Класическият модел на атома на Ръдърфорд. Експериментите на Ръдърфорд

Те станаха важна стъпка в развитието на физиката. Моделът на Ръдърфорд беше от голямо значение. Атомът като система и частиците, които го изграждат, бяха изследвани по-точно и подробно. Това доведе до успешното развитие на такава наука като ядрената физика.

Древни представи за структурата на материята

Предположението, че околните тела се състоят от малки частици, е направено още в древността. Мислителите от онова време си представят атома като най-малката и неделима частица от всяко вещество. Те твърдят, че във Вселената няма нищо по-малко по размер от атом. На такива възгледи са били великите древногръцки учени и философи – Демокрит, Лукреций, Епикур. Хипотезите на тези мислители днес са обединени под името "античен атомизъм".

Средновековни представления

Времената на древността отминаха, а през Средновековието също имаше учени, които направиха различни предположения за структурата на веществата. Но преобладаването на религиозно-философските възгледи и властта на църквата в този период от историята потушават в зародиш всякакви опити и стремежи на човешкия ум към материалистични научни заключения и открития. Както знаете, средновековната инквизиция се държеше много враждебно с представители на научния свят от онова време. Остава да се каже, че светлите умове от онова време имат идеята за неделимостта на атома, дошла от древността.

Изследвания от 18 и 19 век

18 век е белязан със сериозни открития в областта на елементарната структура на материята. До голяма степен благодарение на усилията на учени като Антоан Лавоазие, Михаил Ломоносов и Независимо един от друг, те успяха да докажат, че атомите наистина съществуват. Но въпросът за вътрешното им устройство остава открит. Краят на 18 век бе белязан от такова значимо събитие в научния свят като откриването от Д. И. Менделеев на периодичната система на химичните елементи. Това беше наистина мощен пробив за онова време и повдигна завесата на разбирането, че всички атоми имат една единствена природа, че са свързани помежду си. По-късно, през 19 век, друга важна стъпка към разгадаването на структурата на атома е доказателството, че всеки от тях съдържа електрон. Работата на учените през този период подготви плодородна почва за откритията на 20-ти век.

Експериментите на Томсън

Английският физик Джон Томсън доказва през 1897 г., че атомите съдържат електрони с отрицателен заряд. На този етап фалшивите идеи, че атомът е границата на делимост на всяко вещество, бяха напълно унищожени. Как Томсън успя да докаже съществуването на електрони? В експериментите си ученият поставя електроди в силно разредени газове и пропуска електрически ток. В резултат на това се появиха катодни лъчи. Томсън внимателно проучи характеристиките им и откри, че те са поток от заредени частици, които се движат с огромна скорост. Ученият успя да изчисли масата на тези частици и техния заряд. Той също така установи, че те не могат да бъдат превърнати в неутрални частици, тъй като електрическият заряд е в основата на тяхната природа. Така че Томсън е създател и на първия в света модел на структурата на атома. Според него атомът е сноп от положително заредена материя, в която отрицателно заредените електрони са равномерно разпределени. Тази структура обяснява общата неутралност на атомите, тъй като противоположните заряди се балансират взаимно. Експериментите на Джон Томсън станаха безценни за по-нататъшното изследване на структурата на атома. Много въпроси обаче останаха без отговор.

Изследванията на Ръдърфорд

Томсън открива съществуването на електрони, но не успява да открие положително заредени частици в атома. коригира това недоразумение през 1911 г. По време на експерименти, изучавайки активността на алфа частиците в газовете, той открива, че атомът съдържа частици, които са положително заредени. Ръдърфорд видя, че когато лъчите преминават през газ или през тънка метална пластина, малък брой частици рязко се отклоняват от траекторията на движение. Бяха буквално изхвърлени назад. Ученият предположи, че това поведение се обяснява със сблъсъци с положително заредени частици. Такива експерименти позволиха на физика да създаде модел на структурата на атома Ръдърфорд.

