ผู้เสนอแบบจำลองดาวเคราะห์นิวเคลียร์ของโครงสร้างของอะตอม แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม

ความคิดที่ว่าอะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารเกิดขึ้นครั้งแรกในระหว่างนั้น กรีกโบราณ. อย่างไรก็ตาม เฉพาะช่วงปลายศตวรรษที่ 18 เท่านั้น ต้องขอบคุณผลงานของนักวิทยาศาสตร์เช่น A. Lavoisier, M.V. Lomonosov และคนอื่นๆ ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าอะตอมมีอยู่จริง อย่างไรก็ตาม ในสมัยนั้นไม่มีใครสงสัยว่าโครงสร้างภายในของพวกเขาคืออะไร นักวิทยาศาสตร์ยังคงถือว่าอะตอมเป็น "ส่วนประกอบ" ที่แยกไม่ออกซึ่งประกอบขึ้นเป็นสสารทั้งหมด

พยายามอธิบายโครงสร้างของอะตอม

ใครคือนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ ความพยายามครั้งแรกในการสร้างแบบจำลองอนุภาคเหล่านี้เป็นของ J. Thomson อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถเรียกได้ว่าประสบความสำเร็จในความหมายที่สมบูรณ์ของคำนี้ ทอมสันเชื่อว่าอะตอมเป็นระบบทรงกลมและเป็นกลางทางไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าประจุบวกมีการกระจายเท่าๆ กันตลอดปริมาตรของลูกบอลนี้ และภายในนั้นมีนิวเคลียสที่มีประจุลบ ความพยายามทั้งหมดของนักวิทยาศาสตร์ในการอธิบายโครงสร้างภายในของอะตอมไม่ประสบผลสำเร็จ Ernest Rutherford เป็นผู้เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างของอะตอมไม่กี่ปีหลังจากที่ Thomson หยิบยกทฤษฎีของเขาขึ้นมา

ประวัติความเป็นมาของการวิจัย

ด้วยการค้นคว้าเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลซิสในปี 1833 ฟาราเดย์สามารถระบุได้ว่ากระแสในสารละลายอิเล็กโทรไลต์คือการไหลของอนุภาคที่มีประจุหรือไอออน จากการศึกษาเหล่านี้ เขาสามารถระบุประจุขั้นต่ำของไอออนได้ นอกจากนี้ D.I. Mendeleev นักเคมีในประเทศยังมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาทิศทางนี้ในวิชาฟิสิกส์ เขาเป็นคนแรกที่ตั้งคำถามในแวดวงวิทยาศาสตร์ว่าอะตอมทั้งหมดสามารถมีลักษณะที่เหมือนกันได้ เราจะเห็นว่าก่อนที่จะเสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของรัทเธอร์ฟอร์ดในโครงสร้างของอะตอมเป็นครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ดำเนินการทดลองที่สำคัญไม่แพ้กันจำนวนมาก พวกเขาพัฒนาทฤษฎีอะตอมของโครงสร้างของสสาร

การทดลองครั้งแรก

รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่เก่งกาจอย่างแท้จริง เพราะการค้นพบของเขาได้ปฏิวัติความเข้าใจในโครงสร้างของสสาร ในปีพ. ศ. 2454 เขาสามารถสร้างการทดลองได้ด้วยความช่วยเหลือซึ่งนักวิจัยสามารถมองเข้าไปในส่วนลึกอันลึกลับของอะตอมและเข้าใจว่าโครงสร้างภายในของมันคืออะไร การทดลองครั้งแรกดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์โดยได้รับการสนับสนุนจากนักวิจัยคนอื่น ๆ แต่บทบาทหลักในการค้นพบยังคงเป็นของรัทเธอร์ฟอร์ด

การทดลอง

ด้วยการใช้แหล่งกำเนิดรังสีกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถสร้างปืนใหญ่ที่ปล่อยกระแสอนุภาคแอลฟาออกมาได้ มันเป็นกล่องที่ทำจากตะกั่ว ภายในมีสารกัมมันตภาพรังสีอยู่ มีช่องในปืนที่อนุญาตให้อนุภาคอัลฟ่าทั้งหมดชนกับตะแกรงตะกั่ว พวกมันสามารถบินออกไปทางช่องเท่านั้น ในเส้นทางของลำแสงอนุภาคกัมมันตรังสีนี้มีหน้าจออีกหลายช่อง

พวกเขาแยกอนุภาคที่เบี่ยงเบนไปจากทิศทางที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ โจมตีเป้าหมายที่มุ่งเป้าไว้อย่างเข้มงวด Rutherford ใช้แผ่นฟอยล์สีทองบางๆ เป็นเป้าหมาย เมื่ออนุภาคกระทบแผ่นนี้ พวกมันยังคงเคลื่อนที่ต่อไปและชนกับฉากฟลูออเรสเซนต์ที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังเป้าหมายนี้ในที่สุด เมื่ออนุภาคอัลฟากระทบหน้าจอนี้ แสงวาบจะถูกบันทึก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถตัดสินได้ว่ามีอนุภาคที่เบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิมเมื่อชนกับฟอยล์จำนวนเท่าใด และขนาดของความเบี่ยงเบนนี้มีค่าเท่าใด

ความแตกต่างจากการทดลองครั้งก่อน

เด็กนักเรียนและนักเรียนที่สนใจว่าใครเสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างอะตอมควรรู้: มีการทดลองที่คล้ายกันในวิชาฟิสิกส์ก่อนรัทเธอร์ฟอร์ด แนวคิดหลักของพวกเขาคือการรวบรวมข้อมูลให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมจากการเบี่ยงเบนของอนุภาคจากวิถีโคจรดั้งเดิม การศึกษาทั้งหมดนี้นำไปสู่การสะสมข้อมูลทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งและกระตุ้นให้เกิดความคิด โครงสร้างภายในอนุภาคที่เล็กที่สุด

เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์รู้แล้วว่าอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ แต่ในหมู่นักวิจัยส่วนใหญ่ ความคิดเห็นที่แพร่หลายก็คือภายในอะตอมนั้นเหมือนกับตารางที่เต็มไปด้วยอนุภาคที่มีประจุลบมากกว่า การทดลองดังกล่าวทำให้สามารถรับข้อมูลได้มากมาย เช่น เพื่อกำหนดมิติทางเรขาคณิตของอะตอม

เดาเก่ง

รัทเทอร์ฟอร์ดสังเกตเห็นว่าไม่มีคนรุ่นก่อนๆ ของเขาคนใดเคยพยายามที่จะตัดสินว่าอนุภาคอัลฟาสามารถเบี่ยงเบนไปจากมุมที่กว้างมากจากวิถีของมันได้หรือไม่ แบบจำลองก่อนหน้านี้บางครั้งเรียกว่า "พุดดิ้งลูกเกด" ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ (เพราะตามแบบจำลองนี้ อิเล็กตรอนในอะตอมมีการกระจายเหมือนลูกเกดในพุดดิ้ง) ไม่อนุญาตให้มีส่วนประกอบหนาแน่นของโครงสร้างภายในอะตอม ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดใส่ใจที่จะพิจารณาทางเลือกนี้ด้วยซ้ำ นักวิจัยขอให้นักเรียนติดตั้งการติดตั้งใหม่ในลักษณะที่มีการบันทึกการเบี่ยงเบนขนาดใหญ่ของอนุภาคจากวิถีโคจร - เพียงเพื่อไม่รวมความเป็นไปได้นี้ ลองนึกภาพความประหลาดใจของทั้งนักวิทยาศาสตร์และนักเรียนของเขาเมื่อปรากฎว่ามีอนุภาคบางส่วนกระจัดกระจายในมุม 180 องศา

มีอะไรอยู่ภายในอะตอม?

