Az atom bolygómodellje röviden. Az atom bolygómodellje

Az atom történeti modelljei1 a tudomány fejlődésének egy bizonyos időszakának megfelelő tudásszinteket tükröznek.

Az atommodellek fejlesztésének első szakaszát a szerkezetére vonatkozó kísérleti adatok hiánya jellemezte.

A mikrovilág jelenségeinek magyarázata során a tudósok a makrovilágban kerestek analógiákat, a klasszikus mechanika törvényeire támaszkodva.

J. Dalton, a kémiai atomizmus megalkotója (1803) azt feltételezte, hogy ugyanannak a kémiai elemnek az atomjai azonos gömb alakú, apró, tehát oszthatatlan részecskék.

Jean Baptiste Perrin (1901) francia fizikus egy olyan modellt javasolt, amely valójában a „bolygómodellre” számított. E modell szerint az atom középpontjában egy pozitív töltésű atommag található, amely körül negatív töltésű elektronok mozognak bizonyos pályákon, mint a Nap körüli bolygók. Perrin modellje nem keltette fel a tudósok figyelmét, hiszen csak minőségi, de mennyiségi jellemzőt nem adott az atomnak (a 7. ábrán ezt mutatja az atommag töltése és az elektronok száma közötti eltérés).

1902-ben William Thomson (Kelvin) angol fizikus kidolgozta az atom gondolatát, mint pozitív töltésű gömb alakú részecske, amelyben negatív töltésű elektronok oszcillálnak (energiát bocsátanak ki és abszorbeálnak). Kelvin felhívta a figyelmet arra, hogy az elektronok száma megegyezik a gömb pozitív töltésével, ezért összességében az atomnak nincs elektromos töltése (7. ábra).

Egy évvel később Philipp Lenard német fizikus egy olyan modellt javasolt, amely szerint az atom egy üreges gömb, amelyben elektromos dipólusok (dinamidok) vannak. A dipólusok által elfoglalt térfogat lényegesen kisebb, mint a gömb térfogata, és az atom nagy része kitöltetlennek bizonyul.

Gontaro (Hantaro) Nagaoki (1904) japán fizikus elképzelései szerint az atom középpontjában egy pozitív töltésű atommag található, az atommag körül pedig lapos gyűrűkben, a Szaturnusz bolygó gyűrűire emlékeztető elektronok mozognak a térben. (ezt a modellt „szaturnuszi” atomnak nevezték). A legtöbb tudós nem fordított figyelmet Nagaoka elképzeléseire, bár van némi átfedésük az atompálya modern elképzelésével.

A vizsgált modellek (7. ábra) egyike sem magyarázta meg, hogy a kémiai elemek tulajdonságai hogyan függenek össze atomjaik szerkezetével.

Rizs. 7. Az atom néhány történeti modellje

1907-ben J. J. Thomson javasolta az atom szerkezetének statikus modelljét, amely az atomot pozitív elektromossággal töltött gömb alakú részecskeként ábrázolja, amelyben a negatív töltésű elektronok egyenletesen oszlanak el ( modell"puding", 7. ábra).

A matematikai számítások azt mutatták, hogy az atomban lévő elektronoknak koncentrikusan elhelyezkedő gyűrűkön kell elhelyezkedniük. Thomson egy nagyon fontos következtetést vont le: a kémiai elemek tulajdonságaiban bekövetkező időszakos változások oka az atomjaik elektronszerkezetének sajátosságaihoz kapcsolódik. Ennek köszönhetően Thomson atommodelljét nagyra értékelték kortársai. Ez azonban nem magyarázott meg néhány jelenséget, például az α-részecskék szétszóródását, amikor áthaladnak egy fémlemezen.

Az atommal kapcsolatos elképzelései alapján Thomson levezetett egy képletet az α-részecskék átlagos eltérésének kiszámítására, és ez a számítás azt mutatta, hogy az ilyen részecskék nagy szögekben történő szórásának valószínűsége közel nulla. Kísérletileg azonban bebizonyosodott, hogy az aranyfóliára eső α-részecskék közül körülbelül egy nyolcezer 90°-nál nagyobb szöggel elhajlik. Ez ellentmondott Thomson modelljének, amely csak kis szögeknél feltételezett eltéréseket.

Ernest Rutherford a kísérleti adatokat összegezve 1911-ben javasolta az atom szerkezetének „bolygós” (néha „nukleáris”) modelljét, amely szerint az atom tömegének és pozitív töltésének 99,9%-a egy nagyon kicsiben koncentrálódik. az atommag, és a negatív töltésű elektronok, amelyek száma megegyezik az atommag töltésével, forog körülötte, mint a Naprendszer bolygói1 (7. ábra).