Планетарен модел

Сега идеите на учения бяха малко по-различни от предположенията, направени от Джон Томсън. Техните атомни модели също станаха различни. му позволи да създаде напълно нова теория в тази област. Откритията на учения са от решаващо значение за по-нататъшното развитие на физиката. Моделът на Ръдърфорд описва атом като имащ ядро, разположено в центъра, и електрони, движещи се около него. Ядрото има положителен заряд, а електроните – отрицателен. Моделът на атома на Ръдърфорд предполагаше въртенето на електроните около ядрото по определени траектории - орбити. Откритието на учения помогна да се обясни причината за отклонението на алфа-частиците и стана тласък за развитието на ядрената теория на атома. В модела на атома на Ръдърфорд има аналогия с движението на планетите от слънчевата система около слънцето. Това е много точно и ярко сравнение. Следователно моделът на Ръдърфорд, при който атомът се движи около ядрото по орбита, беше наречен планетарен.

Произведения на Нилс Бор

Две години по-късно датският физик Нилс Бор се опитва да съчетае идеите за структурата на атома с квантовите свойства на светлината. Ученият използва ядрения модел на атома на Ръдърфорд като основа за новата си теория. Според Бор атомите се въртят около ядрото по кръгови орбити. Тази траектория на движение води до ускоряване на електроните. В допълнение, кулоновото взаимодействие на тези частици с центъра на атома е придружено от създаването и изразходването на енергия за поддържане на пространственото електромагнитно поле, възникващо от движението на електрони. При такива условия отрицателно заредените частици трябва някой ден да паднат върху ядрото. Но това не се случва, което показва по-голямата стабилност на атомите като системи. Нилс Бор осъзнава, че законите на класическата термодинамика, описани от уравненията на Максуел, не работят във вътрешноатомни условия. Затова ученият си поставя задачата да изведе нови закони, които да са валидни в света на елементарните частици.

Постулатите на Бор

До голяма степен поради факта, че съществува моделът на Ръдърфорд, атомът и неговите компоненти са добре проучени, Нилс Бор успява да се доближи до създаването на своите постулати. Първият от тях гласи, че атомът има, в който не променя енергията си, докато електроните се движат по орбити, без да променят траекторията си. Според втория постулат, когато един електрон се движи от една орбита в друга, енергията се освобождава или поглъща. Тя е равна на разликата между енергиите на предишното и последващото състояние на атома. Освен това, ако един електрон скочи на орбита, по-близка до ядрото, тогава възниква радиация и обратно. Въпреки факта, че движението на електроните малко прилича на орбитална траектория, разположена строго в кръг, откритието на Бор направи възможно получаването на отлично обяснение за съществуването на линеен спектър.Приблизително по същото време физиците Херц и Франк, които живял в Германия, потвърди учението на Нилс Бор за съществуването на стационарни, стабилни състояния на атома и възможността за промяна на стойностите на атомната енергия.

Сътрудничество между двама учени

Между другото, Ръдърфорд дълго време не можеше да определи. Учените Марсдън и Гайгер се опитаха да проверят отново твърденията на Ърнест Ръдърфорд и в резултат на подробни и задълбочени експерименти и изчисления стигнаха до заключението, че ядрото е най- важна характеристика на атома и целият му заряд е концентриран в него. Впоследствие беше доказано, че стойността на ядрения заряд е числено равна на поредния номер на елемента в периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев. Интересното е, че Нилс Бор скоро се срещна с Ръдърфорд и напълно се съгласи с неговите възгледи. Впоследствие учените са работили дълго време заедно в една и съща лаборатория. Моделът на Ръдърфорд, атомът като система, състояща се от елементарни заредени частици - всичко това Нилс Бор смята за справедливо и оставя своя електронен модел настрана завинаги. Съвместната научна дейност на учените беше много успешна и даде плодове. Всеки от тях се задълбочава в изучаването на свойствата на елементарните частици и прави значими за науката открития. По-късно Ръдърфорд открива и доказва възможността за ядрено разлагане, но това е тема за друга статия.

Атомна структура

Единици за заряд, маса и енергия в атомната физика.

