Rutherfordov klasični model atoma. Rutherfordovi eksperimenti

Oni su postali važan korak u razvoju fizike. Rutherfordov model je bio od velike važnosti. Atom kao sistem i čestice koje ga čine proučavani su preciznije i detaljnije. To je dovelo do uspješnog razvoja takve nauke kao što je nuklearna fizika.

Drevne ideje o strukturi materije

Pretpostavka da se okolna tijela sastoje od sićušnih čestica nastala je još u antičko doba. Mislioci tog vremena zamišljali su atom kao najmanju i nedjeljivu česticu bilo koje supstance. Tvrdili su da u svemiru ne postoji ništa manjeg od atoma. Takva su gledišta imali veliki starogrčki naučnici i filozofi - Demokrit, Lukrecije, Epikur. Hipoteze ovih mislilaca danas su objedinjene pod nazivom "drevni atomizam".

Srednjovjekovne predstave

Prošla su vremena antike, a u srednjem vijeku bilo je i naučnika koji su iznosili različite pretpostavke o strukturi supstanci. Međutim, prevlast religiozno-filozofskih pogleda i moć crkve u tom periodu istorije ugušili su u korenu sve pokušaje i težnje ljudskog uma ka materijalističkim naučnim zaključcima i otkrićima. Kao što znate, srednjovjekovna inkvizicija se ponašala vrlo neprijateljski prema predstavnicima naučnog svijeta tog vremena. Ostaje da se kaže da su bistri umovi tog vremena imali ideju o nedjeljivosti atoma, koja je došla od antike.

Studije 18. i 19. vijeka

18. vijek obilježila su ozbiljna otkrića u oblasti elementarne strukture materije. U velikoj mjeri zahvaljujući naporima naučnika poput Antoinea Lavoisiera, Mihaila Lomonosova i nezavisno jedan od drugog, uspjeli su dokazati da atomi zaista postoje. Ali pitanje njihove unutrašnje strukture ostalo je otvoreno. Kraj 18. stoljeća obilježen je tako značajnim događajem u naučnom svijetu kao što je D. I. Mendeljejev otkrio periodični sistem hemijskih elemenata. Ovo je bio istinski snažan proboj tog vremena i podigao je zavjesu oko razumijevanja da svi atomi imaju jedinstvenu prirodu, da su međusobno povezani. Kasnije, u 19. veku, još jedan važan korak ka otkrivanju strukture atoma bio je dokaz da bilo koji od njih sadrži elektron. Rad naučnika u ovom periodu pripremio je plodno tlo za otkrića 20. veka.

Thomsonovi eksperimenti

Engleski fizičar John Thomson dokazao je 1897. da atomi sadrže elektrone s negativnim nabojem. U ovoj fazi potpuno su uništene lažne ideje da je atom granica djeljivosti bilo koje supstance. Kako je Thomson uspio dokazati postojanje elektrona? U svojim eksperimentima, naučnik je postavljao elektrode u visoko razrijeđene plinove i propuštao električnu struju. Kao rezultat toga, pojavile su se katodne zrake. Thomson je pažljivo proučavao njihove karakteristike i otkrio da su to tok nabijenih čestica koje se kreću ogromnom brzinom. Naučnik je mogao izračunati masu ovih čestica i njihov naboj. Također je otkrio da se ne mogu pretvoriti u neutralne čestice, jer je električni naboj osnova njihove prirode. Tako je Thomson bio i tvorac prvog svjetskog modela strukture atoma. Prema njemu, atom je gomila pozitivno nabijene materije u kojoj su negativno nabijeni elektroni ravnomjerno raspoređeni. Ova struktura objašnjava opštu neutralnost atoma, budući da suprotni naboji međusobno balansiraju. Eksperimenti Džona Tomsona postali su neprocenjivi za dalje proučavanje strukture atoma. Međutim, mnoga pitanja su ostala bez odgovora.

Rutherfordovo istraživanje

Thomson je otkrio postojanje elektrona, ali nije uspio pronaći pozitivno nabijene čestice u atomu. ispravio je ovaj nesporazum 1911. Tokom eksperimenata, proučavajući aktivnost alfa čestica u plinovima, otkrio je da atom sadrži čestice koje su pozitivno nabijene. Rutherford je vidio da kada zraci prolaze kroz plin ili kroz tanku metalnu ploču, mali broj čestica oštro odstupa od putanje kretanja. Bili su bukvalno vraćeni nazad. Naučnik je pretpostavio da je ovo ponašanje objašnjeno sudarima sa pozitivno naelektrisanim česticama. Takvi eksperimenti omogućili su fizičaru da stvori model strukture Rutherfordovog atoma.