Rutherford tanítványaival együtt olyan kísérleteket végzett, amelyek lehetővé tették az atom szerkezetének tanulmányozását (8. ábra). Pozitív töltésű részecskék (α-részecskék) áramát irányították a vékony fém (arany) fólia 2 felületére az 1 radioaktív sugárforrásból. Útjuk mentén egy fluoreszcens képernyőt 3 helyeztek el, amely lehetővé tette az α-részecskék további mozgásának irányát.

Rizs. 8. Rutherford kísérlete

Megállapították, hogy az α-részecskék többsége gyakorlatilag irányváltoztatás nélkül haladt át a fólián. Csak néhány részecske (átlagosan egy a tízezerből) tért el, és repült szinte az ellenkező irányba. Arra a következtetésre jutottak, hogy az atom tömegének nagy része a pozitív töltésű magban koncentrálódik, ezért az α részecskék annyira elhajlanak (9. ábra).

Rizs. 9. α-részecskék szórása atommag által

Az atomban mozgó elektronoknak az elektromágnesesség törvényeinek megfelelően energiát kell kibocsátaniuk, és ennek elvesztésével egy ellentétes töltésű atommaghoz kell vonzódniuk, és ezért „esniük” kell rá. Ennek az atom eltűnéséhez kellene vezetnie, de mivel ez nem történt meg, arra a következtetésre jutottak, hogy ez a modell nem megfelelő.

A 20. század elején Max Planck német fizikus és Albert Einstein elméleti fizikus megalkotta a fény kvantumelméletét. Ezen elmélet szerint a sugárzó energia, például a fény nem folyamatosan, hanem külön részekben (kvantumokban) bocsátódik ki és nyelődik el. Ráadásul az energiakvantum nagysága nem azonos a különböző sugárzásoknál, és arányos az elektromágneses hullám oszcillációs frekvenciájával: E = hν, aholh – Planck-állandó, egyenlő 6,6266·10 –34 J·s, ν – sugárzási frekvencia. Ezt az energiát a fény részecskéi hordozzák - fotonok.

Niels Bohr dán fizikus 1913-ban megpróbálta mesterségesen ötvözni a klasszikus mechanika és a kvantumelmélet törvényeit, és két posztulátummal egészítette ki az atom Rutherford-modelljét az atomban lévő elektronok energiájának hirtelen (diszkrét) változásáról. Bohr úgy vélte, hogy egy elektron a hidrogénatomban csak nagyon meghatározott pozíciókban helyezkedhet el. álló pályák, amelyek sugarai a természetes számok négyzeteiként viszonyulnak egymáshoz (1 2: 2 2: 3 2: ... : n 2). Az elektronok álló pályán mozognak az atommag körül. Az atom stabil állapotban marad, se nem nyel el, se nem bocsát ki energiát – ez Bohr első posztulátuma. A második posztulátum szerint energiakibocsátás csak akkor következik be, ha egy elektron az atommaghoz közelebbi pályára kerül. Amikor egy elektron távolabbi pályára kerül, az energiát az atom elnyeli. Ezt a modellt 1916-ban fejlesztette tovább Arnold Sommerfeld német elméleti fizikus, aki rámutatott az elektronok mozgására. elliptikus pályák.

A bolygómodellt világossága és Bohr-féle posztulátumai miatt régóta használják atomi és molekuláris jelenségek magyarázatára. Kiderült azonban, hogy az elektron mozgása egy atomban, az atom stabilitása és tulajdonságai, ellentétben a bolygók mozgásával és a Naprendszer stabilitásával, nem írhatók le a klasszikus mechanika törvényeivel. Ez a mechanika Newton törvényein alapul, és vizsgálatának tárgya a makroszkopikus testek fénysebességhez képest kis sebességű mozgása. Az atom szerkezetének leírásához szükséges alkalmazni a kvantum (hullám) mechanikának a mikrorészecskék kettős korpuszkuláris-hullámú természetére vonatkozó koncepcióit, amelyeket az 1920-as években fogalmaztak meg elméleti fizikusok: a francia Louis de Broglie, a németek Werner. Heisenberg és Erwin Schrödinger, az angol Paul Dirac stb.