Така че зарядът на всяка частица винаги съдържа цяло число елементарни заряди. За частица с атомен размер това цяло число също ще бъде малко. С оглед на това в атомната физика е удобно да се вземе елементарен заряд e = 1,60 10-19 C като единица електрически заряд. В атомната физика единица маса се приема за 1/12 от масата на атом от въглеродния изотоп 12C. Атомната маса на този изотоп е 12, а моларната маса M = 12 10-3 kg/mol. Следователно единицата за атомна маса (a.m.u.) е равна на

Единицата за атомна маса може също да се дефинира като масата на атом на елемент с атомна маса 1. Следователно масата на атома (по-точно неговата средна стойност), изразена в единици за атомна маса, е равна на атомната маса на елемента.

Имайте предвид, че елемент с атомна маса, равна на единица, не съществува в природата. Атомната маса на водорода е близка до единица, но малко по-голяма: тя е равна на 1,008. И така, масата на най-лекия атом е 1,008 a. Яжте.

Единицата за енергия, приета в атомната физика, е енергията, придобита от частица със заряд e (например електрон) при преминаване през потенциална разлика от 1 V. Тази единица се нарича електронволт и се обозначава eV. Енергията, придобита от заряд по време на движение в електрическо поле, е равна на произведението на заряда и потенциалната разлика между началната и крайната точка на пътя, следователно
1 eV=1,6 10-19 C 1V=1,6 10-19J.
От определението за електронволт следва, че електрон, ускорен от потенциална разлика U [V], има енергия, числено равна на U [eV]. Йон със заряд 2e, преминавайки през същата потенциална разлика, придобива енергия 2U [eV] и т.н.

Енергията не само на заредени, но и на неутрални частици може да се измери в електронволти. Например, нека изразим в електронволти енергията на кислороден атом (m=16 amu), движещ се със скорост v=103 m/s:

Използват се и единици, кратни на електронволта:
1 keV=103 eV, 1 MeV=106 eV, 1 GeV=109 eV, 1 TeV=1012 eV.

Модел на Ръдърфорд-Бор на атома.

Цялата материя се състои от елементарни частици. Но материята не се състои директно от елементарни частици. Градивните елементи или елементите, от които е изградена цялата материя, са атомите. До 1912 г. учените представят атома като положително заредена топка, съдържаща отрицателно заредени електрони. Дизайнът, подобен на кекс с електронни стафиди, е предложен от съименниците на Thomsons, Джоузеф Джон и Уилям Лорд Келвин.

Като цяло положителните и отрицателните заряди в такъв атом са компенсирани и атомът е електрически неутрален. Предполага се, че цялата маса на атома е концентрирана в електрони. Тъй като електронът е много по-лек от атом, дори най-простите атоми трябва да съдържат хиляди електрони.

През 1909 г. Ръдърфорд възлага на младия тогава физик Марсдън да изследва разсейването на алфа лъчите, когато преминават през тънки метални пластини. Повечето елементарни частици претърпяха малки отклонения след преминаване през плочите. Марсдън обаче успя да открие много силно отклонени частици. Вярно, имаше много малко от тях, но беше изненадващо, че изобщо съществуваха. Разбира се, Марсдън може да си го е въобразил. За регистриране на алфа частици е използван спинтарископ - малък прозрачен екран, покрит със специално флуоресцентно вещество. Когато елементарна частица попадне на такъв екран, се получава слаба оран. Светкавицата е много малка и слаба. Наблюдава се под микроскоп. За да го забележи окото, човек трябва да свикне с тъмнината. За целта, преди да започне да работи, тоест да регистрира и брои проблясъци, той трябва да престои половин час в пълна тъмнина. Следователно е естествено да се предположи, че Марсдън може да е сбъркал.

Ръдърфорд моли Марсдън да повтори експериментите, но този път специално да наблюдава частиците, които са получили голямо отклонение до 90°.

Когато няколко дни по-късно Марсдън влезе в офиса на Ръдърфорд и каза: „има такива частици“, Ръдърфорд изпусна телефона изненадан. Ръдърфорд, въпреки че предложи на Марсдън да проведе тези експерименти, самият той не очакваше такъв резултат.