Planetarni model

Sada su se ideje naučnika donekle razlikovale od pretpostavki Džona Tomsona. Njihovi atomski modeli također su postali drugačiji. omogućio mu je da stvori potpuno novu teoriju u ovoj oblasti. Otkrića naučnika bila su presudna za dalji razvoj fizike. Rutherfordov model opisuje atom kao jezgro smješteno u centru i elektrone koji se kreću oko njega. Jezgro ima pozitivan naboj, a elektroni negativno. Rutherfordov model atoma pretpostavio je rotaciju elektrona oko jezgra duž određenih putanja – orbita. Otkriće naučnika pomoglo je da se objasni razlog skretanja alfa čestica i postalo je podsticaj za razvoj nuklearne teorije atoma. U Rutherfordovom modelu atoma postoji analogija sa kretanjem planeta Sunčevog sistema oko Sunca. Ovo je veoma tačno i živo poređenje. Stoga je Rutherfordov model, u kojem se atom kreće oko jezgra u orbiti, nazvan planetarnim.

Radovi Nielsa Bohra

Dvije godine kasnije, danski fizičar Niels Bohr pokušao je kombinirati ideje o strukturi atoma s kvantnim svojstvima svjetlosti. Naučnik je koristio Rutherfordov nuklearni model atoma kao osnovu za svoju novu teoriju. Prema Boru, atomi rotiraju oko jezgra po kružnim orbitama. Ova putanja kretanja dovodi do ubrzanja elektrona. Osim toga, Kulonova interakcija ovih čestica sa centrom atoma je praćena stvaranjem i trošenjem energije za održavanje prostornog elektromagnetnog polja koje nastaje kretanjem elektrona. U takvim uslovima, negativno naelektrisane čestice moraju jednog dana pasti na jezgro. Ali to se ne dešava, što ukazuje na veću stabilnost atoma kao sistema. Niels Bohr je shvatio da zakoni klasične termodinamike, opisani Maxwellovim jednadžbama, ne funkcionišu u intra-atomskim uslovima. Stoga je naučnik sebi postavio zadatak da izvede nove zakone koji bi važili u svijetu elementarnih čestica.

Borovi postulati

Uglavnom zbog činjenice da je postojao Rutherfordov model, da su atom i njegove komponente bili dobro proučavani, Niels Bohr je mogao pristupiti stvaranju svojih postulata. Prvi od njih kaže da atom ima u kojoj ne mijenja svoju energiju, dok se elektroni kreću po orbitama bez promjene putanje. Prema drugom postulatu, kada se elektron kreće s jedne orbite na drugu, energija se oslobađa ili apsorbira. Ona je jednaka razlici između energija prethodnog i narednog stanja atoma. Štaviše, ako elektron skoči na orbitu bliže jezgri, tada dolazi do zračenja i obrnuto. Uprkos činjenici da kretanje elektrona malo liči na orbitalnu putanju koja se nalazi strogo u krugu, Borovo otkriće je omogućilo da se dobije odlično objašnjenje za postojanje linijskog spektra. Otprilike u isto vreme, fizičari Herc i Frank, koji su živio u Njemačkoj, potvrdio je učenje Nielsa Bohra o postojanju stacionarnih, stabilnih stanja atoma i mogućnosti promjene vrijednosti atomske energije.

Saradnja između dva naučnika

Inače, Rutherford dugo nije mogao utvrditi.Naučnici Marsden i Geiger pokušali su još jednom provjeriti izjave Ernesta Rutherforda i kao rezultat detaljnih i temeljitih eksperimenata i proračuna došli do zaključka da je jezgro najviše važna karakteristika atoma i sav njegov naboj je koncentrisan u njemu. Nakon toga je dokazano da je vrijednost nuklearnog naboja brojčano jednaka rednom broju elementa u periodičnom sistemu elemenata D. I. Mendeljejeva. Zanimljivo je da je Niels Bohr ubrzo upoznao Rutherforda i potpuno se složio s njegovim stavovima. Nakon toga, naučnici su dugo radili zajedno u istoj laboratoriji. Rutherfordov model, atom kao sistem koji se sastoji od elementarnih nabijenih čestica – sve je to Niels Bohr smatrao poštenim i zauvijek je ostavio svoj elektronski model po strani. Zajednička naučna aktivnost naučnika bila je veoma uspešna i urodila plodom. Svaki od njih se bavio proučavanjem svojstava elementarnih čestica i napravio otkrića značajna za nauku. Kasnije je Rutherford otkrio i dokazao mogućnost nuklearnog raspadanja, ali to je tema za drugi članak.

