RUTHERFORDOV ATÓMOVÝ MODEL: HISTÓRIA, EXPERIMENTY, POSTULÁTY - FYZICKÝ - 2025

Rutherford atómová Model je popis atómu vytvoril britský fyzik Ernest Rutherford (1871-1937) objavil v roku 1911, kedy sa atómové jadro podľa známych rozptylových experimentov, ktoré berú svoje meno.

Myšlienka atómu („nedeliteľná“ v gréčtine) ako najmenšej zložky hmoty bola intelektuálnym výtvorom narodeným v starovekom Grécku okolo roku 300 pnl. Podobne ako mnoho iných gréckych konceptov, aj koncept atómu je založený na logika a argumentácia, ale nie experimentovanie.

Rutherfordov atómový model

Najvýznamnejšími atomistickými filozofmi boli Demokritos Abdera (460 - 360 pnl), Epicurus Samos (341 - 270 pnl) a Titus Lucretius (98 - 54 pnl). Gréci vytvorili štyri rôzne atómy, ktoré zodpovedajú štyrom prvkom, ktoré podľa nich tvorili hmotu: vzduch, voda, zem a oheň.

Neskôr Aristoteles pridal piaty prvok: éter, ktorý tvoril hviezdy, pretože ostatné štyri prvky boli čisto pozemské.

Dobytie Alexandra Veľkého, ktorého bol Aristoteles učiteľom, rozšírilo jeho presvedčenie v starovekom svete, zo Španielska do Indie, a tak si po stáročia myšlienka atómu vytvorila svoje vlastné miesto vo svete vedy.

Atóm už nie je nedeliteľný

Myšlienky gréckych filozofov o štruktúre hmoty platili stovky rokov, kým anglický chemik a učiteľ školy menom John Dalton (1776-1844) nezverejnil výsledky svojich experimentov v roku 1808.

Dalton súhlasil, že prvky sa skladajú z extrémne malých častíc nazývaných atómy. Zašiel však ďalej a uviedol, že všetky atómy toho istého prvku sú rovnaké, majú rovnakú veľkosť, rovnakú hmotnosť a rovnaké chemické vlastnosti, vďaka čomu zostávajú počas chemickej reakcie nezmenené.

Toto je prvý vedecky založený atómový model. Podobne ako Gréci, Dalton stále považoval atóm za nedeliteľný, a preto mu chýbala štruktúra. Daltonov génius ho však viedol k dodržiavaniu jedného z veľkých zásad ochrany fyziky:

• Pri chemických reakciách nie sú atómy vytvárané ani ničené, iba menia ich distribúciu.

A ustanovil spôsob, akým sa chemické zlúčeniny tvoria pomocou „atómov zlúčenín“ (molekúl):

• Ak sa dva alebo viac atómov rôznych prvkov kombinujú a vytvárajú tú istú zlúčeninu, vždy to robia v definovaných a konštantných hmotnostných pomeroch.

19. storočie bolo veľkým storočím elektrickej energie a magnetizmu. Niekoľko rokov po Daltonových publikáciách výsledky niektorých experimentov spochybňujú vedcov o nedeliteľnosti atómu.

Krivka trubice

Trubica Crookes bola prístroj navrhnutý britským chemikom a meteorológom Williamom Crookesom (1832-1919). Experiment, ktorý Crookes uskutočnil v roku 1875, pozostával z umiestnenia dvoch elektród, do jednej rúrky naplnenej plynom pri nízkom tlaku, jednej katódy a druhej anódy.

Stanovením potenciálneho rozdielu medzi týmito dvoma elektródami plyn žiaril farbou, ktorá bola charakteristická pre použitý plyn. Táto skutočnosť naznačovala, že v atóme existovala určitá konkrétna organizácia, a preto nebola nedeliteľná.

Okrem toho toto žiarenie spôsobovalo slabú fluorescenciu na stene sklenenej trubice pred katódou, čím sa vyrezával tieň krížovej značky umiestnenej vo vnútri trubice.