По-късно Ръдърфорд си спомня: " това беше най-невероятното събитие в живота ми. Беше почти толкова невероятно, колкото да стреляш с 15-инчов снаряд по лист тишу и снарядът да се върне и да те удари.".

Експериментите бяха проверени отново, но този път Гайгер се присъедини към експериментите. Явлението е експериментално изследвано и експерименталните материали са публикувани през същата година. Значението на резултатите обаче беше мистериозно. Атомът на Томсън не можеше да спре алфа частица, летяща с висока скорост.

През 1911 г. Ръдърфорд публикува статията си „Разсейването на алфа и бета частици от материята и структурата на атома“, в която предлага своя прочут планетарен модел на атома.

Малко, много масивно положително заредено ядро, от което алфа частицата отскочи в описаните експерименти, се намира в центъра на атома на Ръдърфорд. Леките отрицателно заредени електрони се въртят около ядрото. По-голямата част от пространството вътре в атома е изпълнено с празнота. Като цяло моделът е много подобен на нашата Слънчева система.

За голямо съжаление на Ръдърфорд, статията беше посрещната с мълчание. Ръдърфорд, разбира се, разбираше защо. Неговият атом беше краткотраен. Електронът, който се върти около ядрото, трябва да излъчва електромагнитни вълни и в резултат на това да губи енергия. В същото време скоростта му ще трябва да се забави и ще трябва да падне върху ядрото. Опитът обаче показва, че почти всички атоми в природата са стабилни.

Нилс Бор коригира ситуацията.

Теорията на Бор

Постулатите на Бор са подобни по природа на законите на Кеплер, които също са три. И двете са предполагаеми модели, получени въз основа на експериментални факти. Може би беше още по-трудно за Кеплер. Как, например, може да се стигне до резултата, който (формула)? Едва след като Нютон формулира законите на механиката, законите на Кеплер станаха възможни за обяснение.

Основният недостатък в модела на Ръдърфорд е, че електрон, движещ се в кръгова орбита около ядро, трябва да излъчва електромагнитни вълни, но доказателствата сочат, че не е така. Учените, включително Ръдърфорд, не можаха да обяснят това противоречие. Бор също не можеше да направи това. Той просто застана на страната на фактите: след като електроните не излъчват, значи така трябва да бъде. Така се появява първият постулат. Общо, както вече казахме, те са три.

Постулатите на Бор

1. Електроните се движат в атом в стационарни орбити, докато не излъчват или поглъщат енергия.

2. Стационарни орбити ще бъдат тези, за които ъгловият импулс на електрона мвре равно на цяло число, кратно.

, където k = 1, 2, 3, 4...

3. Когато се движи от една орбита в друга, електронът излъчва или поглъща енергия под формата на фотон.

Намирайки се в по-отдалечени орбити, електронът има повече енергия, следователно, премествайки се в орбита, по-близо до ядрото, той излъчва един фотон с енергията

Когато един атом абсорбира фотон, електронът може да се издигне на по-високо ниво.

Размери на водороден атом

Електронът, който се върти около ядрото, изпитва сила на привличане на Кулон към него:

където е зарядът на атомното ядро ​​с атомен номер Z.

Тази сила, в съответствие с втория закон на Нютон, трябва да бъде равна, следователно: или .

Вторият постулат на Бор ни казва, че радиусът на орбитата не може да бъде произволен, а трябва да се подчинява на уравнението:

където ще обозначим k-тата стационарна орбита. От тук получаваме

.

Получихме радиуса на k-тата стационарна орбита на атом с пореден номер Z. За водород Z=1. Нека намерим радиуса на първата (k = 1) най-вътрешна орбита, в която електронът има минимално количество енергия.

Следователно диаметърът на водородния атом е приблизително , което е в добро съответствие с експерименталните данни.

Нека намерим енергията на електрона в k-та орбита.

Енергията му се състои от кинетичната енергия на движение в орбита и потенциалната електростатична енергия на взаимодействие с ядрото.