Atomska struktura

Jedinice naboja, mase i energije u atomskoj fizici.

Dakle, naboj bilo koje čestice uvijek sadrži cijeli broj elementarnih naboja. Za česticu atomske veličine, ovaj cijeli broj će također biti mali. S obzirom na to, u atomskoj fizici je zgodno uzeti elementarni naboj e = 1,60 10-19 C kao jedinicu električnog naboja. U atomskoj fizici, jedinica mase se uzima kao 1/12 mase atoma izotopa ugljika 12C. Atomska masa ovog izotopa je 12, a molarna masa M = 12 10-3 kg/mol. Dakle, jedinica atomske mase (a.m.u.) je jednaka

Jedinica atomske mase se takođe može definisati kao masa atoma elementa sa atomskom masom 1. Dakle, masa atoma (tačnije, njegova prosečna vrednost), izražena u jedinicama atomske mase, jednaka je atomskoj masi elementa.

Imajte na umu da element s atomskom masom jednakom jedinici ne postoji u prirodi. Atomska masa vodonika je blizu jedinice, ali nešto veća: jednaka je 1,008. Dakle, masa najlakšeg atoma je 1,008 a. jesti.

Jedinica za energiju usvojena u atomskoj fizici je energija koju dobije čestica sa nabojem e (na primjer, elektron) kada prođe kroz potencijalnu razliku od 1 V. Ova jedinica se naziva elektronvolt i označava eV. Energija dobijena naelektrisanjem tokom kretanja u električnom polju jednaka je umnošku naboja i potencijalne razlike između početne i krajnje tačke puta, dakle
1 eV=1,6 10-19 C 1V=1,6 10-19J.
Iz definicije elektronvolta slijedi da elektron ubrzan razlikom potencijala U [V] ima energiju numerički jednaku U [eV]. Jon sa nabojem od 2e, prolazeći kroz istu potencijalnu razliku, dobija energiju od 2U [eV], itd.

Energija ne samo nabijenih nego i neutralnih čestica može se mjeriti u elektronvoltima. Na primjer, izrazimo u elektron voltima energiju atoma kisika (m=16 amu) koji se kreće brzinom v=103 m/s:

Također se koriste jedinice koje su višestruke od elektronvolta:
1 keV=103 eV, 1 MeV=106 eV, 1 GeV=109 eV, 1 TeV=1012 eV.

Rutherford-Bohr model atoma.

Sva materija se sastoji od elementarnih čestica. Ali materija se ne sastoji direktno od elementarnih čestica. Građevinski blokovi ili elementi od kojih je izgrađena sva materija su atomi. Do 1912. godine, naučnici su predstavljali atom kao pozitivno nabijenu loptu koja sadrži negativno nabijene elektrone. Dizajn, sličan kolaču s elektronskim grožđicama, predložili su imenjaci Thomsonovih, Joseph John i William Lord Kelvin.

Općenito, pozitivni i negativni naboji u takvom atomu su kompenzirani i atom je električno neutralan. Pretpostavljalo se da je čitava masa atoma koncentrisana u elektronima. Pošto je elektron mnogo lakši od atoma, čak i najjednostavniji atomi moraju sadržavati hiljade elektrona.

Godine 1909. Rutherford je tada mladom fizičaru Marsdenu naručio da proučava rasipanje alfa zraka dok prolaze kroz tanke metalne ploče. Većina elementarnih čestica doživjela je manja otklona nakon prolaska kroz ploče. Međutim, Marsden je bio u stanju da detektuje čestice koje se jako odstupaju. Istina, bilo ih je vrlo malo, ali je bilo iznenađujuće da su uopće postojali. Naravno, Marsden je to mogao zamisliti. Za registraciju alfa čestica korišten je spintariskop - mali prozirni ekran obložen posebnom fluorescentnom tvari. Kada elementarna čestica udari u takav ekran, dolazi do slabog oranja. Blic je veoma mali i slab. Posmatra se pod mikroskopom. Da bi to oko primetilo, čovek se mora naviknuti na mrak. Da bi to učinio, prije nego počne raditi, odnosno registrirati i brojati bljeskove, mora sjediti pola sata u potpunom mraku. Stoga je prirodno pretpostaviti da je Marsden možda pogriješio.

Rutherford traži od Marsdena da ponovi eksperimente, ali ovaj put posebno prati čestice koje su dobile veliko odstupanje do 90°.

