Кой предложи ядрения планетарен модел на структурата на атома. Планетарен модел на атома

Идеята, че атомите са най-малките частици материя, възниква за първи път през Древна Гърция. Въпреки това, едва в края на 18 век, благодарение на работата на учени като А. Лавоазие, М. В. Ломоносов и някои други, беше доказано, че атомите наистина съществуват. Въпреки това, в онези дни никой не се чудеше каква е тяхната вътрешна структура. Учените все още смятат атомите за неделимите „градивни елементи“, които изграждат цялата материя.

Опит за обяснение на структурата на атома

Кой беше първият учен, който предложи ядрения модел? Първият опит за създаване на модел на тези частици принадлежи на Дж. Томсън. Въпреки това, той не може да се нарече успешен в пълния смисъл на думата. В крайна сметка Томсън вярва, че атомът е сферична и електрически неутрална система. В същото време ученият предположи, че положителният заряд е разпределен равномерно в целия обем на тази топка, а вътре в нея има отрицателно заредено ядро. Всички опити на учения да обясни вътрешната структура на атома бяха неуспешни. Ърнест Ръдърфорд е този, който предлага ядрения модел на структурата на атома няколко години след като Томсън представя своята теория.

История на изследването

Чрез изследване на електролизата през 1833 г. Фарадей успява да установи, че токът в електролитен разтвор е поток от заредени частици или йони. Въз основа на тези изследвания той успя да определи минималния заряд на йона. Също така важна роля в развитието на тази посока във физиката изигра домашният химик Д. И. Менделеев. Той беше първият, който повдигна въпроса в научните среди, че всички атоми могат да имат една и съща природа. Виждаме, че преди ядреният модел на Ръдърфорд за структурата на атома да бъде предложен за първи път, голям брой еднакво важни експерименти са били проведени от различни учени. Те развиха атомната теория за структурата на материята.

Първи опити

Ръдърфорд е наистина брилянтен учен, защото неговите открития революционизират разбирането за структурата на материята. През 1911 г. той успява да постави експеримент, с помощта на който изследователите успяват да надникнат в мистериозните дълбини на атома и да добият представа каква е вътрешната му структура. Първите експерименти са проведени от учения с подкрепата на други изследователи, но основната роля в откритието все още принадлежи на Ръдърфорд.

Експериментирайте

Използвайки естествени източници на радиоактивно лъчение, Ръдърфорд успява да построи оръдие, което излъчва поток от алфа частици. Това беше кутия от олово, вътре в която имаше радиоактивно вещество. В пистолета имаше прорез, който позволяваше на всички алфа частици да удрят оловния екран. Те можеха да излетят само през процепа. По пътя на този лъч от радиоактивни частици имаше още няколко екрана.

Те отделят частици, които се отклоняват от предварително определена посока. Ръдърфорд използва тънък лист златно фолио като мишена. След като частиците удариха този лист, те продължиха движението си и в крайна сметка удариха флуоресцентен екран, който беше инсталиран зад тази цел. Когато алфа частиците ударят този екран, се записват светкавици, от които ученият може да прецени колко частици са се отклонили от първоначалната посока при сблъсък с фолиото и каква е величината на това отклонение.

Разлики от предишен опит

Учениците и студентите, които се интересуват от това кой е предложил ядрения модел на структурата на атома, трябва да знаят: подобни експерименти са проведени във физиката преди Ръдърфорд. Основната им идея беше да съберат възможно най-много информация за структурата на атома от отклоненията на частиците от първоначалната траектория. Всички тези изследвания доведоха до натрупването на определен обем информация в науката и провокираха размисъл за вътрешна структуранай-малките частици.

Още в началото на 20 век учените знаеха, че атомът съдържа електрони с отрицателен заряд. Но сред повечето изследователи преобладаващото мнение беше, че вътрешността на атома е по-скоро решетка, пълна с отрицателно заредени частици. Подобни експерименти позволиха да се получи много информация - например да се определят геометричните размери на атомите.

Брилянтно предположение

Ръдърфорд забеляза, че никой от неговите предшественици никога не се е опитвал да определи дали алфа частиците могат да се отклоняват под много големи ъгли от своята траектория. Предишният модел, понякога наричан „пудинг със стафиди“ сред учените (тъй като според този модел електроните в един атом са разпределени като стафиди в пудинг), просто не допускаше съществуването на плътни компоненти на структурата в атома. Никой от учените дори не си направи труда да обмисли тази възможност. Изследователят помоли своя ученик да преоборудва инсталацията по такъв начин, че да се регистрират големи отклонения на частиците от траекторията - само за да се изключи тази възможност. Представете си изненадата както на учения, така и на неговия ученик, когато се оказа, че някои частици се разпръскват под ъгъл от 180 градуса.

