий в ядре.

Расчеты Резерфорда указали на ядро ​​сферической формы и радиусом всего ^10-15 м, причем значение радиуса атома было примерно в 100000 раз больше, поскольку ядра расположены сравнительно далеко друг от друга: порядка 10 ^-10 м.

Молодой Эрнест Резерфорд. Источник: Неизвестно, опубликовано в 1939 году в журнале Rutherford: биография и письма досточтимого лорда Резерфорда, О. М.

Это объясняет, почему большая часть альфа-частиц прошла через лист плавно или имела лишь очень небольшой прогиб.

В масштабе обычных объектов атом Резерфорда будет состоять из ядра размером с бейсбольный мяч, а радиус атома будет около 8 км. Следовательно, атом можно рассматривать почти все как пустое пространство.

Благодаря сходству с миниатюрной солнечной системой, она стала известна как «планетарная модель атома». Сила электростатического притяжения между ядром и электронами будет аналогична гравитационному притяжению между Солнцем и планетами.

Ограничения

Тем не менее, были определенные разногласия относительно некоторых наблюдаемых фактов:

• Если принять идею о том, что электрон вращается вокруг ядра, оказывается, что электрон должен непрерывно излучать излучение, пока не столкнется с ядром, с последующим разрушением атома менее чем за секунду. К счастью, на самом деле это не так.
• Кроме того, в определенных случаях атом испускает определенные частоты электромагнитного излучения, когда есть переходы между состоянием с более высокой энергией и состоянием с более низкой энергией, и только с этими частотами, а не с другими. Как объяснить тот факт, что энергия квантуется?

Несмотря на эти ограничения, поскольку сегодня существуют гораздо более сложные модели, соответствующие наблюдаемым фактам, атомная модель Резерфорда по-прежнему полезна для учащихся, чтобы иметь успешный первый подход к атому и составляющим его частицам.

В этой модели атома не появляется нейтрон, еще одна составляющая ядра, которая не была открыта до 1932 года.

Вскоре после того, как Резерфорд предложил свою модель планеты, в 1913 году датский физик Нильс Бор модифицировал ее, чтобы объяснить, почему атом не разрушается, и мы все еще здесь, чтобы рассказать эту историю.

Интересные статьи

Атомная модель Шредингера.

Атомная модель Де Бройля.

Атомная модель Чедвика.

Модель атома Гейзенберга.

Атомная модель Перрина.

Атомная модель Томсона.

Атомная модель Дирака Джордана.

Атомная модель Демокрита.

Атомная модель Бора.

Атомная модель Дальтона.

Ссылки

1. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон. 618-621.
2. Запата, Ф. 2007. Классные заметки кафедры радиобиологии и радиологической защиты. Школа общественного здравоохранения Центрального университета Венесуэлы.