>> Строеж на атома. Експериментите на Ръдърфорд

Глава 12. АТОМНА ФИЗИКА

Откриването на сложната структура на атома е най-важният етап в развитието на съвременната физика, който остави своя отпечатък върху цялото й по-нататъшно развитие. В процеса на създаване на количествена теория за структурата на атома, която направи възможно обяснението на атомните спектри, бяха открити нови закони на движение на микрочастиците - законите на квантовата механика.

§ 93 СТРОЙ НА АТОМА. ОПИТИ НА РЪДЪРФОРД

Моделът на Томсън.Учените не стигнаха веднага до правилните идеи за структурата на атома. Първият модел на атома е предложен от английския физик Дж. Дж. Томсън, който открива електрона. Според Томсън положителният заряд на атома заема целия обем на атома и се разпределя в този обем с постоянна плътност. Най-простият атом - водородният атом - е положително заредена топка с радиус около 10 -8 cm, вътре в която има електрон. По-сложните атоми имат няколко електрона в положително заредена топка, така че атомът е като кексче, в което електроните действат като стафиди.

Моделът на атома на Томсън обаче се оказа в пълно противоречие с вече известните по това време свойства на атома, основното от които беше стабилността.

Експериментите на Ръдърфорд.Масата на електроните е няколко хиляди пъти по-малка от масата на атомите. Тъй като атомът като цяло е неутрален, следователно по-голямата част от масата на атома е в неговата положително заредена част.

За експериментално изследване на разпределението на положителния заряд и следователно на масата в атома, Ърнест Ръдърфорд предложи през 1906 г. да се използва изследване на атома с помощта на -частици. Тези частици възникват от разпада на радий и някои други елементи. Тяхната маса е приблизително 8000 пъти по-голяма от масата на електрона, а положителният им заряд е равен по големина на два пъти заряда на електрона. Това не са нищо повече от напълно йонизирани хелиеви атоми. Скоростта на -частиците е много висока: тя е 1/15 от скоростта на светлината.

Ръдърфорд бомбардира атомите на тежките елементи с тези частици. Поради ниската си маса електроните не могат забележимо да променят траекторията на частица, точно както камъче с тегло няколко десетки грама при сблъсък с кола не може значително да промени скоростта си.

Ръдърфорд Ърнест (1871 - 1937)- велик английски физик, роден в Нова Зеландия. С експерименталните си открития той поставя основите на съвременното учение за строежа на атома и радиоактивността. Той е първият, който изследва състава на радиоактивните вещества. Той откри атомното ядро ​​и за първи път извърши изкуствена трансформация на атомни ядра. Всички експерименти, които той проведе, бяха от фундаментален характер и се отличаваха с изключителна простота и яснота.

Разсейването (промяната в посоката на движение) на -частиците може да бъде причинено само от положително заредената част на атома. По този начин от разсейването на -частиците е възможно да се определи естеството на разпределението на положителния заряд и масата вътре в атома. Схемата на експериментите на Ръдърфорд е показана на фигура 12.1.

Радиоактивно лекарство, като радий, беше поставено в оловен цилиндър l, по протежение на който беше пробит тесен канал. Лъч от частици от канала падна върху тънко фолио 2, направено от изследвания материал (злато, мед и др.). След разпръскване, частиците падат върху полупрозрачен екран 3, покрит с цинков сулфид. Сблъсъкът на всяка частица с екрана беше придружен от проблясък на светлина (сцинтилация), който можеше да се наблюдава през микроскоп 4. Цялото устройство беше поставено в съд, от който беше евакуиран въздухът.

При добър вакуум вътре в устройството и при липса на фолио, на екрана се появява светъл кръг, състоящ се от сцинтилации, причинени от тънък сноп частици. Но когато фолиото беше поставено на пътя на лъча, частиците, поради разсейване, бяха разпределени върху екрана върху кръг с по-голяма площ.