เราพบว่าใครเสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างของอะตอมและประสบการณ์ของนักวิทยาศาสตร์คนนี้คืออะไร ในเวลานั้น การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดถือเป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง เขาถูกบังคับให้สรุปว่าภายในอะตอม มวลส่วนใหญ่บรรจุอยู่ในสสารที่มีความหนาแน่นมาก แผนภาพของแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างของอะตอมนั้นง่ายมาก: ภายในมีนิวเคลียสที่มีประจุบวก

อนุภาคอื่นๆ ที่เรียกว่าอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสนี้ ที่เหลือก็มีความหนาแน่นน้อยกว่าหลายเท่า การจัดเรียงอิเล็กตรอนภายในอะตอมไม่วุ่นวาย - อนุภาคถูกจัดเรียงตามลำดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น นักวิจัยเรียกส่วนภายในของนิวเคลียสของอะตอม ชื่อที่นักวิทยาศาสตร์แนะนำยังคงใช้ในทางวิทยาศาสตร์จนถึงทุกวันนี้

ต้องเตรียมตัวอย่างไรสำหรับบทเรียน?

เด็กนักเรียนที่สนใจผู้ที่เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างอะตอมสามารถแสดงความรู้เพิ่มเติมในบทเรียนได้ ตัวอย่างเช่น คุณสามารถพูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่ Rutherford หลังจากการทดลองของเขาชอบที่จะเปรียบเทียบการค้นพบของเขา ปืนสำหรับกลุ่มกบฏกำลังถูกลักลอบเข้าไปในประเทศทางตอนใต้ของทวีปแอฟริกา ซึ่งบรรจุอยู่ในกองฝ้าย เจ้าหน้าที่ศุลกากรจะระบุได้อย่างไรว่าสิ่งของอันตรายนั้นอยู่ที่ใด หากรถไฟเต็มไปด้วยก้อนเหล่านี้ เจ้าหน้าที่ศุลกากรอาจเริ่มยิงไปที่มัดฟาง และจุดที่กระสุนจะแฉลบคือตำแหน่งของอาวุธ รัทเทอร์ฟอร์ดเน้นย้ำว่านี่คือวิธีการค้นพบของเขาอย่างแน่นอน

สำหรับเด็กนักเรียนที่กำลังเตรียมตอบหัวข้อนี้ในชั้นเรียนแนะนำให้เตรียมคำตอบสำหรับคำถามต่อไปนี้:

1. ใครเป็นผู้เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างอะตอม?

2. จุดประสงค์ของการทดลองคืออะไร?

3. ข้อแตกต่างระหว่างโมเดลนิวเคลียร์กับโมเดลอื่นๆ

ความสำคัญของทฤษฎีของรัทเธอร์ฟอร์ด

ข้อสรุปที่รุนแรงที่รัทเทอร์ฟอร์ดได้จากการทดลองของเขาทำให้คนรุ่นราวคราวเดียวกันหลายคนสงสัยความจริงของแบบจำลองนี้ แม้แต่รัทเทอร์ฟอร์ดเองก็ไม่มีข้อยกเว้น - เขาตีพิมพ์ผลการวิจัยของเขาเพียงสองปีหลังจากการค้นพบ โดยยึดแนวคิดคลาสสิกว่าอนุภาคขนาดเล็กเคลื่อนที่อย่างไร เขาเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมของดาวเคราะห์นิวเคลียร์ โดยรวมแล้วอะตอมมีประจุเป็นกลาง อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส เช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์หมุนรอบดวงอาทิตย์ ความเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นเนื่องจาก กองกำลังคูลอมบ์. ใน ตอนนี้แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดได้รับการปรับเปลี่ยนอย่างมีนัยสำคัญ แต่การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สูญเสียความเกี่ยวข้องในปัจจุบัน

มวลของอิเล็กตรอนน้อยกว่ามวลอะตอมหลายพันเท่า เนื่องจากอะตอมโดยรวมมีความเป็นกลาง ดังนั้นมวลของอะตอมส่วนใหญ่จึงอยู่ในส่วนที่มีประจุบวก

สำหรับการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับการกระจายตัวของประจุบวกและมวลภายในอะตอม รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอในปี พ.ศ. 2449 ให้ใช้การตรวจวัดอะตอมโดยใช้ α -อนุภาค อนุภาคเหล่านี้เกิดขึ้นจากการสลายตัวของเรเดียมและองค์ประกอบอื่นๆ มวลของพวกมันมีค่าประมาณ 8,000 เท่าของมวลอิเล็กตรอน และประจุบวกของพวกมันจะมีขนาดเท่ากับสองเท่าของประจุของอิเล็กตรอน สิ่งเหล่านี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าอะตอมฮีเลียมที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ ความเร็ว α - อนุภาคมีขนาดใหญ่มาก โดยมีความเร็วประมาณ 1/15 ของความเร็วแสง

รัทเทอร์ฟอร์ดระดมยิงอะตอมของธาตุหนักด้วยอนุภาคเหล่านี้ อิเล็กตรอนเนื่องจากมีมวลต่ำจึงไม่สามารถเปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ได้อย่างเห็นได้ชัด α - อนุภาคเช่นเดียวกับก้อนกรวดที่มีน้ำหนักหลายสิบกรัมเมื่อชนกับรถก็ไม่สามารถเปลี่ยนความเร็วได้อย่างเห็นได้ชัด กระเจิง (เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนไหว) α -อนุภาคอาจเกิดจากส่วนที่มีประจุบวกของอะตอมเท่านั้น ดังนั้นโดยการกระเจิง α -อนุภาคสามารถกำหนดลักษณะของการกระจายตัวของประจุบวกและมวลภายในอะตอมได้