1924-ben Louis de Broglie feltételezte, hogy az elektronnak hullámtulajdonságai vannak (a kvantummechanika első elve), és egy képletet javasolt a hullámhosszának kiszámítására. Az atom stabilitását az magyarázza, hogy a benne lévő elektronok nem pályákon mozognak, hanem az atommag körüli tér bizonyos régióiban, úgynevezett atompályákon. Az elektron az atom szinte teljes térfogatát elfoglalja, és nem tud „esni a magra”, amely a központjában található.

Schrödinger 1926-ban, folytatva L. de Broglie elektron hullámtulajdonságairól alkotott elképzeléseit, empirikusan kiválasztott egy, a húrrezgés egyenletéhez hasonló matematikai egyenletet, amelynek segítségével kiszámítható az elektron kötési energiája különböző energiaszintű atom. Ez az egyenlet lett a kvantummechanika alapvető egyenlete.

Az elektron hullámtulajdonságainak felfedezése megmutatta, hogy a makrovilággal kapcsolatos ismeretek terjesztése a mikrovilág objektumai között törvénytelen. 1927-ben Heisenberg megállapította, hogy lehetetlen meghatározni egy bizonyos sebességű elektron pontos helyzetét a térben, ezért az elektronok atomban való mozgására vonatkozó elképzelések valószínűségi jellegűek (a kvantummechanika második elve).

Az atom kvantummechanikai modellje (1926) matematikai függvényeken keresztül írja le az atom állapotát, és nincs geometriai kifejezése (10. ábra). Ez a modell nem veszi figyelembe az atomi szerkezet dinamikus természetét és az elektron, mint részecske méretének kérdését. Úgy gondolják, hogy az elektronok bizonyos energiaszinteket foglalnak el, és energiát bocsátanak ki vagy nyelnek el, amikor más szintekre lépnek. ábrán. 10 energiaszintet ábrázolnak sematikusan koncentrikus gyűrűk formájában, amelyek az atommagtól különböző távolságokra helyezkednek el. A nyilak az elektronok energiaszintek közötti átmeneteit és az ezeket az átmeneteket kísérő fotonok kibocsátását jelzik. A diagram minőségileg látható, és nem tükrözi az energiaszintek közötti valós távolságokat, amelyek akár több tízszer is eltérhetnek egymástól.

1931-ben Gilbert White amerikai tudós javasolta először az atompályák grafikus ábrázolását és az atom „pálya” modelljét (10. ábra). Az atomi pályamodellek az elektronsűrűség fogalmának tükrözésére szolgálnak, és bemutatják a negatív töltés eloszlását egy atommag körül vagy egy molekulában lévő atommagrendszerben.

Rizs. 10. Az atom történeti és modern modelljei

1963-ban Kenneth Snelson amerikai művész, szobrász és mérnök javasolta az atom elektronhéjainak „gyűrűperemmodelljét” (10. ábra), amely megmagyarázza az elektronok kvantitatív eloszlását egy atomban a stabil elektronhéjak között. Minden elektron gyűrűmágnesként van modellezve (vagy zárt hurokként olyan elektromos árammal, amelynek mágneses momentuma van). A gyűrűmágnesek vonzzák egymást és szimmetrikus gyűrűformákat alkotnak - gyűrűs. Két pólus jelenléte a mágnesekben korlátozza a gyűrű alakú gyűrűk összeszerelésének lehetséges lehetőségeit. A stabil elektronhéjak modelljei a gyűrűk legszimmetrikusabb alakjai, amelyeket mágneses tulajdonságaik figyelembevételével állítanak össze.

A spin jelenléte az elektronban (lásd 5. fejezet) az egyik fő oka annak, hogy az atomban stabil elektronhéjak keletkeznek. Az elektronok ellentétes forgású párokat alkotnak. Az elektronpár gyűrűs oldalú modellje vagy egy töltött atompálya két gyűrű, amelyek párhuzamos síkban helyezkednek el az atommag ellentétes oldalán. Ha egynél több elektronpár található egy atommag közelében, a gyűrűelektronok kölcsönösen orientálódni kényszerülnek, és elektronhéjat alkotnak. Ebben az esetben a szorosan elhelyezkedő gyűrűk mágneses erővonalai eltérő irányúak, amit az elektronokat képviselő gyűrűk eltérő színei jeleznek.

A modellkísérlet azt mutatja, hogy a lehetséges gyűrűs oldalú modellek közül a legstabilabb a 8 gyűrűs modell. Geometriailag a modell úgy van kialakítva, mintha egy gömb alakú atomot 8 részre osztanának (háromszor kettéosztanák), ​​és mindegyik részbe egy-egy gyűrű-elektron kerülne. A gyűrűs élmodellek két színű gyűrűt használnak: piros és kék, amelyek az elektron pozitív és negatív spinjét tükrözik.