Чрез модифициране на експерименталната настройка Ръдърфорд се опита да открие отклонението на β-частиците под големи ъгли. За да направи това, той обгражда фолиото със сцинтилационни екрани и определя броя на проблясъците на всеки екран. Съвсем неочаквано се оказа, че малък брой -частици (около една на две хиляди) се отклоняват под ъгли, по-големи от 90°. По-късно Ръдърфорд признава, че след като е предложил на учениците си да проведат експеримент за наблюдение на разсейването на β-частици под големи ъгли, той самият не е вярвал в положителен резултат. „Това е почти толкова невероятно“, каза Ръдърфорд, „като ако стреляте с 15-инчов снаряд по парче хартия и снарядът се върне и ви удари.“

Всъщност беше невъзможно да се предвиди този резултат въз основа на модела на Томсън. Когато е разпределен в атома, положителният заряд не може да създаде достатъчно силно електрическо поле, за да изхвърли частицата обратно. Максималната сила на отблъскване може да се определи от закона на Кулон:

където q е зарядът на частицата; q е положителният заряд на атома; R е неговият радиус; k - коефициент на пропорционалност. Напрегнатостта на електрическото поле на еднакво заредена топка е максимална на повърхността на топката и намалява до нула, когато се приближи до центъра. Следователно, колкото по-малък е радиусът R, толкова по-голяма е силата, която отблъсква частиците.

Определяне на размера на атомното ядро.Ръдърфордразбра, че -частицата може да бъде изхвърлена обратно само ако положителният заряд на атома и неговата маса са концентрирани в много малка област от пространството. Така Ръдърфорд стига до идеята за съществуването на атомно ядро ​​- малко тяло, в което са концентрирани почти цялата маса и целият положителен заряд на атома.

Фигура 12.2 показва траекториите на алфа частици, летящи на различни разстояния от ядрото.

Като преброи броя на -частиците, разпръснати под различни ъгли, Ръдърфорд успя да оцени размера на ядрото. Оказа се, че ядрото има диаметър от порядъка на 10 -12 -10 -13 cm (диаметрите са различни за различните ядра). Размерът на самия атом е 10 -8 cm, т.е. 10-100 хиляди пъти по-голям от размера на ядрото. Впоследствие беше възможно да се определи зарядът на ядрото. При условие, че зарядът на електрона се приеме за единица, зарядът на ядрото е точно равен на номера на даден химичен елемент в периодичната таблица на Д. И. Менделеев.

Планетарен модел на атома.Въз основа на експериментите си Ръдърфорд създава планетарен модел на атома. В центъра на атома има положително заредено ядро, в което е концентрирана почти цялата маса на атома. Като цяло атомът е неутрален. Следователно броят на вътрешноатомните електрони, подобно на заряда на ядрото, е равен на атомния номер на елемента в периодичната таблица. Ясно е, че електроните не могат да бъдат в покой вътре в атома, тъй като биха паднали върху ядрото. Те се движат около ядрото, точно както планетите обикалят около Слънцето. Този характер на движението на електроните се определя от действието на силите на привличане на Кулон от ядрото.

Във водородния атом само един електрон обикаля около ядрото. Ядрото на водороден атом има положителен заряд, равен по големина на заряда на електрона, и маса приблизително 1836,1 пъти по-голяма от масата на електрона. Това ядро ​​се нарича протон и започва да се разглежда като елементарна частица. Размерът на водородния атом е радиусът на орбитата на неговия електрон (фиг. 12.3).

Един прост и визуален планетарен модел на атома има пряка експериментална основа. Изглежда абсолютно необходимо да се обяснят експериментите върху разсейването на -частици. Но въз основа на този модел е невъзможно да се обясни фактът на съществуването на атома, неговата стабилност. В края на краищата движението на електрони в орбити става с ускорение и доста значително. Според законите на Максуел за електродинамика ускоряващият заряд трябва да излъчва електромагнитни вълни с честота, равна на честотата на неговото въртене около ядрото. Радиацията е придружена от загуба на енергия. Губейки енергия, електроните трябва да се приближат до ядрото, точно както сателитът се приближава до Земята при спиране в горните слоеве на атмосферата. Както показват строги изчисления, базирани на механиката на Нютон и електродинамиката на Максуел, един електрон трябва да падне върху ядрото за пренебрежимо кратко време (около 10-8 s). Атомът трябва да престане да съществува.

В действителност нищо подобно не се случва. Атомите са стабилни и в невъзбудено състояние могат да съществуват неограничено време, без изобщо да излъчват електромагнитни вълни.

