Planetární model atomu: Rutherfordova zkušenost

Planetární model atomu navrhl E. Rutherford v roce 1910. První studie o struktuře atomu byla provedena pomocí alfa částic. Na základě výsledků získaných v experimentech na jejich rozptylu, Rutherford navrhl, že celý pozitivní náboj atomu je soustředěn v malém jádru v jeho středu. Na druhé straně jsou negativně nabité elektrony distribuovány do zbytku svého objemu.

Trochu pozadí

První brilantní domněnku o existenci atomů vytvořil starověký řecký vědec Democritus. Od té doby myšlenka existence atomů, jejichž kombinace dává všechny látky kolem nás, nezanechala imaginaci vědců. Čas od času se jí zabývali jeho různí zástupci, ale až do počátku 19. století byly jejich konstrukce pouze hypotézami, které nejsou podporovány experimentálními daty.

Konečně, v roce 1804, více než sto let před vznikem planetárního modelu atomu, anglický vědec John Dalton předložil důkazy o své existenci a představil pojem atomové hmotnosti, který byl jeho první kvantitativní charakteristikou. Stejně jako jeho předchůdci zastupoval atomy v nejmenších částech hmoty, jako pevné koule, které nemohly být rozděleny na ještě menší částice.

Elektronický objev a první model atomu

Uplynulo téměř sto let, kdy konečně koncem 19. století objevil také Angličan JJ Thomson první subatomové částice, záporně nabité elektrony. Protože atomy jsou elektricky neutrální, Thomson si myslel, že by se měly skládat z kladně nabitého jádra s elektrony rozptýlenými po celém objemu. Na základě různých experimentálně získaných výsledků navrhl v roce 1898 svůj vlastní model atomu, někdy nazvaný "švestky v pudingu", protože atom v něm byl reprezentován jako koule plná nějaké kladně nabité tekutiny, ve které byly elektrony vloženy jako "švestky" v pudingu. " Poloměr takového kulového modelu byl asi 10 - ⁸ cm. Celkový kladný náboj kapaliny je symetricky a rovnoměrně vyvážen negativní elektronové poplatky, jak je znázorněno na obrázku níže.

Tento model uspokojivě vysvětlil skutečnost, že když se látka zahřívá, začne vydávat světlo. Ačkoli to byl první pokus pochopit, co je atom, nemohl uspokojit výsledky experimentů prováděných později Rutherfordem a dalšími. Thomson v roce 1911 souhlasil s tím, že jeho model jednoduše nedokáže odpovědět, jak a proč se vyskytuje rozptyl paprsku v experimentu. Proto byla opuštěna a nahradil ji dokonalý planetární model atomu.

Jak je atom totéž?

Ernest Rutherford vysvětlil fenomén radioaktivity, který mu přinesl Nobelovu cenu, ale jeho nejvýznamnější příspěvek k vědě byl učiněn později, když zjistil, že atom se skládá z hustého jádra obklopeného elektronovými oběžnými dráhami, stejně jako Slunce obklopuje oběžné dráhy planet.

Podle planetárního modelu atomu je většina jeho hmoty soustředěna v malém (v porovnání s velikostí celého atomu) jádra. Elektrony se pohybují kolem jádra, cestují neuvěřitelnou rychlostí, ale většina objemu atomů je prázdný prostor.

Velikost jádra je tak malá, že jeho průměr je 100 000krát menší než průměr atomu. Rutherford odhadl průměr jádra jako 10 - ¹³ cm, na rozdíl od velikosti atomu - 10-8 cm. Mimo jádra se kolem něj otáčí elektrony vysokou rychlostí, což vede k odstředivým silám, které vyrovnávají elektrostatické síly přitahování mezi protony a elektrony.