Какво има вътре в атома?

Разбрахме кой е предложил ядрения модел на структурата на атома и какъв е опитът на този учен. По това време експериментът на Ръдърфорд е истински пробив. Той беше принуден да заключи, че вътре в атома по-голямата част от масата се съдържа в много плътна материя. Диаграмата на ядрения модел на структурата на атома е изключително проста: вътре има положително заредено ядро.

Други частици, наречени електрони, обикалят около това ядро. Останалата част е с няколко порядъка по-малка плътност. Подреждането на електроните вътре в атома не е хаотично – частиците са подредени в ред на увеличаване на енергията. Изследователят нарича вътрешните части на атомите ядра. Имената, въведени от учения, се използват в науката и днес.

Как да се подготвим за урока?

Тези ученици, които се интересуват от това кой е предложил ядрения модел на структурата на атома, могат да покажат допълнителни знания в урока. Например, можете да говорите за това как Ръдърфорд, дълго след своите експерименти, обичаше да дава аналогия за своето откритие. Оръжия за бунтовници се внасят контрабандно в южноафриканска държава, съхранявани в бали памук. Как митничарите могат да определят къде точно се намират опасните доставки, ако целият влак е пълен с тези бали? Митническият служител може да започне да стреля по балите и там, където куршумите ще рикошират, е мястото, където се намира оръжието. Ръдърфорд подчерта, че именно така е направено откритието му.

За ученици, които се подготвят да отговорят по тази тема в клас, е препоръчително да подготвят отговори на следните въпроси:

1. Кой предложи ядрения модел на структурата на атома?

2. Какъв беше смисълът на експеримента?

3. Разлика между ядрения модел и другите модели.

Значението на теорията на Ръдърфорд

Радикалните изводи, които Ръдърфорд прави от своите експерименти, карат много от неговите съвременници да се съмняват в истинността на този модел. Дори самият Ръдърфорд не е изключение - той публикува резултатите от своите изследвания само две години след откритието. Въз основа на класическите идеи за това как се движат микрочастиците, той предложи ядрен планетарен модел на структурата на атома. Като цяло атомът има неутрален заряд. Електроните се движат около ядрото, точно както планетите се въртят около Слънцето. Това движение възниква поради Кулонови сили. IN понастоящемМоделът на Ръдърфорд е претърпял значителни модификации, но откритието на учения не губи своята актуалност днес.

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 масата вътре в атома, Ръдърфорд предложи през 1906 г. да се използва сондиране на атома с помощта на α - 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. Скорост α -частиците са много големи: това е 1/15 от скоростта на светлината.

Ръдърфорд бомбардира атомите на тежките елементи с тези частици. Електроните поради ниската си маса не могат забележимо да променят траекторията си α -частици, точно както камъче с тегло няколко десетки грама при сблъсък с кола не е в състояние да промени забележимо скоростта си. Разсейване (промяна в посоката на движение) α -частиците могат да бъдат причинени само от положително заредената част на атома. По този начин, чрез разпръскване α -частиците могат да определят характера на разпределението на положителния заряд и масата вътре в атома.

Радиоактивно лекарство, например радий, беше поставено в оловен цилиндър 1, по протежение на който беше пробит тесен канал. кок α -частици от канала са попаднали върху тънко фолио 2 от изследвания материал (злато, мед и др.). След разпръскване α -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 появи светъл кръг, състоящ се от сцинтилации, причинени от тънък лъч α - частици Но когато фолиото беше поставено на пътя на лъча, α -частиците, дължащи се на разсейване, бяха разпределени на екрана в кръг по-голяма площ. Чрез модифициране на експерименталната настройка Ръдърфорд се опита да открие отклонението α -частици под големи ъгли. Съвсем неочаквано се оказа, че малък брой α -частици (около една на две хиляди) са били отклонени под ъгли, по-големи от 90°. Ръдърфорд по-късно призна това, като предложи на своите ученици експеримент за наблюдение на разсейването α -частици под големи ъгли, самият той не вярваше 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 интензивно електрическо поле, за да изхвърли алфа частицата обратно. Максималната сила на отблъскване се определя от закона на Кулон:

където q α е зарядът α -частици; 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 на отблъскване α - частици.