Kada je, nekoliko dana kasnije, Marsden ušao u Rutherfordovu kancelariju i rekao: "postoje takve čestice", Rutherford je iznenađeno ispustio slušalicu. Rutherford, iako je predložio da Marsden provede ove eksperimente, ni sam nije očekivao takav rezultat.

Rutherford se kasnije prisjetio: " to je bio najneverovatniji događaj u mom životu. Bilo je gotovo jednako nevjerovatno kao pucati granatom od 15 inča u komad maramice i kada se granata vrati i pogodi vas.".

Eksperimenti su ponovo provjereni, ali ovoga puta Geiger se pridružio eksperimentima. Fenomen je eksperimentalno proučavan i eksperimentalni materijali su objavljeni iste godine. Međutim, značenje rezultata bilo je misteriozno. Thomsonov atom nije mogao zaustaviti alfa česticu koja leti velikom brzinom.

Godine 1911. Rutherford je objavio svoj članak "Raspršenje alfa i beta čestica materijom i struktura atoma", u kojem je predložio svoj poznati planetarni model atoma.

Malo, vrlo masivno pozitivno nabijeno jezgro, od koje se alfa čestica odbija u opisanim eksperimentima, nalazi se u centru Rutherfordovog atoma. Svjetlosni negativno nabijeni elektroni kruže oko jezgra. Većina prostora unutar atoma ispunjena je prazninom. Sve u svemu, model je vrlo sličan našem Sunčevom sistemu.

Na Rutherfordovo veliko žaljenje, članak je dočekan šutnjom. Rutherford je, naravno, razumio zašto. Njegov atom je bio kratkog veka. Elektron, koji rotira oko jezgre, mora emitovati elektromagnetne talase i kao rezultat toga gubi energiju. Istovremeno, njegova brzina bi morala da se uspori i da padne na jezgro. Međutim, iskustvo pokazuje da su gotovo svi atomi u prirodi stabilni.

Niels Bohr je ispravio situaciju.

Borova teorija

Borovi postulati su po prirodi slični Keplerovim zakonima, kojih također postoje tri. Oba su nagađani obrasci dobijeni na osnovu eksperimentalnih činjenica. Kepleru je možda bilo još teže. Kako se, na primjer, može doći do tog rezultata (formule)? Tek nakon što je Newton formulirao zakone mehanike, Keplerove zakone je postalo moguće objasniti.

Glavna mana u Rutherfordovom modelu bila je da bi elektron koji se kreće kružnom orbiti oko jezgra trebao emitovati elektromagnetne valove, ali dokazi sugeriraju da to ne čini. Naučnici, uključujući Rutherforda, nisu mogli objasniti ovu kontradikciju. Ni Bohr to nije mogao učiniti. Jednostavno je stao na stranu činjenica: pošto elektroni ne emituju, onda bi tako trebalo biti. Tako se pojavio prvi postulat. Ukupno ih je, kao što smo već rekli, tri.

Borovi postulati

1. Elektroni se kreću u atomu u stacionarnim orbitama, dok ne emituju niti apsorbuju energiju.

2. Stacionarne orbite će biti one za koje je ugaoni impuls elektrona mvr je jednako cjelobrojnom višekratniku.

, gdje je k = 1, 2, 3, 4...

3. Kada se kreće iz jedne orbite u drugu, elektron emituje ili apsorbuje energiju u obliku fotona.

Budući da je u udaljenijim orbitama, elektron ima više energije, stoga, krećući se na orbitu bliže jezgru, emituje jedan foton sa energijom

Kada atom apsorbira foton, elektron može porasti na viši nivo.

Dimenzije atoma vodika

Elektron, koji se okreće oko jezgra, doživljava silu Kulonove privlačnosti prema njemu:

gdje je naboj atomskog jezgra sa atomskim brojem Z.

Ova sila, u skladu sa drugim Newtonovim zakonom, mora biti jednaka, dakle: ili .

Bohrov drugi postulat nam govori da radijus orbite ne može biti proizvoljan, već mora biti u skladu s jednadžbom:

gdje ćemo označiti k-tu stacionarnu orbitu. Odavde dobijamo

.

Dobili smo polumjer k-te stacionarne orbite atoma sa serijskim brojem Z. Za vodonik Z=1. Nađimo radijus prve (k = 1) unutrašnje orbite u kojoj elektron ima minimalnu količinu energije.

Posljedično, prečnik atoma vodika je približno , što se dobro slaže s eksperimentalnim podacima.

Nađimo energiju elektrona u k-toj orbiti.