Rutherfordovy zkušenosti

Planetární model atomu vznikl v roce 1911, po známém experimentu se zlatou fólií, což nám umožnilo získat základní informace o jeho struktuře. Rutherfordova cesta k objevu atomového jádra je dobrým příkladem role tvořivosti ve vědě. Jeho hledání začalo v roce 1899, kdy zjistil, že některé prvky vyzařují kladně nabité částice, které mohou proniknout do čehokoliv. Tyto částice nazval alfa (α) (nyní víme, že jsou to jádra helia). Stejně jako všichni dobří vědci byl Rutherford zvědavý. Přemýšlel, jestli by mohly být částice alfa použity k zjištění struktury atomu. Rutherford se rozhodl zaměřit paprsek alfa částic na list velmi tenké zlaté fólie. Vybral si zlato, protože může být použit k výrobě plechů až o 0,004 cm. U listu zlaté fólie položil obrazovku, která svítila, když se jí objevily částice alfa. Byl použit k detekci alfa částic poté, co prošli folií. Malá štěrbina na obrazovce umožnila, aby paprsek alfa částic dosáhl fólie po opuštění zdroje. Některé z nich by měly projít fólií a pokračovat v pohybu stejným směrem, druhá část by se měla odrazit od fólie a odrážet se v ostrých úhlech. Schéma experimentu vidíte na následujícím obrázku.

Co se stalo v zážitku Rutherforda?

Na základě JJ Thomsonova modelu atomu navrhl Rutherford, že oblasti s pevným pozitivním nábojem vyplňujícím celý objem atomů zlata by odklonily nebo ohýbaly trajektorie všech alfa částic při procházení fólií.

Avšak drtivá většina alfa částic prošla přes zlatou fólii, jako by neexistovala. Zdálo se, že projíždějí prázdným prostorem. Pouze několik se odchyluje od rovné cesty, jak se předpokládalo na začátku. Níže je graf počtu částic rozptýlených v odpovídajícím směru na úhlu rozptylu.

Překvapivě se z fólie vrátilo malé množství částeček, když se basketbal odrazil od štítu. Rutherford si uvědomil, že tyto odchylky jsou výsledkem přímého srážky mezi alfa částicemi a kladně nabitými složkami atomu.

Jádro je ústřední

Na základě nevýznamného procenta alfa částic odrážejících se z fólie lze usoudit, že celý kladný náboj a téměř celá hmotnost atomu jsou koncentrovány na malé ploše a zbytek atomu je většinou prázdný prostor. Rutherford nazval oblast koncentrovaného kladného nabití jádra. Předpověděl a brzy zjistil, že obsahuje pozitivně nabité částice, které nazval protony. Rutherford předpověděl existenci neutrálních atomových částic nazývaných neutrony, ale nedokázal je odhalit. Nicméně jeho student James Chadwick je objevil o několik let později. Níže uvedený obrázek ukazuje strukturu jádra atomu uranu.

Atomy se skládají z kladně nabitých těžkých jader, obklopených záporně nabitými extrémně lehkými částicemi elektronů, které se kolem nich otáčejí, a takovou rychlostí, že mechanické odstředivé síly jednoduše vyváží elektrostatickou přitažlivost k jádru a v této souvislosti je údajně zajištěna stabilita atomu.

Nevýhody tohoto modelu

Hlavní myšlenka Rutherforda patřila k myšlence malého atomového jádra. Předpoklad elektronových oběžných drah byl čistě hypotézou. Nevěděl přesně, kde a jak se elektrony otáčí kolem jádra. Proto planetární model Rutherfordu nevysvětluje distribuci elektronů v oběžných dráhách.

Hlavní myšlenka Rutherforda patřila k myšlence malého atomového jádra. Předpoklad elektronových oběžných drah byl čistě hypotézou. Nevěděl přesně, kde a jak se elektrony otáčí kolem jádra. Proto planetární model Rutherfordu nevysvětluje distribuci elektronů v oběžných dráhách.