Оразмеряване атомно ядро. Ръдърфорд разбра това α -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 атомното ядро - малко тяло, в което са концентрирани почти цялата маса и целият положителен заряд на атома.

Планетарен модел на атома, или Модел на Ръдърфорд, е исторически модел на структурата на атома, предложен от Ърнест Ръдърфорд в резултат на експеримент с разсейване на алфа частици. Според този модел атомът се състои от малко положително заредено ядро, в което е съсредоточена почти цялата маса на атома, около което се движат електрони, точно както планетите се движат около Слънцето. Планетарен моделна атома съответства на съвременните представи за структурата на атома, като се вземе предвид фактът, че движението на електроните има квантово естество и не се описва от законите на класическата механика. Исторически погледнато, планетарният модел на Ръдърфорд замени „модела на пудинг сливи“ на Джоузеф Джон Томсън, който постулира, че отрицателно заредените електрони са поставени вътре в положително зареден атом.

Първият модел на структурата на атома е предложен от Дж. Томсън през 1904 г., според който атомът е положително заредена сфера с вградени в нея електрони. Въпреки своите несъвършенства, моделът на Томсън позволи да се обяснят явленията на излъчване, абсорбция и разсейване на светлина от атоми, както и да се установи броят на електроните в атомите на леките елементи.

Ориз. 1. Атом, според модела на Томсън. Електроните се задържат вътре в положително заредена сфера от еластични сили. Тези от тях, които са на повърхността, лесно могат да бъдат „избити“, оставяйки йонизиран атом.

2.2 Модел на Ръдърфорд

Моделът на Томсън е опроверган от Е. Ръдърфорд (1911), който доказва, че положителният заряд и почти цялата маса на атома са съсредоточени в малка част от неговия обем - ядрото, около което се движат електрони (фиг. 2).

Ориз. 2. Този модел на атомна структура е известен като планетарен, защото електроните се въртят около ядрото като планетите в Слънчевата система.

Според законите на класическата електродинамика движението на електрона в кръг около ядрото ще бъде стабилно, ако силата на привличане на Кулон е равна на центробежната сила. Въпреки това, в съответствие с теорията на електромагнитното поле, електроните в този случай трябва да се движат в спирала, непрекъснато излъчвайки енергия и да падат върху ядрото. Атомът обаче е стабилен.

Освен това, при непрекъснато излъчване на енергия, атомът трябва да показва непрекъснат, непрекъснат спектър. Всъщност спектърът на атома се състои от отделни линии и серии.

По този начин този модел противоречи на законите на електродинамиката и не обяснява линейния характер на атомния спектър.

2.3. Модел на Бор

През 1913 г. Н. Бор предлага своята теория за структурата на атома, без да отрича напълно предишните идеи. Бор основава своята теория на два постулата.

Първият постулат казва, че електронът може да се върти около ядрото само в определени стационарни орбити. Докато е върху тях, той не излъчва и не поглъща енергия (фиг. 3).

Ориз. 3. Модел на структурата на атома на Бор. Промяната в състоянието на атома, когато електрон се движи от една орбита в друга.

При движение по всяка стационарна орбита енергийният резерв на електрона (E 1, E 2 ...) остава постоянен. Колкото по-близо е орбитата до ядрото, толкова по-малък е енергийният запас на електрона E 1 ˂ E 2 …˂ E n . Електронната енергия в орбитите се определя от уравнението:

където m е масата на електрона, h е константата на Планк, n – 1, 2, 3... (n=1 за 1-ва орбита, n=2 за 2-ра и т.н.).

Вторият постулат казва, че когато се движи от една орбита в друга, електронът поглъща или освобождава квант (част) енергия.

Ако атомите са изложени на въздействие (нагряване, облъчване и т.н.), тогава електронът може да абсорбира квант енергия и да се премести на орбита, по-отдалечена от ядрото (фиг. 3). В този случай говорим за възбудено състояние на атома. При обратния преход на електрона (към орбита, по-близка до ядрото), се освобождава енергия под формата на квант лъчиста енергия - фотон. Това се обозначава със специфична линия в спектъра. Въз основа на формула

където λ е дължината на вълната, n = квантовите числа, характеризиращи близките и далечните орбити, Бор изчислява дължините на вълните за всички серии в спектъра на водородния атом. Получените резултати са в съответствие с експерименталните данни. Произходът на прекъснатите линейни спектри стана ясен. Те са резултат от излъчването на енергия от атомите по време на прехода на електроните от възбудено състояние в стационарно състояние. Електронните преходи към 1-ва орбита образуват честотна група от серията на Лайман, към 2-ра – серията на Балмер и към 3-та серия на Пашен (фиг. 4, табл. 1).