A „hullámarcú modell” (10. ábra) hasonló a „gyűrűs arcú” modellhez, azzal a különbséggel, hogy az atom minden elektronját egy „hullám” gyűrű képviseli, amely egész számú hullámot tartalmaz (ahogyan azt javasolta: L. de Broglie).

Az elektronhéjban lévő elektronok kölcsönhatását ezen az atomi modellen a kék és piros „hullám” gyűrű érintkezési pontjainak az állóhullámok csomópontjaival való egybeesése mutatja.

Az atomi modelleknek létjogosultsága és alkalmazási korlátai vannak. Az atom bármely modellje olyan közelítés, amely leegyszerűsített formában tükrözi az atomra vonatkozó ismeretek egy részét. De egyik modell sem tükrözi teljes mértékben az atom vagy az azt alkotó részecskék tulajdonságait.

Sok mai modell csak történelmi jelentőségű. Amikor a mikrovilág objektumairól modelleket készítettek, a tudósok arra támaszkodtak, amit közvetlenül lehetett megfigyelni. Így jelentek meg Perrin és Rutherford (analógia a Naprendszer felépítésével), Nagaoka (olyan, mint a Szaturnusz bolygó) és Thomson ("mazsolapuding") modelljei. Néhány ötletet elvetettek (Lenard dinamikus modellje), másokat egy idő után újra átnéztek, de új, magasabb elméleti szinten: a Perrin és Kelvin modelleket a Rutherford és Thomson modellekben fejlesztették ki. Az atom szerkezetére vonatkozó elképzeléseket folyamatosan fejlesztik. Az idő megmutatja, mennyire pontos a modern „kvantummechanikai” modell. Ezért van a spirál tetején kérdőjel, amely a tudás útját szimbolizálja (7. ábra).

Az egyik első atomszerkezeti modellt javasolták J. Thomson 1904-ben az Atomot "pozitív elektromosság tengerének" képzelték el, amelyben elektronok oszcillálnak. Egy elektromosan semleges atom elektronjainak teljes negatív töltése megegyezett az összes pozitív töltésével.

Rutherford tapasztalata

Thomson hipotézisének tesztelésére és az atom szerkezetének pontosabb meghatározására E. Rutherford kísérletsorozatot szervezett a szórással kapcsolatban α -részecskék vékony fémlemezekkel - fólia. 1910-ben Rutherford diákjai Hans Geiger És Ernest Marsden α bombakísérleteket végzett α -vékony fémlemezek részecskéi. Leginkább ezt találták

-a részecskék áthaladnak a fólián anélkül, hogy megváltoztatnák a pályájukat. És ez nem volt meglepő, ha elfogadjuk a Thomson-féle atommodell helyességét. α Forrás α - a sugárzást egy ólomkockába helyezték, amelybe egy csatornát fúrtak, így fluxust lehetett nyerni - bizonyos irányban repülő részecskék. Az alfa részecskék kétszeresen ionizált hélium atomok ( Nem 2+ α ). +2 pozitív töltésük van, tömegük pedig csaknem 7350-szer nagyobb, mint az elektroné. A cink-szulfiddal bevont képernyőre kerülve, α - részecskék hatására világított, és nagyítóval lehetett látni és megszámolni az egyes villanásokat, amelyek a képernyőn megjelentek, amikor mindegyik megütötte α -részecskék. A sugárforrás és a képernyő közé fóliát helyeztek. A képernyőn megjelenő villanások alapján meg lehetett ítélni a szóródást

-részecskék, azaz fémrétegen való áthaladáskor az eredeti iránytól való eltérésükről. α -a részecskék irányváltoztatás nélkül haladnak át a fólián, bár a fólia vastagsága több százezer atomátmérőnek felelt meg. De néhány α -a részecskék még mindig kis szögben, és időnként elhajlottak α -a részecskék hirtelen megváltoztatták mozgásuk irányát, sőt (100 000-ből kb. 1) visszadobták őket, mintha hatalmas akadályba ütköztek volna. Ilyen éles eltérés esetei α -a részecskéket a képernyő nagyítóval történő ív mentén történő mozgatásával lehetett megfigyelni.