Заключението, което не е в съответствие с опита, за неизбежната смърт на атома поради загуба на енергия чрез радиация, е резултат от прилагането на законите на класическата физика към явленията, случващи се вътре в атома. От това следва, че законите на класическата физика не са приложими към подобни явления.

Ръдърфорд създава планетарен модел на атома: електроните обикалят около ядрото, точно както планетите обикалят около Слънцето. Този модел е прост, обоснован експериментално, но не обяснява стабилността на обема.

1. Защо отрицателно заредените частици на атома нямат забележим ефект върху разсейването на -частиците!

2. Защо не биха могли -частиците да се разпръснат под големи ъгли, ако положителният заряд на атома е разпределен в целия му обем!

3. Защо планетарният модел на атома не е в съгласие със законите на класическата физика!

Мякишев Г. Я., Физика. 11 клас: учебен. за общо образование институции: основни и профилни. нива / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; редактиран от В. И. Николаева, Н. А. Парфентиева. - 17-то изд., преработено. и допълнителни - М.: Образование, 2008. - 399 с.: ил.

Сборник конспекти от уроци по физика изтегляне, календарно и тематично планиране, учебници по всички предмети онлайн

Съдържание на урока бележки към уроцитеподдържаща рамка презентация урок методи ускорение интерактивни технологии Практикувайте задачи и упражнения самопроверка работилници, обучения, казуси, куестове домашна работа въпроси за дискусия риторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картинки, графики, таблици, диаграми, хумор, анекдоти, вицове, комикси, притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии трикове за любознателните ясли учебници основен и допълнителен речник на термините други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебник, елементи на иновация в урока, замяна на остарели знания с нови Само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината методически препоръки дискусионни програми Интегрирани уроци

Темата на този урок е „Модели на атоми. Опитът на Ръдърфорд." На него ще научим как учените са изследвали сложната структура на атомите, как са намерили обяснение на тази теория, къде се прилагат получените знания днес. Ще разгледаме също как експериментът на Ръдърфорд може да се използва за изследване на модела на атома.

В предишния урок обсъдихме, че радиоактивността произвежда различни видове радиация: a-, b- и g-лъчи. Появи се инструмент, с който беше възможно да се изследва структурата на атома.

След като стана ясно, че атомът също има сложна структура, по някакъв начин е устроен по специален начин, беше необходимо да се изследва самата структура на атома, да се обясни как е устроен, от какво се състои. И така учените започнаха това изследване.

Бяха изразени първите идеи за сложната структура Томсън, който открива електрона през 1897 г. През 1903 г. Томсън за първи път предлага модел на атома. Според теорията на Томсън атомът е топка с положителен заряд, „размазан“ по целия му обем. А вътре, като плаващи елементи, имаше електрони. Като цяло, според Томсън, атомът е електрически неутрален, тоест зарядът на такъв атом е равен на 0. Отрицателните заряди на електроните компенсират положителния заряд на самия атом. Размерът на атома беше приблизително 10 -10 м. Моделът на Томсън беше наречен "пудинг със стафиди": самият "пудинг" е положително зареденото "тяло" на атома, а "стафидите" са електроните (фиг. 1 ).

Ориз. 1. Моделът на Томсън на атома („пудинг със стафиди“)

Проведен е първият надежден експеримент за определяне на структурата на атома Е. Ръдърфорд. Днес знаем със сигурност, че атомът е структура, напомняща планетарна слънчева система. В центъра е масивно тяло, около което се въртят планетите. Този модел на атома се нарича планетарен модел.

Нека се обърнем към експерименталната диаграма на Ръдърфорд (фиг. 2) и да обсъдим резултатите, довели до създаването на планетарния модел.