ยากัมมันตภาพรังสี เช่น เรเดียม ถูกวางไว้ในกระบอกสูบตะกั่ว 1 โดยมีการเจาะช่องแคบๆ บุญ α -อนุภาคจากช่องตกลงไปบนฟอยล์บางๆ 2 ที่ทำจากวัสดุที่กำลังศึกษา (ทอง ทองแดง ฯลฯ) หลังจากกระจาย α -อนุภาคตกลงบนตะแกรงโปร่งแสง 3 ที่เคลือบด้วยซิงค์ซัลไฟด์ การชนกันของอนุภาคแต่ละชนิดกับตะแกรงนั้นมาพร้อมกับแสงวาบ (แวววาว) ซึ่งสามารถสังเกตได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ 4 อุปกรณ์ทั้งหมดถูกวางไว้ในภาชนะที่อากาศถูกอพยพออกไป

ด้วยสุญญากาศอย่างดีภายในเครื่องและเมื่อไม่มีฟอยล์ วงกลมแสงก็ปรากฏขึ้นบนหน้าจอประกอบด้วยแสงแวววาวที่เกิดจากลำแสงบาง ๆ α -อนุภาค แต่เมื่อฟอยล์ถูกวางขวางทางลำแสง α -อนุภาคเนื่องจากการกระเจิงถูกกระจายบนหน้าจอเป็นวงกลม พื้นที่ขนาดใหญ่. รัทเทอร์ฟอร์ดพยายามตรวจจับความเบี่ยงเบนด้วยการปรับเปลี่ยนการตั้งค่าการทดลอง α - อนุภาคในมุมที่กว้าง ปรากฎว่ามีจำนวนน้อยอย่างไม่คาดคิด α - อนุภาค (ประมาณหนึ่งในสองพัน) ถูกเบี่ยงเบนไปในมุมที่มากกว่า 90° รัทเทอร์ฟอร์ดยอมรับในภายหลังว่า โดยเสนอให้นักเรียนทำการทดลองเพื่อสังเกตการกระเจิง α -อนุภาคในมุมกว้าง ตัวเขาเองไม่เชื่อในผลลัพธ์ที่เป็นบวก “มันเกือบจะเหลือเชื่อพอๆ กัน” รัทเทอร์ฟอร์ดกล่าว “ราวกับว่าคุณยิงกระสุนขนาด 15 นิ้วใส่กระดาษทิชชู่ แล้วกระสุนก็กลับมาโจมตีคุณ” ในความเป็นจริง มันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายผลลัพธ์นี้จากแบบจำลองของทอมสัน เมื่อกระจายไปทั่วอะตอม ประจุบวกไม่สามารถสร้างสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นเพียงพอที่จะเหวี่ยงอนุภาคแอลฟากลับไปได้ แรงผลักสูงสุดถูกกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์:

โดยที่ q α คือประจุ α -อนุภาค; q คือประจุบวกของอะตอม r คือรัศมี k - สัมประสิทธิ์สัดส่วน ความแรงของสนามไฟฟ้าของลูกบอลที่มีประจุสม่ำเสมอจะสูงสุดบนพื้นผิวของลูกบอล และจะลดลงเหลือศูนย์เมื่อเข้าใกล้จุดศูนย์กลาง ดังนั้น ยิ่งรัศมี r น้อย แรงผลักก็จะยิ่งมากขึ้น α -อนุภาค

การปรับขนาด นิวเคลียสของอะตอม. รัทเทอร์ฟอร์ดตระหนักเรื่องนั้น α -อนุภาคสามารถถูกโยนกลับได้ก็ต่อเมื่อประจุบวกของอะตอมและมวลของมันกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่เล็กๆ เท่านั้น นี่คือวิธีที่รัทเทอร์ฟอร์ดมาถึงแนวคิดของนิวเคลียสของอะตอม - วัตถุขนาดเล็กที่มีมวลเกือบทั้งหมดและประจุบวกทั้งหมดของอะตอมมีความเข้มข้น

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม, หรือ แบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ดเป็นแบบจำลองทางประวัติศาสตร์ของโครงสร้างของอะตอม ซึ่งเสนอโดยเออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด อันเป็นผลมาจากการทดลองด้วยการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา ตามแบบจำลองนี้ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกขนาดเล็ก ซึ่งมีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ เช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมสอดคล้องกับแนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม โดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนมีลักษณะเป็นควอนตัม และไม่ได้อธิบายไว้ในกฎของกลศาสตร์คลาสสิก ในอดีต แบบจำลองดาวเคราะห์ของรัทเทอร์ฟอร์ดมาแทนที่ "แบบจำลองพุดดิ้งพลัม" ของโจเซฟ จอห์น ทอมสัน ซึ่งตั้งสมมติฐานว่าอิเล็กตรอนที่มีประจุลบถูกวางอยู่ภายในอะตอมที่มีประจุบวก

แบบจำลองแรกของโครงสร้างของอะตอมถูกเสนอโดย J. Thomson ในปี 1904 โดยที่อะตอมนั้นเป็นทรงกลมที่มีประจุบวกซึ่งมีอิเล็กตรอนฝังอยู่ในนั้น แม้จะมีข้อบกพร่อง แต่แบบจำลองของทอมสันก็ทำให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์การปล่อย การดูดกลืน และการกระเจิงของแสงโดยอะตอมได้ รวมทั้งกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุแสงได้

ข้าว. 1. อะตอม ตามแบบจำลองของทอมสัน อิเล็กตรอนถูกยึดไว้ภายในทรงกลมที่มีประจุบวกด้วยแรงยืดหยุ่น ส่วนที่อยู่บนพื้นผิวสามารถ "ทำให้แตกออก" ได้อย่างง่ายดาย เหลืออะตอมที่แตกตัวเป็นไอออน

1. 2.2 แบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองของทอมสันถูกหักล้างโดยอี. รัทเธอร์ฟอร์ด (1911) ซึ่งพิสูจน์ว่าประจุบวกและมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในปริมาตรส่วนเล็กๆ นั่นคือนิวเคลียสซึ่งมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆ (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. โครงสร้างอะตอมแบบจำลองนี้เรียกว่าดาวเคราะห์ เนื่องจากอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสเหมือนกับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ

ตามกฎของอิเล็กโทรไดนามิกส์แบบคลาสสิก การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงกลมรอบนิวเคลียสจะคงที่หากแรงดึงดูดของคูลอมบ์เท่ากับแรงเหวี่ยง อย่างไรก็ตาม ตามทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนในกรณีนี้ควรเคลื่อนที่เป็นเกลียว ปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่อง และตกลงสู่นิวเคลียส อย่างไรก็ตามอะตอมมีความเสถียร

นอกจากนี้ ด้วยการแผ่รังสีพลังงานอย่างต่อเนื่อง อะตอมจะต้องแสดงสเปกตรัมที่ต่อเนื่องและต่อเนื่อง ที่จริงแล้ว สเปกตรัมของอะตอมประกอบด้วยเส้นตรงและอนุกรมแต่ละเส้น

ดังนั้นแบบจำลองนี้ขัดแย้งกับกฎของพลศาสตร์ไฟฟ้าและไม่ได้อธิบายธรรมชาติของเส้นสเปกตรัมของอะตอม