Njegova energija se sastoji od kinetičke energije kretanja u orbiti i potencijalne elektrostatičke energije interakcije sa jezgrom.

>> Struktura atoma. Rutherfordovi eksperimenti

Poglavlje 12. ATOMSKA FIZIKA

Otkriće složene strukture atoma je najvažnija faza u razvoju moderne fizike, koja je ostavila traga na sav njen dalji razvoj. U procesu stvaranja kvantitativne teorije strukture atoma, koja je omogućila objašnjenje atomskih spektra, otkriveni su novi zakoni kretanja mikročestica - zakoni kvantne mehanike.

§ 93 STRUKTURA ATOMA. RUTHERFORDOVI EKSPERIMENTI

Thomsonov model. Naučnici nisu odmah došli do ispravnih ideja o strukturi atoma. Prvi model atoma predložio je engleski fizičar J. J. Thomson, koji je otkrio elektron. Prema Thomsonu, pozitivni naboj atoma zauzima cijeli volumen atoma i raspoređen je u tom volumenu sa konstantnom gustinom. Najjednostavniji atom - atom vodika - je pozitivno nabijena lopta polumjera oko 10 -8 cm, unutar koje se nalazi elektron. Složeniji atomi imaju nekoliko elektrona u pozitivno nabijenoj kugli, tako da je atom poput kolača u kojem se elektroni ponašaju kao grožđice.

Međutim, pokazalo se da je Thomsonov model atoma u potpunoj suprotnosti sa svojstvima atoma već poznatim do tada, od kojih je glavna bila stabilnost.

Rutherfordovi eksperimenti. Masa elektrona je nekoliko hiljada puta manja od mase atoma. Budući da je atom u cjelini neutralan, najveći dio mase atoma je u njegovom pozitivno nabijenom dijelu.

Za eksperimentalno proučavanje raspodjele pozitivnog naboja, a time i mase, unutar atoma, Ernest Rutherford je 1906. predložio korištenje sondiranja atoma pomoću -čestica. Ove čestice nastaju raspadom radijuma i nekih drugih elemenata. Njihova masa je otprilike 8000 puta veća od mase elektrona, a njihov pozitivni naboj je po veličini jednak dvostrukom naboju elektrona. Ovo nisu ništa drugo do potpuno jonizovani atomi helija. Brzina -čestica je vrlo velika: iznosi 1/15 brzine svjetlosti.

Rutherford je bombardirao atome teških elemenata ovim česticama. Zbog svoje male mase, elektroni ne mogu primjetno promijeniti putanju čestice, kao što kamenčić težak nekoliko desetina grama pri sudaru s automobilom ne može bitno promijeniti njegovu brzinu.

Rutherford Ernest (1871. - 1937.)- veliki engleski fizičar, rodom sa Novog Zelanda. Svojim eksperimentalnim otkrićima postavio je temelje moderne doktrine o strukturi atoma i radioaktivnosti. Bio je prvi koji je proučavao sastav radioaktivnih supstanci. Otkrio je atomsko jezgro i po prvi put izvršio umjetnu transformaciju atomskih jezgara. Svi eksperimenti koje je izvodio bili su fundamentalne prirode i odlikovali su se izuzetnom jednostavnošću i jasnoćom.

Rasipanje (promjena smjera kretanja) -čestica može biti uzrokovano samo pozitivno nabijenim dijelom atoma. Dakle, iz raspršivanja -čestica moguće je odrediti prirodu raspodjele pozitivnog naboja i mase unutar atoma. Šema Rutherfordovih eksperimenata prikazana je na slici 12.1.

Radioaktivna droga, kao što je radij, stavljena je u olovni cilindar l, duž kojeg je izbušen uski kanal. Snop čestica iz kanala padao je na tanku foliju 2 od ispitivanog materijala (zlato, bakar itd.). Nakon raspršivanja, čestice su padale na prozirno sito 3 obloženo cink sulfidom. Sudar svake čestice sa ekranom bio je praćen bljeskom svjetlosti (scintilacijom), koji se mogao posmatrati kroz mikroskop 4. Cijeli uređaj je smješten u posudu iz koje je evakuiran zrak.

Uz dobar vakuum unutar uređaja i u nedostatku folije, na ekranu se pojavio svjetlosni krug koji se sastoji od scintilacija uzrokovanih tankim snopom čestica. Ali kada je folija stavljena na putanju zraka, čestice su se, usled raspršivanja, rasporedile po ekranu po krugu veće površine.