A kísérlet eredményeiből a következő következtetéseket lehetett levonni:

1. Van valami "akadály" az atomban, amit atommagnak neveztek.
2. Az atommag pozitív töltésű (egyébként pozitív töltésű α -a részecskék nem tükröződnek vissza).
3. Az atommag méretei nagyon kicsik az atom méretéhez képest (csak egy kis része α -a részecskék mozgásirányt változtattak).
4. A mag tömegéhez képest nagy tömegű α -részecskék

Rutherford javaslattal magyarázta a kísérlet eredményeit Az atom "bolygómodellje"., amely a Naprendszerhez hasonlította. A bolygómodell szerint az atom középpontjában egy nagyon kicsi mag található, amelynek mérete körülbelül 100 000-szer kisebb, mint magának az atomnak a mérete. Ez az atommag az atom szinte teljes tömegét tartalmazza, és pozitív töltést hordoz. Az atommag körül elektronok mozognak, amelyek számát az atommag töltése határozza meg. Az elektronok külső pályája határozza meg az atom külső méreteit. Egy atom átmérője 10 -8 cm, az atommag átmérője 10 -13 ÷10 -12 cm nagyságrendű.

Minél nagyobb egy atommag töltése, annál erősebb a taszítás tőle α -részecske, annál gyakrabban fordulnak elő erős eltérések α -a fémrétegen áthaladó részecskék, a kezdeti mozgásirányból. Ezért szórási kísérletek α -részecskék lehetővé teszik nemcsak az atommag létezésének kimutatását, hanem a töltésének meghatározását is. Már Rutherford kísérleteiből az következett, hogy az atommag töltése (elektron töltési egységekben kifejezve) numerikusan megegyezik az elem periódusos rendszerbeli sorszámával. Ezt megerősítették G. Moseley, aki 1913-ban egyszerű kapcsolatot létesített egy elem röntgenspektrumának egyes vonalainak hullámhosszai és rendszáma között, ill. D. Chadwick, aki 1920-ban nagy pontossággal meghatározta számos elem atommagjának töltéseit szórással α -részecskék

Megállapították egy elem sorozatszámának fizikai jelentését a periódusos rendszerben: a sorszám az elem legfontosabb állandójának bizonyult, amely az atommag pozitív töltését fejezi ki. Az atom elektromos semlegességéből az következik, hogy az atommag körül forgó elektronok száma megegyezik az elem rendszámával.

Ez a felfedezés új okot adott a periódusos rendszer elemeinek elrendezésére. Ugyanakkor megszüntette a Mengyelejev-rendszer látszólagos ellentmondását - egyes nagyobb atomtömegű elemek helyzetét a kisebb atomtömegű elemek (tellúrium és jód, argon és kálium, kobalt és nikkel) előtt. Kiderült, hogy itt nincs ellentmondás, hiszen egy elem helyét a rendszerben az atommag töltése határozza meg. Kísérletileg megállapították, hogy a tellúratom magtöltése 52, a jódatomé pedig 53; Ezért a tellúrnak nagy atomtömege ellenére a jód elé kell kerülnie. Ugyanígy az argon és a kálium, a nikkel és a kobalt magjainak töltései teljes mértékben megfelelnek ezen elemek rendszerbeli elrendezésének sorrendjének.

Tehát az atommag töltése az az alapmennyiség, amelytől az elem tulajdonságai és a periódusos rendszerben elfoglalt helyzete függ. azért Mengyelejev periodikus törvénye jelenleg a következőképpen fogalmazható meg:

Az elemek és az általuk alkotott egyszerű és összetett anyagok tulajdonságai periodikusan függenek az elemek atommagjának töltésétől

Az elemek sorszámának atommagjaik töltése alapján történő meghatározása lehetővé tette, hogy a periódusos rendszerben összesen hány hely van az 1-es sorszámú hidrogén és az urán (92-es rendszámú) között. az időt tekintették a periodikus elemrendszer utolsó tagjának. Az atomszerkezet elméletének megalkotásakor a 43-as, 61-es, 72-es, 75-ös, 85-ös és 87-es helyek foglaltak maradtak, ami még feltáratlan elemek létezésének lehetőségét jelezte. Valóban, 1922-ben fedezték fel a hafnium elemet, amely 72; majd 1925-ben - rénium, amelyre 75 került sor. Azok az elemek, amelyeknek a táblázat fennmaradó négy üres helyét el kell foglalniuk, radioaktívnak bizonyultak, és nem találhatók meg a természetben, hanem mesterségesen nyerték őket. Az új elemek a technécium (43-as sorozatszám), a prométium (61), az asztatin (85) és a francium (87) nevet kapták. Jelenleg a periódusos rendszer összes cellája a hidrogén és az urán között megtelt. Maga a periódusos rendszer azonban nem teljes.