2.3. แบบจำลองบอร์

ในปี พ.ศ. 2456 เอ็น. บอร์เสนอทฤษฎีโครงสร้างอะตอมของเขาโดยไม่ปฏิเสธแนวคิดก่อนหน้านี้โดยสิ้นเชิง Bohr ใช้ทฤษฎีของเขาอยู่บนพื้นฐานสองข้อ

สมมุติฐานแรกบอกว่าอิเล็กตรอนสามารถหมุนรอบนิวเคลียสได้เฉพาะในวงโคจรที่อยู่นิ่งกับที่เท่านั้น ขณะอยู่บนนั้นจะไม่ปล่อยหรือดูดซับพลังงาน (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. แบบจำลองโครงสร้างของอะตอมบอร์ การเปลี่ยนแปลงสถานะของอะตอมเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปอีกวงหนึ่ง

เมื่อเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรที่อยู่นิ่ง พลังงานสำรองของอิเล็กตรอน (E 1, E 2 ... ) จะคงที่ ยิ่งวงโคจรอยู่ใกล้นิวเคลียสมากเท่าใด พลังงานสำรองของอิเล็กตรอน E 1 ˂ E 2 …˂ E n ก็จะน้อยลงเท่านั้น พลังงานอิเล็กตรอนในวงโคจรถูกกำหนดโดยสมการ:

โดยที่ m คือมวลอิเล็กตรอน h คือค่าคงที่ของพลังค์ n – 1, 2, 3... (n=1 สำหรับวงโคจรที่ 1, n=2 สำหรับวงที่ 2 เป็นต้น)

สมมุติฐานที่สองบอกว่าเมื่อเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปอีกวงหนึ่ง อิเล็กตรอนจะดูดซับหรือปล่อยพลังงานควอนตัม (ส่วนหนึ่ง)

หากอะตอมสัมผัสกับอิทธิพล (ความร้อน การฉายรังสี ฯลฯ) อิเล็กตรอนก็สามารถดูดซับพลังงานควอนตัมและเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น (รูปที่ 3) ในกรณีนี้ เราพูดถึงสภาวะตื่นเต้นของอะตอม ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านแบบย้อนกลับของอิเล็กตรอน (ไปยังวงโคจรใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น) พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรูปของควอนตัมของพลังงานการแผ่รังสี - โฟตอน ซึ่งระบุด้วยเส้นเฉพาะในสเปกตรัม ขึ้นอยู่กับสูตร

,

โดยที่ γ คือความยาวคลื่น n = ตัวเลขควอนตัมที่แสดงลักษณะของวงโคจรใกล้และไกล Bohr คำนวณความยาวคลื่นสำหรับอนุกรมทั้งหมดในสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน ผลลัพธ์ที่ได้มีความสอดคล้องกับข้อมูลการทดลอง ต้นกำเนิดของสเปกตรัมเส้นไม่ต่อเนื่องชัดเจน เป็นผลจากการปล่อยพลังงานโดยอะตอมระหว่างการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากสถานะตื่นเต้นไปเป็นสถานะหยุดนิ่ง การเปลี่ยนอิเล็กตรอนไปยังวงโคจรที่ 1 ก่อให้เกิดกลุ่มความถี่ของอนุกรม Lyman ไปยังลำดับที่ 2 – อนุกรม Balmer และไปยังอนุกรม Paschen ที่ 3 (รูปที่ 4 ตารางที่ 1)

ข้าว. 4. ความสอดคล้องระหว่างการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กทรอนิกส์กับเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน

ตารางที่ 1

การตรวจสอบสูตรของบอร์สำหรับอนุกรมสเปกตรัมไฮโดรเจน

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีของบอร์ไม่สามารถอธิบายการแยกเส้นในสเปกตรัมของอะตอมหลายอิเล็กตรอนได้ บอร์พิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค และใช้กฎลักษณะของอนุภาคเพื่ออธิบายอิเล็กตรอน ในเวลาเดียวกัน มีข้อเท็จจริงสะสมบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนสามารถแสดงคุณสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน กลศาสตร์แบบคลาสสิกไม่สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดเล็กที่มีคุณสมบัติของอนุภาควัสดุและคุณสมบัติของคลื่นไปพร้อมๆ กัน ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเป็นทฤษฎีทางกายภาพที่ศึกษารูปแบบทั่วไปของการเคลื่อนที่และอันตรกิริยาของอนุภาคขนาดเล็กที่มีมวลต่ำมาก (ตารางที่ 2)

ตารางที่ 2

คุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานที่ก่อตัวเป็นอะตอม

พวกเขากลายเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาฟิสิกส์ แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดมีความสำคัญอย่างยิ่ง อะตอมในฐานะระบบและอนุภาคที่ประกอบกันได้รับการศึกษาอย่างแม่นยำและละเอียดยิ่งขึ้น สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาวิทยาศาสตร์เช่นฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ประสบความสำเร็จ

แนวคิดโบราณเกี่ยวกับโครงสร้างของสสาร

สมมติฐานที่ว่าวัตถุที่อยู่รอบๆ ประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ นั้นมีมาตั้งแต่สมัยโบราณ นักคิดในสมัยนั้นจินตนาการว่าอะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดและแบ่งแยกไม่ได้ของสารใดๆ พวกเขาแย้งว่าไม่มีสิ่งใดในจักรวาลที่เล็กกว่าอะตอม มุมมองดังกล่าวจัดขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาชาวกรีกโบราณผู้ยิ่งใหญ่ - Democritus, Lucretius, Epicurus ปัจจุบันสมมติฐานของนักคิดเหล่านี้รวมกันเป็นหนึ่งเดียวภายใต้ชื่อ "อะตอมนิยมโบราณ"

การแสดงในยุคกลาง

ยุคโบราณได้ผ่านไปแล้ว และในยุคกลางก็มีนักวิทยาศาสตร์ที่ตั้งสมมติฐานหลายประการเกี่ยวกับโครงสร้างของสาร อย่างไรก็ตาม ความครอบงำของมุมมองทางปรัชญาทางศาสนาและอำนาจของคริสตจักรในช่วงเวลาของประวัติศาสตร์นั้นได้ขัดขวางความพยายามและแรงบันดาลใจของจิตใจมนุษย์ในการสรุปและการค้นพบทางวิทยาศาสตร์เชิงวัตถุนิยม ดังที่คุณทราบการสืบสวนในยุคกลางมีพฤติกรรมที่ไม่เป็นมิตรอย่างมากกับตัวแทนของโลกวิทยาศาสตร์ในยุคนั้น ยังคงต้องกล่าวกันว่าจิตใจที่สว่างไสวในสมัยนั้นมีแนวคิดเรื่องการแบ่งแยกไม่ได้ของอะตอมซึ่งมาจากสมัยโบราณ