Ориз. 4. Съответствие между електронни преходи и спектрални линии на водородния атом.

маса 1

Проверка на формулата на Бор за серии от водороден спектър

Теорията на Бор обаче не може да обясни разделянето на линиите в спектрите на многоелектронните атоми. Бор изхожда от факта, че електронът е частица и използва законите, характерни за частиците, за да опише електрона. В същото време се натрупаха факти, които показват, че електронът също е способен да проявява вълнови свойства. Класическата механика не успя да обясни движението на микрообекти, които едновременно притежават свойствата на материални частици и свойствата на вълна. Този проблем беше решен от квантовата механика - физическа теория, която изучава общите модели на движение и взаимодействие на микрочастици с много малка маса (Таблица 2).

таблица 2

Свойства на елементарните частици, които образуват атом

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 на 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 на периодичната таблица от Д. И. Менделеев химически 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 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 преминава електричество. 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, защото електрически заряд- това е 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 тънък метална чинияима рязко отклонение на малък брой частици 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. Станаха различнии техните атомни модели. 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. Моделът на атома на Ръдърфорд показва аналогия с движението на планетите слънчева системаоколо 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 опита да комбинира идеи за структурата на атома с квантовите свойства светлинен поток. Ядреният модел на атома на Ръдърфорд е използван от учените като основа за неговия нова 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 позволи да се получи отлично обяснение за съществуването на линеен спектър, приблизително по същото време физиците Херц и Франк 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 времене можаха да определят Учените Марсдън и Гайгер се опитаха да проверят отново твърденията на Ърнест Ръдърфорд и в резултат на подробни и внимателни експерименти и изчисления стигнаха до заключението, че това е ядрото, което най-важната характеристикаатом и целият му заряд е концентриран в него. По-късно беше доказано, че стойността на ядрения заряд е числено равна на атомния номер на елемента в периодичната таблицаелементи от 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. Става научна дейностучени беше много успешен 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.

Планетарният модел на атома е предложен от Е. Ръдърфорд през 1910 г. Той прави първите си изследвания на структурата на атома с помощта на алфа частици. Въз основа на резултатите, получени от техните експерименти с разсейване, Ръдърфорд предположи, че целият положителен заряд на атома е концентриран в малко ядро в неговия център. От друга страна, отрицателно заредените електрони са разпределени в целия останал обем.

Малко предистория

Първото гениално предположение за съществуването на атомите е направено от древногръцкия учен Демокрит. Оттогава идеята за съществуването на атоми, чиито комбинации пораждат всички вещества около нас, не напуска въображението на хората на науката. Периодично с нея се свързвали различни нейни представители, но преди началото на XIXвекове от изграждането им са били само хипотези, неподкрепени с експериментални данни.

И накрая, през 1804 г., повече от сто години преди появата на планетарния модел на атома, английският учен Джон Далтън представя доказателства за съществуването му и въвежда понятието атомно тегло, което е първата му количествена характеристика. Подобно на своите предшественици, той възприема атомите като малки парчета материя, като твърди топки, които не могат да бъдат разделени на още по-малки частици.

Откриване на електрона и първия модел на атома

Измина почти век, когато най-накрая, края на XIXвек англичанинът J. J. Thomson открива и първата субатомна частица, отрицателно зареденият електрон. Тъй като атомите са електрически неутрални, Томсън смята, че те трябва да се състоят от положително заредено ядро с електрони, разпръснати из неговия обем. Въз основа на различни експериментални резултати, той предлага своя модел на атома през 1898 г., понякога наричан „сливи в пудинга“, защото представя атома като сфера, пълна с някаква положително заредена течност, в която са вградени електрони като „сливи“. пудингът." Радиусът на такъв сферичен модел е около 10 -8 см. Общият положителен заряд на течността е симетрично и равномерно балансиран от отрицателните заряди на електроните, както е показано на фигурата по-долу.