Atomspektrumok

A bolygómodell jelentős lépés volt az atomszerkezet elméletében. Bizonyos tekintetben azonban ellentmondott a szilárdan megállapított tényeknek. Tekintsünk két ilyen ellentmondást.

Először is, Rutherford elmélete nem tudta megmagyarázni az atom stabilitását. A pozitív töltésű atommag körül keringő elektronnak, mint egy oszcilláló elektromos töltésnek, elektromágneses energiát kell kibocsátania fényhullámok formájában. De a fény kibocsátásával az elektron elveszíti energiájának egy részét, ami egyensúlyhiányhoz vezet az elektron forgásához kapcsolódó centrifugális erő és az elektronnak az atommaghoz való elektrosztatikus vonzása között. Az egyensúly helyreállításához az elektronnak közelebb kell kerülnie az atommaghoz. Így a folyamatosan elektromágneses energiát kibocsátó és spirálisan mozgó elektron megközelíti az atommagot. Miután minden energiáját kimerítette, „le kell esnie” a magra, és az atom megszűnik létezni. Ez a következtetés ellentmond az atomok valós tulajdonságainak, amelyek stabil képződmények, és rendkívül hosszú ideig tönkremenetel nélkül létezhetnek.

Másodszor, Rutherford modellje téves következtetésekhez vezetett az atomspektrumok természetére vonatkozóan. Amikor egy forró szilárd vagy folyékony test által kibocsátott fényt üveg- vagy kvarcprizmán vezetjük át, a prizma mögött elhelyezett képernyőn egy úgynevezett folytonos spektrumot figyelünk meg, amelynek látható része egy színes csík, amely tartalmazza a prizma összes színét. szivárvány. Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a forró szilárd vagy folyékony test sugárzása különböző frekvenciájú elektromágneses hullámokból áll. A különböző frekvenciájú hullámokat a prizma eltérően töri meg, és a képernyő különböző helyeire esik.

Az anyag által kibocsátott elektromágneses sugárzás frekvenciájának halmazát emissziós spektrumnak nevezzük. Másrészt az anyagok bizonyos frekvenciájú sugárzást nyelnek el. Ez utóbbi kombinációját az anyag abszorpciós spektrumának nevezzük.

Melegítéskor egy anyag sugarakat (sugárzást) bocsát ki. Ha a sugárzásnak egy hullámhossza van, akkor azt monokromatikusnak nevezzük. A legtöbb esetben a sugárzást több hullámhossz jellemzi.

Amikor a sugárzást monokromatikus komponensekre bontjuk, sugárzási spektrumot kapunk, ahol az egyes komponensei spektrális vonalakkal fejeződnek ki.

A szabad vagy gyengén kötött atomok (például gázok vagy gőzök) kibocsátásával nyert spektrumokat atomspektrumoknak nevezzük.

A szilárd vagy folyadék által kibocsátott sugárzás mindig folytonos spektrumot ad. A forró gázok és gőzök által kibocsátott sugárzás a szilárd és folyadékok sugárzásától eltérően csak bizonyos hullámhosszakat tartalmaz. Ezért a képernyőn lévő folyamatos csíkok helyett egyedi színes vonalak sorozatát kapja, amelyeket sötét szóközök választanak el. A vezetékek száma és elhelyezkedése a forró gáz vagy gőz természetétől függ. Így a káliumgőz három vonalból álló spektrumot hoz létre - két piros és egy lila; a kalciumgőz spektrumában több piros, sárga és zöld vonal stb.

A szilárd vagy folyadék által kibocsátott sugárzás mindig folytonos spektrumot ad. A forró gázok és gőzök által kibocsátott sugárzás a szilárd és folyadékok sugárzásától eltérően csak bizonyos hullámhosszakat tartalmaz. Ezért a képernyőn lévő folyamatos csíkok helyett egyedi színes vonalak sorozatát kapja, amelyeket sötét szóközök választanak el. A vezetékek száma és elhelyezkedése a forró gáz vagy gőz természetétől függ. Így a káliumgőz három vonalból álló spektrumot ad - két piros és egy lila; a kalciumgőz spektrumában több piros, sárga és zöld vonal stb.