การศึกษาของศตวรรษที่ 18 และ 19

ศตวรรษที่ 18 มีการค้นพบครั้งสำคัญในด้านโครงสร้างเบื้องต้นของสสาร ต้องขอบคุณความพยายามของนักวิทยาศาสตร์เช่น Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov และกันและกันอย่างเป็นอิสระ พวกเขาสามารถพิสูจน์ได้ว่าอะตอมมีอยู่จริง แต่คำถามเกี่ยวกับโครงสร้างภายในยังคงเปิดกว้างอยู่ จุดสิ้นสุดของศตวรรษที่ 18 มีเหตุการณ์สำคัญในโลกวิทยาศาสตร์เกิดขึ้น เช่น การค้นพบตารางธาตุโดย D. I. Mendeleev องค์ประกอบทางเคมี. นี่เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่ทรงพลังอย่างแท้จริงในยุคนั้น และเปิดม่านความเข้าใจว่าอะตอมทั้งหมดมีธรรมชาติเป็นหนึ่งเดียว และมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ต่อมาในศตวรรษที่ 19 ขั้นตอนสำคัญอีกก้าวหนึ่งในการคลี่คลายโครงสร้างของอะตอมคือการพิสูจน์ว่าสิ่งใดสิ่งหนึ่งมีอิเล็กตรอน งานของนักวิทยาศาสตร์ในช่วงเวลานี้เตรียมพื้นที่อันอุดมสมบูรณ์สำหรับการค้นพบในศตวรรษที่ 20

การทดลองของทอมสัน

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น ทอมสัน พิสูจน์ในปี พ.ศ. 2440 ว่าอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ในขั้นตอนนี้ ความคิดผิดๆ ที่ว่าอะตอมมีขีดจำกัดในการแบ่งสสารใดๆ ได้ถูกทำลายไปหมดแล้ว ทอมสันพิสูจน์การมีอยู่ของอิเล็กตรอนได้อย่างไร ในการทดลองของเขา นักวิทยาศาสตร์ได้วางอิเล็กโทรดในก๊าซที่ทำให้บริสุทธิ์สูงและผ่านไป ไฟฟ้า. ส่งผลให้มีรังสีแคโทดปรากฏขึ้น ทอมสันศึกษาคุณลักษณะของพวกมันอย่างรอบคอบและค้นพบว่าพวกมันคือกระแสอนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมหาศาล นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณมวลของอนุภาคและประจุเหล่านี้ได้ นอกจากนี้เขายังพบว่าพวกมันไม่สามารถแปลงเป็นอนุภาคที่เป็นกลางได้เพราะว่า ค่าไฟฟ้า- นี่คือพื้นฐานของธรรมชาติของพวกเขา ทอมสันจึงเป็นผู้สร้างแบบจำลองโครงสร้างอะตอมรุ่นแรกของโลกด้วย อะตอมเป็นกลุ่มของสสารที่มีประจุบวกซึ่งมีการกระจายอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอย่างเท่าเทียมกัน โครงสร้างนี้อธิบายความเป็นกลางโดยทั่วไปของอะตอม เนื่องจากประจุที่อยู่ตรงข้ามกันจะสมดุลกัน การทดลองของจอห์น ทอมสันกลายเป็นสิ่งล้ำค่าสำหรับการศึกษาโครงสร้างของอะตอมเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม คำถามมากมายยังคงไม่ได้รับคำตอบ

งานวิจัยของรัทเทอร์ฟอร์ด

ทอมสันค้นพบการมีอยู่ของอิเล็กตรอน แต่เขาไม่สามารถค้นหาอนุภาคที่มีประจุบวกในอะตอมได้ แก้ไขความเข้าใจผิดนี้ในปี พ.ศ. 2454 ในระหว่างการทดลอง โดยศึกษากิจกรรมของอนุภาคอัลฟาในก๊าซ เขาค้นพบว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก รัทเทอร์ฟอร์ดเห็นว่าเมื่อรังสีผ่านก๊าซหรือผ่านก๊าซบางๆ แผ่นเหล็กมีการเบี่ยงเบนอย่างรุนแรงของอนุภาคจำนวนเล็กน้อยจากวิถีการเคลื่อนที่ พวกเขาถูกโยนกลับอย่างแท้จริง นักวิทยาศาสตร์เดาว่าพฤติกรรมนี้อธิบายได้จากการชนกับอนุภาคที่มีประจุบวก การทดลองดังกล่าวทำให้นักฟิสิกส์สามารถสร้างแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมรัทเทอร์ฟอร์ดได้

แบบจำลองดาวเคราะห์

ตอนนี้ความคิดของนักวิทยาศาสตร์ค่อนข้างแตกต่างไปจากสมมติฐานของจอห์น ทอมสัน พวกเขาแตกต่างออกไปและแบบจำลองอะตอมของพวกเขา ทำให้เขาสามารถสร้างทฤษฎีใหม่อย่างสมบูรณ์ในด้านนี้ การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาฟิสิกส์ต่อไป แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายว่าอะตอมมีนิวเคลียสอยู่ที่ศูนย์กลางและมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆ นิวเคลียสมีประจุบวก และอิเล็กตรอนก็มีประจุลบ แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสตามวิถีโคจรที่แน่นอน การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ช่วยอธิบายสาเหตุของการโก่งตัวของอนุภาคอัลฟาและกลายเป็นแรงผลักดันในการพัฒนาทฤษฎีนิวเคลียร์ของอะตอม แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นความคล้ายคลึงกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ระบบสุริยะรอบดวงอาทิตย์ นี่เป็นการเปรียบเทียบที่แม่นยำและชัดเจนมาก ดังนั้นแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดซึ่งอะตอมเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในวงโคจรจึงถูกเรียกว่าดาวเคราะห์

ผลงานของนีลส์ โบห์ร

สองปีต่อมา Niels Bohr นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กพยายามผสมผสานแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมเข้ากับคุณสมบัติควอนตัม ฟลักซ์ส่องสว่าง. แบบจำลองอะตอมนิวเคลียร์ของรัทเทอร์ฟอร์ดถูกใช้โดยนักวิทยาศาสตร์เป็นพื้นฐานสำหรับเขา ทฤษฎีใหม่. จากข้อมูลของ Bohr อะตอมหมุนรอบนิวเคลียสในวงโคจรเป็นวงกลม วิถีการเคลื่อนที่นี้นำไปสู่การเร่งความเร็วของอิเล็กตรอน นอกจากนี้ปฏิสัมพันธ์ของคูลอมบ์ของอนุภาคเหล่านี้กับศูนย์กลางของอะตอมจะมาพร้อมกับการสร้างและการใช้พลังงานเพื่อรักษาสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงพื้นที่ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ภายใต้สภาวะเช่นนี้ สักวันหนึ่งอนุภาคที่มีประจุลบจะต้องตกลงสู่นิวเคลียส แต่สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นซึ่งบ่งบอกถึงเสถียรภาพที่มากขึ้นของอะตอมในฐานะระบบ นีลส์ บอร์ตระหนักว่ากฎของอุณหพลศาสตร์คลาสสิกซึ่งอธิบายโดยสมการของแมกซ์เวลล์ ไม่ได้ทำงานในสภาวะภายในอะตอม ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงมอบหมายหน้าที่ในการอนุมานกฎใหม่ที่จะมีผลบังคับใช้ในโลกของอนุภาคมูลฐาน