Išlo o záhadné žiarenie známe ako „katódové lúče“, ktoré cestovalo v priamej línii k anóde a bolo vysoko energetické, schopné vyvolať mechanické účinky a odklonilo sa k kladne nabitej doske alebo tiež pomocou magnetov.

Objav elektrónu

Žiarenie vnútri Crookesovej trubice nemôže byť vlnami, pretože nesie negatívny náboj. Joseph John Thomson (1856 - 1940) prišiel s odpoveďou v roku 1887, keď zistil vzťah medzi nábojom a hmotnosťou tohto žiarenia a zistil, že to bolo vždy rovnaké: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, bez ohľadu na plyn. uzavretá v trubici alebo materiál použitý na výrobu katódy.

Thomson nazval tieto častice krvinkami. Meraním jeho hmotnosti vo vzťahu k elektrickému náboju dospel k záveru, že každý korpus bol oveľa menší ako atóm. Preto navrhol, aby boli súčasťou týchto prvkov, a tak objavili elektrón.

Britský vedec ako prvý nakreslil grafický model atómu tým, že nakreslil guľu s vloženými bodmi, ktorej vzhľadom na jej tvar dostala prezývka „slivkový puding“. Tento objav však vyvolal ďalšie otázky:

• Ak je hmota neutrálna a elektrón má záporný náboj: kde v atóme je kladný náboj, ktorý neutralizuje elektróny?
• Ak je hmotnosť elektrónu menšia ako hmotnosť atómu, z čoho pozostáva zvyšok atómu?
• Prečo sa častice takto získavali vždy elektróny a nikdy iného typu?

Experimenty s Rutherfordovým rozptylom: atómové jadro a protón

V roku 1898 Rutherford identifikoval dva typy žiarenia z uránu, ktoré pomenoval alfa a beta.

Prírodná rádioaktivita bola objavená už Marie Curie v roku 1896. Alfa častice sú pozitívne nabité a sú to jednoducho jadrá hélia, ale v tom čase ešte nebol známy pojem jadra. Rutherford sa to chystal zistiť.

Jeden z experimentov, ktoré Rutherford uskutočnil v roku 1911 na univerzite v Manchestri, s pomocou Hansa Geigera, spočíval v bombardovaní tenkej zlatej fólie alfa časticami, ktorej náboj je pozitívny. Okolo zlatej fólie umiestnil fluorescenčnú obrazovku, ktorá im umožnila vizualizovať účinky bombardovania.

vyjadrenie

Rutherford a jeho asistenti pri štúdiu dopadov na fluorescenčnú obrazovku zistili, že:

1. Veľmi vysoké percento alfa častíc prešlo plátom bez zreteľnej odchýlky.
2. Niektorí sa odchýlili v dosť strmých uhloch
3. A veľmi málo sa odrazilo až naspäť

Experimenty s rozptylom v Rutherforde. Zdroj:.

Pozorovania 2 a 3 prekvapili vedcov a viedli ich k domnienke, že osoba zodpovedná za rozptyl lúčov musí mať kladný náboj a že podľa pozorovania číslo 1 bola táto zodpovedná osoba oveľa menšia ako kapacita alfa častíc. ,

Rutherford sám o tom povedal, že to bolo „… ako keby ste vystrelili 15-palcový námorný projektil na list papiera a strela sa odrazila a zasiahla vás.“ Tomu určite nebolo možné vysvetliť pomocou modelu Thompson.

Analyzujúc svoje výsledky z klasického hľadiska, Rutherford objavil existenciu atómového jadra, kde sa sústredil kladný náboj atómu, čo mu dodalo jeho neutralitu.

Rutherford pokračoval vo svojich pokusoch o rozptyl. Do roku 1918 bol novým cieľom pre alfa častice atómy dusíka.

Týmto spôsobom detegoval atóm vodíka a okamžite vedel, že jediným miestom, z ktorého môžu tieto jadro pochádzať, je samotný dusík. Ako bolo možné, že atóm vodíka bol súčasťou dusíka?