Az ilyen spektrumokat vonalspektrumoknak nevezzük. Megállapítást nyert, hogy a gázatomok által kibocsátott fénynek van egy vonalspektruma, amelyben a spektrumvonalak sorba kapcsolhatók. Minden sorozatban a vonalak elrendezése egy bizonyos mintának felel meg. Az egyes vonalak frekvenciái leírhatók:

Balmer képlete Az a tény, hogy az egyes elemek atomjai egy teljesen meghatározott spektrumot adnak, amely csak erre az elemre jellemző, és a megfelelő spektrumvonalak intenzitása annál nagyobb, minél magasabb az elem tartalma a vett mintában, széles körben használják a minőségi érték meghatározására. valamint az anyagok és anyagok mennyiségi összetétele. Ezt a kutatási módszert az ún.

Kiderült, hogy az atom szerkezetének bolygómodellje nem képes megmagyarázni a hidrogénatomok kibocsátásának vonalspektrumát, még kevésbé a spektrumvonalak sorozatban való kombinációját. Az atommag körül forgó elektronnak a sebességét folyamatosan változtatva közelítenie kell az atommaghoz. Az általa kibocsátott fény frekvenciáját a forgási frekvenciája határozza meg, ezért folyamatosan változnia kell. Ez azt jelenti, hogy egy atom emissziós spektrumának folytonosnak, folytonosnak kell lennie. E modell szerint egy atom sugárzási frekvenciájának meg kell egyeznie a mechanikai rezgési frekvenciával, vagy annak többszörösének kell lennie, ami nem egyezik meg Balmer képletével.

Így Rutherford elmélete nem tudta megmagyarázni sem a stabil atomok létezését, sem vonalspektrumaik jelenlétét.

A fény kvantumelmélete 1900-ban M. Planck kimutatta, hogy a felhevült test sugárzáskibocsátó képessége csak akkor írható le helyesen mennyiségileg, ha feltételezzük, hogy a sugárzó energiát a testek nem folyamatosan, hanem diszkréten bocsátják ki és nyelják el, azaz. külön részekben - kvantumok. Ugyanakkor az energia E minden ilyen rész a sugárzási frekvenciához kapcsolódik egy ún:

Planck-egyenletek Maga Planck sokáig úgy gondolta, hogy a kvantumok általi fénykibocsátás és abszorpció a kibocsátó testek tulajdonsága, nem pedig maga a sugárzás, amelynek bármilyen energiája lehet, ezért folyamatosan elnyelhető. Azonban 1905 Einstein a fotoelektromos hatás jelenségét elemezve arra a következtetésre jutott, hogy az elektromágneses (sugárzó) energia csak kvantumok formájában létezik, és ezért a sugárzás oszthatatlan anyagi „részecskék” (fotonok) áramlása, amelynek energiája által meghatározott.

Planck-egyenlet Fotoelektromos hatás egy fém elektronkibocsátása a rá eső fény hatására. Ezt a jelenséget 1888-1890-ben részletesen tanulmányozták. A. G. Stoletov . Ha a telepítést vákuumba helyezi és egy rekordra alkalmazza M

Kiderült, hogy a világítási intenzitás változásával csak a fém által kibocsátott elektronok száma változik, i.e. fotoáram erőssége. De a fémből kibocsátott egyes elektronok maximális kinetikus energiája nem függ a megvilágítás intenzitásától, hanem csak akkor változik, ha a fémre eső fény frekvenciája megváltozik. A hullámhossz növekedésével (azaz a frekvencia csökkenésével) csökken a fém által kibocsátott elektronok energiája, majd az egyes fémekre jellemző hullámhosszon a fotoelektromos hatás eltűnik, és még nagyon rövid időn sem jelentkezik. magas fényintenzitás. Így vörös vagy narancssárga fénnyel megvilágítva a nátrium nem fejt ki fotoelektromos hatást, és csak 590 nm-nél kisebb hullámhosszon kezd elektronokat kibocsátani (sárga fény); a lítiumban a fotoelektromos hatás még rövidebb hullámhosszon, 516 nm-től kezdve (zöld fény) érzékelhető; és az elektronok platinából való kilökődése látható fény hatására egyáltalán nem történik meg, és csak akkor kezdődik, amikor a platinát ultraibolya sugárzással besugározzák.

A fotoelektromos hatás ezen tulajdonságai teljesen megmagyarázhatatlanok a fény klasszikus hullámelmélete szempontjából, amely szerint a hatást (egy adott fémre) csak a fémfelület által egységnyi idő alatt elnyelt energia mennyisége határozza meg, de nem függhet a fémet érő sugárzás típusától. Ezek a tulajdonságok azonban egyszerű és meggyőző magyarázatot kapnak, ha feltételezzük, hogy a sugárzás egyedi részekből, fotonokból áll, nagyon specifikus energiával.