Modificiranjem eksperimentalne postavke, Rutherford je pokušao otkriti otklon β-čestica pod velikim uglovima. Da bi to učinio, okružio je foliju scintilacionim ekranima i odredio broj bljeskova na svakom ekranu. Sasvim neočekivano, ispostavilo se da je mali broj -čestica (otprilike jedna od dvije hiljade) skretan pod uglovima većim od 90°. Rutherford je kasnije priznao da, nakon što je predložio svojim studentima da provedu eksperiment za promatranje raspršivanja β-čestica pod velikim uglovima, ni sam nije vjerovao u pozitivan rezultat. “To je skoro isto tako nevjerovatno,” rekao je Rutherford, “kao da ste ispalili granatu od 15 inča na komad maramice, a granata se vratila i pogodila vas.”

Zapravo, bilo je nemoguće predvidjeti ovaj rezultat na osnovu Thomsonovog modela. Kada je raspoređen po atomu, pozitivan naboj ne može stvoriti dovoljno jako električno polje da odbaci česticu nazad. Maksimalna sila odbijanja može se odrediti Coulombovim zakonom:

gdje je q naboj čestice; q je pozitivni naboj atoma; R je njegov polumjer; k - koeficijent proporcionalnosti. Jačina električnog polja jednoliko nabijene lopte je maksimalna na površini lopte i smanjuje se na nulu kako se približava centru. Dakle, što je manji radijus R, to je veća sila koja odbija čestice.

Određivanje veličine atomskog jezgra.Rutherford shvatio da -čestica može biti odbačena samo ako su pozitivni naboj atoma i njegova masa koncentrirani u vrlo malom području prostora. Tako je Rutherford došao do ideje o postojanju atomskog jezgra - malog tijela u kojem je koncentrirana gotovo sva masa i sav pozitivni naboj atoma.

Slika 12.2 prikazuje putanje alfa čestica koje lete na različitim udaljenostima od jezgra.

Brojeći broj -čestica rasutih pod različitim uglovima, Rutherford je mogao da proceni veličinu jezgra. Ispostavilo se da jezgro ima prečnik reda 10 -12 -10 -13 cm (prečnici su različiti za različita jezgra). Veličina samog atoma je 10-8 cm, odnosno 10-100 hiljada puta veća od veličine jezgra. Nakon toga, bilo je moguće odrediti naboj jezgra. Pod uslovom da se naelektrisanje elektrona uzme kao jedan, naelektrisanje jezgra je tačno jednako broju datog hemijskog elementa u periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva.

Planetarni model atoma. Na osnovu svojih eksperimenata, Rutherford je stvorio planetarni model atoma. U središtu atoma nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, u kojem je koncentrirana gotovo cijela masa atoma. Generalno, atom je neutralan. Stoga je broj unutaratomskih elektrona, poput naboja jezgra, jednak atomskom broju elementa u periodnom sistemu. Jasno je da elektroni ne mogu mirovati unutar atoma, jer bi pali na jezgro. Kreću se oko jezgra, baš kao što planete kruže oko Sunca. Ova priroda kretanja elektrona određena je djelovanjem Kulombovih privlačnih sila iz jezgra.

U atomu vodika samo jedan elektron kruži oko jezgra. Jezgro atoma vodika ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i masu približno 1836,1 puta veću od mase elektrona. Ovo jezgro je nazvano proton i počelo se smatrati elementarnom česticom. Veličina atoma vodika je polumjer orbite njegovog elektrona (slika 12.3).

Jednostavan i vizualan planetarni model atoma ima direktnu eksperimentalnu osnovu. Čini se apsolutno neophodnim objasniti eksperimente o raspršenju -čestica. Ali na osnovu ovog modela nemoguće je objasniti činjenicu postojanja atoma, njegovu stabilnost. Uostalom, kretanje elektrona u orbitama događa se ubrzanjem, i to prilično značajno. Prema Maksvelovim zakonima elektrodinamike, naelektrisanje koje ubrzava treba da emituje elektromagnetne talase sa frekvencijom koja je jednaka frekvenciji njegovog okretanja oko jezgra. Zračenje je praćeno gubitkom energije. Gubeći energiju, elektroni se moraju približiti jezgru, baš kao što se satelit približava Zemlji prilikom kočenja u gornjim slojevima atmosfere. Kako pokazuju rigorozni proračuni zasnovani na Njutnovskoj mehanici i Maksvelovskoj elektrodinamici, elektron mora pasti na jezgro u zanemarljivo kratkom vremenu (oko 10-8 s). Atom mora prestati da postoji.