สมมุติฐานของบอร์

สาเหตุหลักมาจากความจริงที่ว่าแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดมีอยู่จริง อะตอมและส่วนประกอบของมันได้รับการศึกษาอย่างดี นีลส์ โบห์จึงสามารถเข้าใกล้การสร้างสมมุติฐานของเขาได้ ประการแรกระบุว่าอะตอมมีอยู่ซึ่งมันไม่เปลี่ยนพลังงานในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรโดยไม่เปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ ตามสมมุติฐานที่สอง เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปอีกวงหนึ่ง พลังงานจะถูกปล่อยหรือดูดซับ มันเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานของสถานะก่อนหน้าและสถานะถัดไปของอะตอม ยิ่งไปกว่านั้น หากอิเล็กตรอนกระโดดเข้าสู่วงโคจรใกล้กับนิวเคลียส การแผ่รังสีก็จะเกิดขึ้นและในทางกลับกัน แม้ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะมีความคล้ายคลึงเล็กน้อยกับวิถีการโคจรที่อยู่ในวงกลมอย่างเคร่งครัด แต่การค้นพบของ Bohr ทำให้สามารถได้รับคำอธิบายที่ดีเยี่ยมเกี่ยวกับการมีอยู่ของสเปกตรัมเส้น ในช่วงเวลาเดียวกัน นักฟิสิกส์ Hertz และ Frank ซึ่ง อาศัยอยู่ในประเทศเยอรมนี ยืนยันคำสอนของ Niels Bohr เกี่ยวกับการดำรงอยู่ของสถานะคงที่และเสถียรของอะตอมและความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนแปลงค่าของพลังงานปรมาณู

ความร่วมมือระหว่างนักวิทยาศาสตร์สองคน

ยังไงก็ตาม รัทเทอร์ฟอร์ด เวลานานไม่สามารถระบุได้ นักวิทยาศาสตร์ Marsden และ Geiger พยายามตรวจสอบคำกล่าวของ Ernest Rutherford อีกครั้ง และจากการทดลองและการคำนวณอย่างละเอียดและรอบคอบ ก็สรุปได้ว่ามันคือนิวเคลียสที่ ลักษณะที่สำคัญที่สุดอะตอมและประจุทั้งหมดก็กระจุกตัวอยู่ในนั้น ต่อมาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าค่าของประจุนิวเคลียร์เป็นตัวเลขเท่ากับเลขอะตอมของธาตุนั้น ตารางธาตุองค์ประกอบโดย D.I. Mendeleev สิ่งที่น่าสนใจคือ Niels Bohr ได้พบกับ Rutherford ในไม่ช้าและเห็นด้วยกับความคิดเห็นของเขาโดยสิ้นเชิง ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานร่วมกันในห้องทดลองเดียวกันเป็นเวลานาน แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ซึ่งเป็นอะตอมในฐานะระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคมีประจุเบื้องต้น ทั้งหมดนี้ Niels Bohr ถือว่ายุติธรรมและละทิ้งแบบจำลองอิเล็กทรอนิกส์ของเขาไปตลอดกาล ข้อต่อ กิจกรรมทางวิทยาศาสตร์นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จอย่างมากและเกิดผล แต่ละคนเจาะลึกการศึกษาคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานและทำให้การค้นพบมีความสำคัญต่อวิทยาศาสตร์ ต่อมารัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบและพิสูจน์ความเป็นไปได้ของการสลายตัวของนิวเคลียร์ แต่นี่เป็นหัวข้อสำหรับบทความอื่น

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมถูกเสนอโดย E. Rutherford ในปี 1910 เขาได้ทำการศึกษาโครงสร้างของอะตอมเป็นครั้งแรกโดยใช้อนุภาคอัลฟา จากผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองการกระเจิง รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่าประจุบวกทั้งหมดของอะตอมมีความเข้มข้นในนิวเคลียสเล็กๆ ที่อยู่ใจกลางของมัน ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะถูกกระจายไปทั่วปริมาตรที่เหลือ

พื้นหลังเล็กน้อย

การคาดเดาที่ยอดเยี่ยมครั้งแรกเกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอมนั้นเกิดขึ้นโดย Democritus นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ ตั้งแต่นั้นมา ความคิดเรื่องการมีอยู่ของอะตอมซึ่งก่อให้เกิดสสารทั้งหมดรอบตัวเราไม่ได้ละทิ้งจินตนาการของผู้คนในแวดวงวิทยาศาสตร์ ตัวแทนหลายคนติดต่อเธอเป็นระยะ แต่ก่อนหน้านี้ ต้น XIXศตวรรษของการก่อสร้างเป็นเพียงสมมติฐาน ซึ่งไม่ได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลการทดลอง

ในที่สุด ในปี 1804 กว่าร้อยปีก่อนที่แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมจะปรากฏขึ้น นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จอห์น ดาลตัน ได้นำเสนอหลักฐานของการดำรงอยู่ของมัน และแนะนำแนวคิดเรื่องน้ำหนักอะตอม ซึ่งเป็นลักษณะเชิงปริมาณประการแรก เช่นเดียวกับรุ่นก่อนๆ เขาคิดว่าอะตอมเป็นสสารเล็กๆ เหมือนลูกบอลแข็งที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นอนุภาคเล็กๆ ได้

การค้นพบอิเล็กตรอนและแบบจำลองแรกของอะตอม

เกือบหนึ่งศตวรรษผ่านไปในที่สุด ปลาย XIXศตวรรษนี้ ชาวอังกฤษ เจ. เจ. ทอมสันยังได้ค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอมตัวแรก ซึ่งก็คืออิเล็กตรอนที่มีประจุลบ เนื่องจากอะตอมมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ทอมสันจึงคิดว่าอะตอมจะต้องประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวก โดยมีอิเล็กตรอนกระจัดกระจายไปทั่วปริมาตร จากผลการทดลองต่างๆ เขาเสนอแบบจำลองอะตอมของเขาในปี พ.ศ. 2441 ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "พลัมในพุดดิ้ง" เพราะมันเป็นตัวแทนของอะตอมว่าเป็นทรงกลมที่เต็มไปด้วยของเหลวที่มีประจุบวกซึ่งมีอิเล็กตรอนฝังอยู่ในนั้นเหมือน "พลัม" เข้าไป พุดดิ้ง” รัศมีของแบบจำลองทรงกลมดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 10 -8 ซม. ประจุบวกโดยรวมของของเหลวนั้นมีความสมมาตรและสมดุลโดยประจุลบของอิเล็กตรอนดังแสดงในรูปด้านล่าง

แบบจำลองนี้อธิบายข้อเท็จจริงได้อย่างน่าพอใจว่าเมื่อสารได้รับความร้อน สารจะเริ่มเปล่งแสง แม้ว่านี่จะเป็นความพยายามครั้งแรกในการทำความเข้าใจว่าอะตอมคืออะไร แต่ก็ล้มเหลวในการตอบสนองผลลัพธ์ของการทดลองที่ Rutherford และคนอื่นๆ ดำเนินการในภายหลัง ทอมสันตกลงในปี 1911 ว่าแบบจำลองของเขาไม่สามารถตอบได้ว่าการกระเจิงของรังสี α ที่สังเกตได้จากการทดลองเกิดขึ้นได้อย่างไรและทำไม ดังนั้นมันจึงถูกละทิ้งและถูกแทนที่ด้วยแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ขั้นสูงกว่า

อะตอมมีโครงสร้างอย่างไร?