Ориз. 2. Схема на експеримента на Ръдърфорд

Радият беше поставен в оловен цилиндър с тесен отвор. С помощта на диафрагма се създава тесен лъч от а-частици, който, летейки през отвора на диафрагмата, удря екран, покрит със специален състав; при удар се получава микросветкавица. Това сияние, когато частици ударят екрана, се нарича „сцинтилационна светкавица“. Такива проблясъци се наблюдават на повърхността на екрана с помощта на микроскоп. Впоследствие, докато във веригата нямаше златна пластина, всички частици, които излетяха от цилиндъра, удряха една точка. Когато много тънка златна пластина беше поставена вътре в екрана по пътя на летящите а-частици, започнаха да се наблюдават напълно неразбираеми неща. Веднага след като златната плоча беше поставена, а-частиците започнаха да се отклоняват. Бяха забелязани частици, които се отклониха от първоначалното си линейно движение и вече се озоваха в напълно различни точки на този екран.

Освен това, когато екранът беше почти затворен, се оказа, че има частици, които някак си летяха в обратната посока. Те се отклоняват под ъгъл от 90° или повече. Тези наблюдения бяха анализирани от Ръдърфорд и се появи следното доста интересно нещо.

Първо, теорията на Томсън се провали тук. Според теорията на Томсън атомът е топка с размери 10 -10 m, в която положителният заряд е размазан и има електрон. И така, електроните са много малки частици; те не могат да пречат на а-частиците, летящи с прилична скорост. Скоростта на a-частиците в този случай е била около 10 000 km/s.

Представете си ситуация, в която камион се сблъсква с кола играчка. Ясно е, че камионът дори няма да забележи такава кола. Можем да дадем това като аналогия на сблъсъка на електрон с a-частица. Това означава, че е било необходимо да се заключи, че атомът е структуриран по различен начин, а не както твърди Томсън. И, очевидно, в атома на златото има обект, по-масивен от а-частицата, който има положителен заряд.

Нека да разгледаме друга картина, която характеризира разсейването на а-частиците върху тази масивна частица, чието присъствие Ръдърфорд предсказа в атома (фиг. 3).

Ориз. 3. Разсейване на алфа частициВъз основа на резултатите от експериментите може да се каже, че в атома има масивен положително зареден обект. Една a-частица, която се сблъсква с тази голяма частица, може да бъде отразена обратно. Тези частици, които летят наблизо, се отклоняват под различни ъгли. Колкото по-далеч една a-частица лети от този обект, толкова по-малък е ъгълът, под който се отклонява. Това явление се нарича " разсейване на а-частици».

Ръдърфорд нарича голямата частица, която е вътре в атома, ядро. И дори оцени размера му. Според Ръдърфорд размерът на ядрото е 10 -14 -10 -15 м. Този обект е много, много малък по размер в сравнение с атом. Атомът има размер от порядъка на 10 -10 м. Освен това почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото. И именно около ядрото се въртят електроните.

това предполага планетарен моделРъдърфорд, който гласи, че атомът е масивно положително заредено ядро, около което се въртят електрони в своите орбити (фиг. 4). Като цяло атомът е електрически неутрален, тоест зарядът на атома е нула. Ако един атом има излишък или дефицит на електрони, той се нарича йон.

Ориз. 4. Планетарен модел на атома

Разбира се, имаше и други интересни теории. Днес общоприетият, с някои резерви, които ще обсъдим по-късно, е планетарният модел на атома, предложен от Ърнест Ръдърфорд.

Библиография

1. Bronstein M.P. Атоми и електрони. “Библиотека “Квант””. Vol. 1. - М.: Наука, 1980.
2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник за 9 клас на СОУ. - М.: „Просвещение“.
3. Китайгородски А.И. Физика за всеки. Фотони и ядра. Книга 4. - М.: Наука.
4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантова физика. 11. клас: учебник за задълбочено изучаване на физика. - М.: Дропла.
5. Нютон I. Математически принципи на естествената философия. - М.: Наука, 1989.
6. Ръдърфорд Е. Избрани научни трудове. Радиоактивност. - М.: Наука.
7. Ръдърфорд Е. Избрани научни трудове. Строежът на атома и изкуствената трансформация на елементите. - М.: Наука.
8. Айнщайн А., Инфелд Л. Еволюция на физиката. Развитие на идеи от първоначалните концепции до теорията на относителността и квантовата теория. - М.: Наука, 1965.