U stvarnosti se ništa slično ne dešava. Atomi su stabilni i u nepobuđenom stanju mogu postojati beskonačno, a da uopšte ne emituju elektromagnetne talase.

Zaključak, koji nije u skladu s iskustvom, o neizbježnoj smrti atoma zbog gubitka energije radijacijom, rezultat je primjene zakona klasične fizike na pojave koje se dešavaju unutar atoma. Iz toga slijedi da zakoni klasične fizike nisu primjenjivi na takve pojave.

Rutherford je stvorio planetarni model atoma: elektroni kruže oko jezgra, baš kao što planete kruže oko Sunca. Ovaj model je jednostavan, eksperimentalno opravdan, ali ne objašnjava stabilnost volumena.

1. Zašto negativno nabijene čestice atoma nemaju primjetan učinak na rasipanje -čestica!

2. Zašto se -čestice ne bi mogle raspršiti pod velikim uglovima ako je pozitivni naboj atoma raspoređen po čitavom njegovom volumenu!

3. Zašto se planetarni model atoma ne slaže sa zakonima klasične fizike!

Myakishev G. Ya., Physics. 11. razred: vaspitni. za opšte obrazovanje institucije: osnovne i profilne. nivoi / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; uređeno od V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17. izd., revidirano. i dodatne - M.: Obrazovanje, 2008. - 399 str.: ilustr.

Zbirka beleški sa časova fizike preuzimanje, kalendarsko i tematsko planiranje, udžbenici za sve predmete online

Sadržaj lekcije beleške sa lekcija podrška okvirnoj prezentaciji lekcija metode ubrzanja interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe radionice za samotestiranje, obuke, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike, grafike, tabele, dijagrami, humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci trikovi za radoznale jaslice udžbenici osnovni i dodatni rječnik pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku, elementi inovacije u lekciji, zamjena zastarjelog znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu, metodološke preporuke, programi diskusije Integrisane lekcije

Tema ove lekcije je „Modeli atoma. Rutherfordovo iskustvo." Na njemu ćemo naučiti kako su naučnici proučavali složenu strukturu atoma, kako su pronašli objašnjenje za ovu teoriju, gdje se stečeno znanje danas primjenjuje. Također ćemo pogledati kako se Rutherfordov eksperiment može koristiti za proučavanje modela atoma.

U prethodnoj lekciji smo raspravljali o tome da radioaktivnost proizvodi različite vrste zračenja: a-, b- i g-zrake. Pojavio se alat pomoću kojeg je bilo moguće proučavati strukturu atoma.

Nakon što je postalo jasno da i atom ima složenu strukturu, nekako je strukturiran na poseban način, bilo je potrebno istražiti samu strukturu atoma, objasniti kako je strukturiran, od čega se sastoji. I tako su naučnici započeli ovu studiju.

Izražene su prve ideje o složenoj strukturi Thomson, koji je otkrio elektron 1897. Godine 1903. Thomson je prvi predložio model atoma. Prema Thomsonovoj teoriji, atom je bio lopta s pozitivnim nabojem "razmazanom" po cijeloj svojoj zapremini. A unutra, poput lebdećih elemenata, bili su elektroni. Generalno, prema Thomsonu, atom je bio električno neutralan, odnosno naboj takvog atoma bio je jednak 0. Negativni naboji elektrona kompenzirali su pozitivni naboj samog atoma. Veličina atoma je bila otprilike 10 -10 m. Thomsonov model je nazvan “puding sa grožđicama”: sam “puding” je pozitivno nabijeno “telo” atoma, a “grožđice” su elektroni (slika 1. ).

Rice. 1. Thomsonov model atoma (“puding od grožđica”)

Izveden je prvi pouzdan eksperiment za utvrđivanje strukture atoma E. Rutherford. Danas sigurno znamo da je atom struktura koja podsjeća na planetarni Sunčev sistem. U središtu je masivno tijelo oko kojeg se planete okreću. Ovaj model atoma naziva se planetarni model.

Okrenimo se Rutherfordovom eksperimentalnom dijagramu (slika 2) i razgovarajmo o rezultatima koji su doveli do stvaranja planetarnog modela.