Този модел задоволително обяснява факта, че когато дадено вещество се нагрее, то започва да излъчва светлина. Въпреки че това беше първият опит да се разбере какво представлява атомът, той не успя да задоволи резултатите от експериментите, проведени по-късно от Ръдърфорд и други. Томсън се съгласи през 1911 г., че неговият модел просто не може да отговори как и защо се получава експериментално наблюдаваното разсейване на α-лъчи. Поради това той е изоставен и е заменен от по-напреднал планетарен модел на атома.

Как е устроен атомът?

Ърнест Ръдърфорд даде обяснение за явлението радиоактивност, което го доведе Нобелова наградано най-значимият му принос към науката идва по-късно, когато установява, че атомът се състои от плътно ядро, заобиколено от орбитите на електроните, точно както Слънцето е заобиколено от орбитите на планетите.

Според планетарния модел на атома по-голямата част от неговата маса е концентрирана в малко (в сравнение с размера на целия атом) ядро. Електроните се движат около ядрото, пътувайки с невероятни скорости, но по-голямата част от обема на атомите е празно пространство.

Размерът на ядрото е толкова малък, че диаметърът му е 100 000 пъти по-малък от този на атома. Диаметърът на ядрото е оценен от Ръдърфорд на 10 -13 см, за разлика от размера на атома - 10 -8 см. Извън ядрото електроните се въртят около него с висока скорост, което води до центробежни сили, които балансират електростатичните. сили на привличане между протони и електрони.

Експериментите на Ръдърфорд

Планетарният модел на атома възниква през 1911 г. след известния експеримент със златно фолио, който позволява да се получи фундаментална информация за неговата структура. Пътят на Ръдърфорд към откриването на атомното ядро е добър примерролята на творчеството в науката. Търсенето му започва през далечната 1899 г., когато открива, че някои елементи излъчват положително заредени частици, които могат да проникнат през всичко. Той нарече тези частици алфа (α) частици (сега знаем, че те са били хелиеви ядра). Като всички добри учени Ръдърфорд беше любопитен. Той се чудеше дали алфа частиците могат да се използват, за да се научи структурата на атома. Ръдърфорд решава да насочи лъч от алфа частици към лист много тънко златно фолио. Той избра злато, защото можеше да се направи на листове с дебелина 0,00004 см. Зад лист златно фолио той постави екран, който светеше, когато алфа частиците го удариха. Използва се за откриване на алфа частици след преминаването им през фолио. Малък процеп в екрана позволява на лъча от алфа частици да достигне до фолиото, след като напусне източника. Част от тях трябва да преминат през фолиото и да продължат да се движат в същата посока, другата част да отскочат от фолиото и да се отразят под остри ъгли. Можете да видите експерименталния дизайн на фигурата по-долу.

Какво се случи в експеримента на Ръдърфорд?

Базирайки се на модела на атома на J. J. Thomson, Ръдърфорд допуска, че непрекъснати области с положителен заряд, изпълващи целия обем на златните атоми, ще отклонят или огънат траекториите на всички алфа частици, докато преминават през фолиото.

По-голямата част от алфа частиците обаче преминават направо през златното фолио, сякаш то не е там. Сякаш минаваха през празно пространство. Само няколко от тях се отклоняват от правия път, както се очакваше в началото. По-долу има графика на броя на частиците, разпръснати в съответната посока спрямо ъгъла на разсейване.

Изненадващо, малък процент от частиците отскочиха обратно от фолиото, като баскетболна топка, отскачаща от табло. Ръдърфорд осъзнава, че тези отклонения са резултат от преки сблъсъци между алфа частици и положително заредените компоненти на атома.

Ядрото заема централно място

Въз основа на малкия процент алфа частици, отразени от фолиото, можем да заключим, че целият положителен заряд и почти цялата маса на атома са концентрирани в една малка област, а останалата част от атома е предимно празно пространство. Ръдърфорд нарича зоната на концентриран положителен заряд ядрото. Той предсказа и скоро откри, че съдържа положително заредени частици, които той нарече протони. Ръдърфорд прогнозира съществуването на неутрални атомни частици, наречени неутрони, но не успя да ги открие. Неговият ученик Джеймс Чадуик обаче ги открива няколко години по-късно. Фигурата по-долу показва структурата на ядрото на уранов атом.

Атомите се състоят от положително заредени тежки ядра, заобиколени от отрицателно заредени изключително леки електронни частици, въртящи се около тях и с такива скорости, че механичните центробежни сили просто балансират електростатичното им привличане към ядрото и в тази връзка, предполага се, е осигурена стабилността на атома .