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด อธิบายปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีที่นำเขามา รางวัลโนเบลอย่างไรก็ตาม การมีส่วนร่วมที่สำคัญที่สุดของเขาในด้านวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นในเวลาต่อมา เมื่อเขาพิสูจน์ได้ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนาแน่นที่ล้อมรอบด้วยวงโคจรของอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับที่ดวงอาทิตย์ถูกล้อมรอบด้วยวงโคจรของดาวเคราะห์

ตามแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม มวลส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสเล็กๆ (เทียบกับขนาดของอะตอมทั้งหมด) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสด้วยความเร็วอันน่าเหลือเชื่อ แต่ปริมาตรของอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง

ขนาดของนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากจนมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าอะตอมถึง 100,000 เท่า เส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสประเมินโดย Rutherford ไว้ที่ 10 -13 ซม. ตรงกันข้ามกับขนาดของอะตอม - 10 -8 ซม. นอกนิวเคลียสอิเล็กตรอนหมุนรอบมันด้วยความเร็วสูงส่งผลให้แรงเหวี่ยงที่ทำให้สมดุลของไฟฟ้าสถิต แรงดึงดูดระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอน

การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2454 หลังจากการทดลองฟอยล์ทองคำอันโด่งดัง ซึ่งทำให้สามารถรับข้อมูลพื้นฐานบางอย่างเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมได้ เส้นทางของรัทเทอร์ฟอร์ดในการค้นพบนิวเคลียสของอะตอมคือ ตัวอย่างที่ดีบทบาทของความคิดสร้างสรรค์ในทางวิทยาศาสตร์ การค้นหาของเขาเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2442 เมื่อเขาค้นพบว่าองค์ประกอบบางอย่างปล่อยอนุภาคที่มีประจุบวกออกมาซึ่งสามารถทะลุผ่านทุกสิ่งได้ เขาเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าอนุภาคอัลฟา (α) (ตอนนี้เรารู้แล้วว่าพวกมันคือนิวเคลียสฮีเลียม) เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์ที่ดีทุกคน รัทเทอร์ฟอร์ดก็อยากรู้อยากเห็น เขาสงสัยว่าอนุภาคอัลฟ่าสามารถใช้เพื่อเรียนรู้โครงสร้างของอะตอมได้หรือไม่ รัทเทอร์ฟอร์ดตัดสินใจเล็งลำแสงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นฟอยล์สีทองบางมาก เขาเลือกทองคำเพราะมันสามารถทำเป็นแผ่นบางได้ถึง 0.00004 ซม. ด้านหลังแผ่นฟอยล์สีทอง เขาวางฉากที่เรืองแสงเมื่ออนุภาคอัลฟ่ากระทบกับมัน มันถูกใช้เพื่อตรวจจับอนุภาคอัลฟ่าหลังจากที่พวกมันผ่านฟอยล์ ช่องเล็กๆ ในหน้าจอทำให้ลำแสงอนุภาคอัลฟาไปถึงฟอยล์ได้หลังจากออกจากแหล่งกำเนิดแล้ว บางส่วนควรทะลุฟอยล์แล้วเคลื่อนที่ต่อไปในทิศทางเดียวกัน ส่วนอีกส่วนหนึ่งควรเด้งออกจากฟอยล์และสะท้อนเป็นมุมแหลม คุณสามารถดูการออกแบบการทดลองได้ในรูปด้านล่าง

เกิดอะไรขึ้นในการทดลองของรัทเธอร์ฟอร์ด?

จากแบบจำลองอะตอมของ J. J. Thomson รัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าบริเวณที่มีประจุบวกต่อเนื่องซึ่งเติมปริมาตรอะตอมของทองคำทั้งหมดจะเบี่ยงเบนหรือทำให้วิถีโคจรของอนุภาคแอลฟาทั้งหมดเคลื่อนผ่านฟอยล์

อย่างไรก็ตาม อนุภาคอัลฟาส่วนใหญ่จะทะลุผ่านแผ่นฟอยล์สีทองโดยตรง ราวกับว่าไม่มีอยู่ตรงนั้น ดูเหมือนพวกเขาจะผ่านพื้นที่ว่าง มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่เบี่ยงเบนไปจากเส้นทางตรงตามที่คาดไว้ในตอนแรก ด้านล่างนี้คือกราฟของจำนวนอนุภาคที่กระจัดกระจายในทิศทางที่สอดคล้องกันเทียบกับมุมการกระเจิง

น่าประหลาดใจที่อนุภาคจำนวนเล็กน้อยกระเด้งกลับจากฟอยล์ เหมือนกับลูกบาสเก็ตบอลที่กระดอนจากพนัก รัทเทอร์ฟอร์ดตระหนักว่าความเบี่ยงเบนเหล่านี้เป็นผลมาจากการชนกันโดยตรงระหว่างอนุภาคแอลฟากับส่วนประกอบที่มีประจุบวกของอะตอม

แกนกลางเป็นศูนย์กลาง

จากเปอร์เซ็นต์เล็กน้อยของอนุภาคแอลฟาที่สะท้อนจากฟอยล์ เราสามารถสรุปได้ว่าประจุบวกทั้งหมดและมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่เล็กๆ แห่งหนึ่ง และส่วนที่เหลือของอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง รัทเทอร์ฟอร์ด เรียกบริเวณที่มีประจุบวกเข้มข้นว่านิวเคลียส เขาทำนายและค้นพบในไม่ช้าว่ามันมีอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งเขาเรียกว่าโปรตอน รัทเทอร์ฟอร์ดทำนายการมีอยู่ของอนุภาคอะตอมเป็นกลางที่เรียกว่านิวตรอน แต่เขาไม่สามารถตรวจจับพวกมันได้ อย่างไรก็ตาม นักเรียนของเขา James Chadwick ค้นพบสิ่งเหล่านี้ในอีกไม่กี่ปีต่อมา รูปด้านล่างแสดงโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนักที่มีประจุบวกซึ่งล้อมรอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่เบามากซึ่งมีประจุลบซึ่งหมุนอยู่รอบ ๆ พวกมันและด้วยความเร็วที่แรงเหวี่ยงเชิงกลเพียงแค่สร้างสมดุลระหว่างแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตกับนิวเคลียสและในเรื่องนี้ตามที่คาดคะเนความเสถียรของอะตอมนั้นมั่นใจได้ .