Rice. 2. Šema Rutherfordovog eksperimenta

Radijum je bio smešten u olovni cilindar sa uskom rupom. Pomoću dijafragme stvoren je uski snop a-čestica, koji je, leteći kroz otvor dijafragme, udario u ekran obložen posebnim sastavom, pri udaru je došlo do mikro-bljeska. Ovaj sjaj kada čestice udare u ekran naziva se "scintilacioni bljesak". Takvi bljeskovi su uočeni na površini ekrana pomoću mikroskopa. Nakon toga, sve dok nije bilo zlatne ploče u krugu, sve čestice koje su izletjele iz cilindra udarile su u jednu tačku. Kada je veoma tanka zlatna ploča postavljena unutar ekrana na putu letećih a-čestica, počele su da se posmatraju potpuno neshvatljive stvari. Čim je zlatna ploča postavljena, a-čestice su počele da se odbijaju. Uočene su čestice koje su odstupile od svog početnog linearnog kretanja i već su završile na potpuno različitim tačkama na ovom ekranu.

Štaviše, kada je ekran bio gotovo zatvoren, ispostavilo se da postoje čestice koje nekako lete u suprotnom smjeru. Oni odstupaju pod uglom od 90° ili više. Ova zapažanja je analizirao Rutherford i isplivala je sljedeća prilično zanimljiva stvar.

Prije svega, Thomsonova teorija je ovdje propala. Prema Thomsonovoj teoriji, atom je lopta veličine 10-10 m u kojoj je razmazano pozitivno naelektrisanje i nalazi se elektron. Dakle, elektroni su vrlo male čestice; ne mogu ometati a-čestice koje lete pristojnom brzinom. Brzina a-čestica u ovom slučaju bila je oko 10.000 km/s.

Zamislite situaciju u kojoj se kamion sudari sa automobilom igračkom. Jasno je da kamion takav automobil neće ni primijetiti. Ovo možemo dati kao analogiju sudara elektrona sa a-česticom. To znači da je bilo potrebno zaključiti da je atom drugačije strukturiran, a ne kako je Thomson tvrdio. I, očigledno, u atomu zlata postoji objekt masivniji od a-čestice, koji ima pozitivan naboj.

Pogledajmo još jednu sliku koja karakteriše rasipanje a-čestica na toj masivnoj čestici, čije je prisustvo Rutherford predvideo u atomu (slika 3).

Rice. 3. Rasipanje alfa čestica Na osnovu rezultata eksperimenata, moglo bi se reći da se u atomu nalazi masivni pozitivno nabijeni objekt. A-čestica koja se sudari sa ovom velikom česticom može se reflektovati nazad. One čestice koje lete u blizini se odbijaju pod različitim uglovima. Što dalje a-čestica leti od ovog objekta, manji je ugao pod kojim se odbijaju. Ovaj fenomen se zove " rasejanje a-čestica».

Rutherford je veliku česticu koja se nalazi unutar atoma nazvao jezgrom. I čak je cijenio njegovu veličinu. Prema Rutherfordu, veličina jezgra je bila 10 -14 -10 -15 m. Ovaj objekat je bio vrlo, vrlo male veličine u poređenju sa atomom. Atom ima veličinu reda 10 -10 m. Štaviše, gotovo cijela masa atoma je bila koncentrisana u jezgru. A elektroni se vrte oko jezgra.

ovo implicira planetarno model Rutherforda, koji tvrdi da je atom masivno pozitivno nabijeno jezgro oko kojeg se elektroni vrte u svojim orbitama (slika 4). Generalno, atom je električno neutralan, odnosno naboj atoma je nula. Ako atom ima višak ili manjak elektrona, naziva se ion.

Rice. 4. Planetarni model atoma

Naravno, bilo je i drugih zanimljivih teorija. Danas je općeprihvaćen, uz neke rezerve, o kojima ćemo kasnije govoriti, planetarni model atoma koji je predložio Ernest Rutherford.

Bibliografija

1. Bronstein M.P. Atomi i elektroni. “Biblioteka “Kvantna””. Vol. 1. - M.: Nauka, 1980.
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred srednje škole. - M.: „Prosvetljenje“.
3. Kitaygorodsky A.I. Fizika za sve. Fotoni i jezgra. Knjiga 4. - M.: Nauka.
4. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. fizika. Optika Kvantna fizika. 11. razred: udžbenik za dubinsko izučavanje fizike. - M.: Drofa.
5. Newton I. Matematički principi prirodne filozofije. - M.: Nauka, 1989.
6. Rutherford E. Izabrani naučni radovi. Radioaktivnost. - M.: Nauka.
7. Rutherford E. Izabrani naučni radovi. Struktura atoma i umjetna transformacija elemenata. - M.: Nauka.
8. Einstein A., Infeld L. Evolucija fizike. Razvoj ideja od početnih koncepata do teorije relativnosti i kvanta. - M.: Nauka, 1965.