Недостатъци на този модел

Основната идея на Ръдърфорд е свързана с идеята за малко атомно ядро. Предположението за електронните орбити беше чиста хипотеза. Той не знаеше точно къде и как се въртят електроните около ядрото. Следователно планетарният модел на Ръдърфорд не обяснява разпределението на електроните по орбитите.

Освен това стабилността на атома на Ръдърфорд е възможна само при непрекъснато движение на електрони в орбити без загуба на кинетична енергия. Но електродинамичните изчисления показват, че движението на електрони по всякакви криволинейни траектории, придружено от промяна в посоката на вектора на скоростта и появата на съответното ускорение, неизбежно е придружено от излъчване на електромагнитна енергия. В този случай, съгласно закона за запазване на енергията, кинетичната енергия на електрона трябва много бързо да се изразходва за радиация и тя трябва да падне върху ядрото, както е показано схематично на фигурата по-долу.

Но това не се случва, тъй като атомите са стабилни образувания. Между модела на явлението и експерименталните данни възникна типично за науката противоречие.

От Ръдърфорд до Нилс Бор

Следващата голяма стъпка напред в атомна историясе случи през 1913 г., когато датският учен Нилс Бор публикува описание на по-подробен модел на атома. Той по-ясно определя местата, където могат да бъдат разположени електрони. Въпреки че по-късно учените ще разработят по-сложни атомни проекти, планетарният модел на атома на Бор е в основата си правилен и голяма част от него все още се приема днес. Тя имаше много полезни приложения, например, използва се за обяснение на свойствата на различни химични елементи, естеството на техния радиационен спектър и структурата на атома. Планетарният модел и моделът на Бор бяха най-важните етапи, които отбелязаха появата на ново направление във физиката - физиката на микросвета. Бор получава Нобелова награда за физика през 1922 г. за приноса си към нашето разбиране за атомната структура.

Какво ново донесе Бор в атомния модел?

Докато е още млад, Бор работи в лабораторията на Ръдърфорд в Англия. Тъй като концепцията за електроните е слабо развита в модела на Ръдърфорд, Бор се фокусира върху тях. В резултат планетарният модел на атома беше значително подобрен. Постулатите на Бор, които той формулира в статията си „За структурата на атомите и молекулите“, публикувана през 1913 г., гласят:

1. Електроните могат да се движат около ядрото само на фиксирани разстояния от него, определени от количеството енергия, което имат. Той нарече тези фиксирани нива енергийни нива или електронни обвивки. Бор си ги представя като концентрични сфери с ядро в центъра на всяка. В този случай електрони с по-ниска енергия ще бъдат намерени при повече ниски нива, по-близо до сърцевината. Тези с повече енергия ще бъдат намерени на повече високи нива, по-далеч от ядрото.

2. Ако един електрон погълне определено (съвсем определено за дадено ниво) количество енергия, тогава той ще скочи на следващото, по-високо енергийно ниво. Обратно, ако загуби същото количество енергия, той ще се върне обратно към първоначалното си ниво. Един електрон обаче не може да съществува на две енергийни нива.

Тази идея е илюстрирана с рисунка.

Енергийни части за електрони

Моделът на атома на Бор всъщност е комбинация от две различни идеи: атомният модел на Ръдърфорд с електрони, обикалящи около ядро (по същество планетарният модел на атома на Бор-Ръдърфорд) и идеята на немския учен Макс Планк за квантуване на енергията на материята, публикувана през 1901 г. Квант (в множествено число- кванти) е минималното количество енергия, което може да бъде погълнато или излъчено от вещество. Това е един вид стъпка на дискретизиране на количеството енергия.

Ако енергията се сравни с водата и искате да я добавите към материята под формата на чаша, не можете просто да излеете вода в непрекъснат поток. Вместо това можете да го добавите в малки количества, като чаена лъжичка. Бор вярва, че ако електроните могат да абсорбират или губят само фиксирани количества енергия, тогава те трябва да променят енергията си само с тези фиксирани количества. По този начин те могат да заемат само фиксирани енергийни нива около ядрото, които съответстват на квантуваните увеличения на тяхната енергия.

Така от модела на Бор израства квантовият подход за обяснение на структурата на атома. Планетарният модел и моделът на Бор бяха уникални стъпки от класическата физика към квантовата физика, която е основният инструмент във физиката на микросвета, включително атомната физика.