Navíc byla stabilita atomu Rutherforda možná pouze s plynulým pohybem elektronů v oběžných drahách bez ztráty kinetické energie. Elektrodynamické výpočty však ukázaly, že pohyb elektronů podél libovolných křivočarých trajektorií, doprovázený změnou ve směru vektoru rychlosti a vznikem odpovídajícího zrychlení, je nevyhnutelně doprovázen emisí elektromagnetické energie. Současně podle zákona o ochraně energii, kinetickou energii Elektron musí být velmi rychle spotřebován na záření a musí spadat na jádro, jak je schematicky znázorněno na obrázku níže. Ale to se nestane, protože atomy jsou stabilní formace. Typický vědecký rozpor vznikl mezi modelem tohoto fenoménu a experimentálními daty.

Od Rutherforda po Niels Bohr

Dalším významným krokem v historii atomů došlo v roce 1913, kdy dánský vědec Niels Bohr zveřejnil popis podrobnějšího modelu atomu. Jasněji definovala místa, kde mohou být lokalizovány elektrony. Ačkoli pozdější vědci vybudují více rafinované atomové struktury, ale planetární model atomu Bohr byl v zásadě správný a hodně z toho je stále přijato. Mělo mnoho užitečných aplikací, například s jeho pomocí vysvětlovalo vlastnosti různých chemických prvků, povahu jejich spektra záření a strukturu atomu. Planétový model a model Bohr byly nejdůležitějšími milníky, které označovaly vznik nového směru ve fyzice - fyziku mikrosvěta. Bohr získal Nobelovu cenu za fyziku z roku 1922 za svůj příspěvek k pochopení struktury atomu.

Co přinesl nový Bohr atomovému modelu?

Zatímco byl ještě mladý muž, pracoval v laboratoři Rutherford v Anglii. Protože koncept elektronů byl v modelu Rutherforda špatně vyvinutý, Bohr se na ně zaměřil. V důsledku toho byl planetový model atomu podstatně rafinován. Bohr postuluje, který formuloval ve svém článku "O struktuře atomů a molekul", který vyšel v roce 1913, uvádí:

1. Elektrony se mohou pohybovat kolem jádra pouze v pevných vzdálenostech od jádra, které jsou určeny množstvím energie, kterou mají. Volal tyto pevné úrovně energetických hladin nebo elektronové skořápky. Bohr je zastupoval ve formě soustředných koulí s jádrem v centru každého z nich. V tomto případě budou elektrony s nižší energií nalezeny na nižších úrovních, blíže k jádru. Ti z nich, kteří mají větší energii, budou nalezeni na vyšších úrovních, dále od jádra.

2. Pokud elektron prohlubuje určitou část energie (poměrně specifická pro danou úroveň), pak se přeskočí na další vyšší energetickou úroveň. Naopak, pokud ztratí stejné množství energie, vrátí se zpět na původní úroveň. Elektron však nemůže existovat ve dvou energetických úrovních.

Tento nápad je ilustrován obrázkem.

Energetické části pro elektrony

Bohrův atomový model je ve skutečnosti kombinací dvou různých myšlenek: atomový model Rutherford s elektrony, které se točí kolem jádra (ve skutečnosti je to planetární model atomu Bohr - Rutherford) a myšlenka německého vědce Max Planck o kvantizování energie hmoty publikované v roce 1901. Kvantová (v množném čísle, kvantová) je minimální množství energie, které může látka absorbovat nebo vyzařovat. Je to určitý krok odběru množství energie.

Pokud srovnáváte energii s vodou a chcete ji přidat do hmoty ve formě sklenice, nemůžete jen nalít vodu v kontinuálním proudu. Místo toho jej můžete přidat v malých množstvích, například v čajové lžičce. Bohr věřil, že jestliže elektrony mohou absorbovat nebo ztrácet jen pevné množství energie, měly by měnit svou energii pouze v těchto pevných množstvích. Tak mohou pouze obsadit fixní energetických úrovní kolem jádra, které odpovídají kvantizovaným přírůstkům jejich energie.

Proto kvantový přístup k vysvětlení toho, co tvoří atomovou strukturu, vychází z modelu Bohr. Planetární model a Bohrův model byly zvláštní kroky od klasické fyziky k kvantové fyzice, která je hlavním nástrojem ve fyzice microworld, včetně atomové fyziky.