ข้อเสียของรุ่นนี้

แนวคิดหลักของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องนิวเคลียสของอะตอมขนาดเล็ก ข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นเป็นสมมติฐานล้วนๆ เขาไม่ทราบแน่ชัดว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสที่ไหนและอย่างไร ดังนั้นแบบจำลองดาวเคราะห์ของรัทเทอร์ฟอร์ดจึงไม่ได้อธิบายการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในวงโคจร

นอกจากนี้ความเสถียรของอะตอมรัทเทอร์ฟอร์ดยังเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องในวงโคจรโดยไม่สูญเสียพลังงานจลน์ แต่การคำนวณทางไฟฟ้าไดนามิกแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามวิถีโค้งใด ๆ ที่มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงทิศทางของเวกเตอร์ความเร็วและลักษณะของความเร่งที่สอดคล้องกันนั้นจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกรณีนี้ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนควรใช้ไปกับการแผ่รังสีอย่างรวดเร็ว และพลังงานดังกล่าวควรตกสู่นิวเคลียส ดังแสดงแผนผังในรูปด้านล่าง

แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นเนื่องจากอะตอมเป็นรูปแบบที่เสถียร ความขัดแย้งที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปสำหรับวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นระหว่างแบบจำลองของปรากฏการณ์และข้อมูลการทดลอง

จากรัทเทอร์ฟอร์ดถึงนีลส์ โบห์ร

ก้าวที่ยิ่งใหญ่ต่อไปใน ประวัติอะตอมเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2456 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก นีลส์ บอร์ ได้ตีพิมพ์คำอธิบายเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมที่มีรายละเอียดมากขึ้น มันระบุตำแหน่งที่สามารถระบุตำแหน่งอิเล็กตรอนได้ชัดเจนยิ่งขึ้น แม้ว่าในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์จะพัฒนาการออกแบบอะตอมที่ซับซ้อนมากขึ้น แต่โดยพื้นฐานแล้วแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมของบอร์นั้นมีความถูกต้อง และส่วนใหญ่ยังคงเป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน เธอมีมากมาย แอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์ตัวอย่างเช่น ใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ธรรมชาติของสเปกตรัมรังสี และโครงสร้างของอะตอม แบบจำลองดาวเคราะห์และแบบจำลองบอร์เป็นเหตุการณ์สำคัญที่สำคัญที่สุดที่บ่งบอกถึงการเกิดขึ้นของทิศทางใหม่ในฟิสิกส์ - ฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์ Bohr ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1922 จากผลงานของเขาในการทำความเข้าใจโครงสร้างอะตอม

Bohr นำอะไรใหม่มาสู่แบบจำลองอะตอม?

ขณะที่ยังเป็นชายหนุ่ม Bohr ทำงานในห้องทดลองของ Rutherford ในอังกฤษ เนื่องจากแนวคิดเรื่องอิเล็กตรอนได้รับการพัฒนาไม่ดีในแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด บอร์จึงมุ่งความสนใจไปที่อิเล็กตรอนเหล่านั้น เป็นผลให้แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ สมมุติฐานของบอร์ซึ่งเขาได้กำหนดไว้ในบทความเรื่อง "เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล" ซึ่งตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2456 ระบุว่า:

1. อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสได้ในระยะห่างที่คงที่เท่านั้น โดยพิจารณาจากปริมาณพลังงานที่พวกมันมี เขาเรียกระดับพลังงานระดับคงที่เหล่านี้หรือเปลือกอิเล็กตรอน บอร์จินตนาการว่ามันเป็นทรงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน โดยมีนิวเคลียสอยู่ตรงกลางของแต่ละทรงกลม ในกรณีนี้จะพบอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำกว่าที่มากกว่า ระดับต่ำใกล้กับแกนกลางมากขึ้น ผู้ที่มีพลังงานมากจะพบได้ที่มากขึ้น ระดับสูงเพิ่มเติมจากแกนกลาง

2. หากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงานจำนวนหนึ่ง (ค่อนข้างแน่นอนสำหรับระดับที่กำหนด) มันจะกระโดดไปยังระดับพลังงานถัดไปที่สูงกว่า ในทางกลับกัน หากเขาสูญเสียพลังงานในปริมาณเท่าเดิม เขาจะกลับสู่ระดับเดิม อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนไม่สามารถมีอยู่ในระดับพลังงานสองระดับได้

แนวคิดนี้แสดงด้วยภาพวาด

ส่วนพลังงานสำหรับอิเล็กตรอน

แบบจำลองอะตอมของ Bohr เป็นการผสมผสานระหว่างแนวคิดที่แตกต่างกันสองประการ: แบบจำลองอะตอมของ Rutherford ที่มีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส (โดยพื้นฐานแล้วคือแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ Bohr-Rutherford) และแนวคิดของ Max Planck นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันในการหาปริมาณพลังงานของสสาร ตีพิมพ์ในปี 1901 ควอนตัม (นิ้ว พหูพจน์- ควอนตัม) คือปริมาณพลังงานขั้นต่ำที่สารสามารถดูดซับหรือปล่อยออกมาได้ เป็นขั้นตอนหนึ่งของการแบ่งแยกปริมาณพลังงาน

หากเปรียบเทียบพลังงานกับน้ำและคุณต้องการเพิ่มให้กลายเป็นแก้ว คุณจะไม่สามารถเทน้ำลงในกระแสน้ำอย่างต่อเนื่องได้ คุณสามารถเพิ่มในปริมาณเล็กน้อยแทน เช่น ช้อนชา บอร์เชื่อว่าหากอิเล็กตรอนสามารถดูดซับหรือสูญเสียพลังงานในปริมาณคงที่เท่านั้น พวกมันจะต้องเปลี่ยนแปลงพลังงานตามปริมาณคงที่เท่านั้น ดังนั้น พวกมันจึงสามารถครอบครองระดับพลังงานคงที่รอบนิวเคลียสที่สอดคล้องกับพลังงานที่เพิ่มขึ้นในเชิงปริมาณเท่านั้น

ดังนั้น จากแบบจำลองของบอร์จึงได้ขยายแนวทางควอนตัมเพื่ออธิบายว่าโครงสร้างของอะตอมคืออะไร แบบจำลองดาวเคราะห์และแบบจำลอง Bohr เป็นขั้นตอนพิเศษตั้งแต่ฟิสิกส์คลาสสิกไปจนถึงฟิสิกส์ควอนตัม ซึ่งเป็นเครื่องมือหลักในฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์ ซึ่งรวมถึงฟิสิกส์อะตอมด้วย