Rutherford potom navrhol, že jadro vodíka, prvku, ktorému už bolo pridelené atómové číslo 1, musí byť základnou časticou. Nazval to najskôr protónom, gréckym slovom. Objavy atómového jadra a protónu sú teda dôsledkom tohto geniálneho Nového Zélandu.

Rutherfordov atómový model predpokladá

Nový model bol veľmi odlišný od modelu Thompson. Boli to jeho postuláty:

• Atóm obsahuje pozitívne nabité jadro, ktoré napriek tomu, že je veľmi malé, obsahuje takmer celú hmotnosť atómu.
• Elektróny obiehajú okolo atómového jadra vo veľkých vzdialenostiach a na kruhových alebo eliptických dráhach.
• Čistý náboj atómu je nula, pretože náboje elektrónov kompenzujú kladný náboj prítomný v jadre.

Rutherfordove výpočty ukázali na jadro s guľovým tvarom a polomerom malé ako 10 - ¹⁵ m, pričom hodnota atómového polomeru je približne 100 000 krát väčšia, pretože jadrá sú pomerne ďaleko od seba: rádovo 10 - ¹⁰ m.

Mladý Ernest Rutherford. Zdroj: Neznáme, uverejnené v roku 1939 v Rutherforde: byť životom a listami Rt. Lorda Rutherforda, O. M

Toto vysvetľuje, prečo väčšina alfa častíc prešla hladkou vrstvou alebo mala len veľmi malú deformáciu.

Pri pohľade na škálu každodenných predmetov by sa Rutherfordov atóm tvoril jadrom s veľkosťou baseballu, zatiaľ čo atómový polomer by bol asi 8 km, a preto je možné považovať atóm za takmer všetko za prázdny priestor.

Vďaka svojej podobnosti s miniatúrnou slnečnou sústavou sa stala známou ako „planétový model atómu“. Elektrostatická príťažlivá sila medzi jadrom a elektrónmi by bola analogická gravitačnej príťažlivosti medzi slnkom a planétami.

obmedzenia

Existujú však určité nezhody týkajúce sa niektorých zistených skutočností:

• Ak sa akceptuje myšlienka, že elektrón obieha okolo jadra, stane sa, že elektrón by mal nepretržite vyžarovať žiarenie, kým sa neuslabí s jadrom, a následné zničenie atómu za menej ako sekundu. Našťastie to nie je to, čo sa v skutočnosti deje.
• Navyše atóm pri určitých príležitostiach emituje určité frekvencie elektromagnetického žiarenia, keď dochádza k prechodom medzi stavom vyššej energie do stavu s nižšou energiou a iba týmito frekvenciami, nie inými. Ako vysvetliť skutočnosť, že energia je kvantovaná?

Napriek týmto obmedzeniam, keďže dnes existujú omnoho sofistikovanejšie modely v súlade s pozorovanými skutočnosťami, je Rutherfordov atómový model pre študenta stále užitočný, aby mal prvý úspešný prístup k atómu ak jeho časticiam.

V tomto modeli atómu sa neobjaví neutrón, ďalšia zložka jadra, ktorá bola objavená až v roku 1932.

Krátko potom, ako Rutherford navrhol svoj planétový model, dánsky fyzik Niels Bohr ho v roku 1913 upravil, aby vysvetlil, prečo atóm nie je zničený, a my sme tu ešte stále, aby sme tento príbeh rozprávali.

Články záujmu

Schrödingerov atómový model.

Atómový model De Broglie.

Chadwickov atómový model.

Heisenbergov atómový model.

Perrinov atómový model.

Thomsonov atómový model.

Atómový model Dirac Jordan.

Atómový model Demokrita.

Bohrov atómový model.

Daltonov atómový model.

Referencie

1. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Poznámky k triede pre predsedu rádiologickej a rádiologickej ochrany. Škola verejného zdravia na Venezuelskej centrálnej univerzite.