Valójában egy fémben lévő elektron a fématomokhoz kötődik, így bizonyos energiát kell fordítani a kitépéshez. Ha a foton rendelkezik a szükséges energiával (és a foton energiáját a sugárzás frekvenciája határozza meg), akkor az elektron kilökődik és a fotoelektromos hatás megfigyelhető. A fémmel való kölcsönhatás során a foton teljesen átadja energiáját az elektronnak, mivel a foton nem osztható részekre. A foton energiáját részben az elektron és a fém közötti kötés megszakítására, részben pedig az elektron mozgási energiájának átadására fordítják. Ezért a fémből kiütött elektron maximális kinetikus energiája nem lehet nagyobb, mint a fotonenergia és az elektron fématomokkal való kötési energiája közötti különbség. Következésképpen a fémfelületre egységnyi idő alatt beeső fotonok számának növekedésével (azaz a megvilágítás intenzitásának növekedésével) csak a fémből kilökődő elektronok száma növekszik, ami a fotoáram növekedéséhez vezet. , de az egyes elektronok energiája nem fog növekedni. Ha a foton energiája kisebb, mint az elektron kilökéséhez szükséges minimális energia, akkor a fotoelektromos hatás nem figyelhető meg a fémre beeső fotonok számánál, pl. bármilyen világítási intenzitás mellett.

A fény kvantumelmélete, fejlődött Einstein, nemcsak a fotoelektromos hatás tulajdonságait tudta megmagyarázni, hanem a fény kémiai hatásának mintázatait, a szilárd anyagok hőkapacitásának hőmérsékletfüggését és számos egyéb jelenséget is. Rendkívül hasznosnak bizonyult az atomok és molekulák szerkezetére vonatkozó ötletek kidolgozásában.

A fény kvantumelméletéből az következik, hogy a foton nem képes töredezni: egészében kölcsönhatásba lép a fém elektronjával, kiütve azt a lemezből; egészében kölcsönhatásba lép a fényképészeti film fényérzékeny anyagával, aminek következtében az egy bizonyos ponton elsötétül stb. Ebben az értelemben a foton részecskeként viselkedik, azaz. korpuszkuláris tulajdonságokat mutat. A fotonnak azonban vannak hullámtulajdonságai is: ez a fény terjedésének hullámtermészetében, a foton interferencia- és diffrakciós képességében nyilvánul meg. A foton abban különbözik a szó klasszikus értelmében vett részecskétől, hogy pontos helye a térben, mint bármely hullám pontos helyzete, nem határozható meg. De abban is különbözik a „klasszikus” hullámtól, hogy nem tud részekre osztani. A korpuszkuláris és a hullám tulajdonságait kombinálva a foton szigorúan véve sem nem részecske, sem nem hullám - a korpuszkuláris-hullám kettőssége jellemzi.

Az atom bolygómodellje

Egy atom bolygómodellje: mag (piros) és elektronok (zöld)

Az atom bolygómodellje, vagy Rutherford modell, az atom szerkezetének történeti modellje, amelyet Ernest Rutherford javasolt egy alfa-részecskeszórási kísérlet eredményeként. E modell szerint az atom egy kis pozitív töltésű magból áll, amelyben az atom szinte teljes tömege koncentrálódik, és amely körül elektronok mozognak, ahogy a bolygók is a Nap körül mozognak. Az atom bolygómodellje megfelel az atom szerkezetére vonatkozó modern elképzeléseknek, figyelembe véve azt a tényt, hogy az elektronok mozgása kvantum jellegű, és nem írják le a klasszikus mechanika törvényei. Történelmileg Rutherford bolygómodellje váltotta fel Joseph John Thomson "szilvapuding modelljét", amely azt feltételezte, hogy a negatív töltésű elektronok pozitív töltésű atomban helyezkednek el.

Rutherford 1911-ben egy új atomszerkezeti modellt javasolt az alfa-részecskék aranyfólián való szóródásával kapcsolatos, az ő vezetése alatt végzett kísérletének következtetéseként. E szórás során váratlanul sok alfa-részecske szóródott nagy szögben, ami azt jelzi, hogy a szórási központ kis méretű volt, és jelentős elektromos töltést tartalmazott. Rutherford számításai kimutatták, hogy a szórási központnak, legyen az pozitív vagy negatív töltésű, legalább 3000-szer kisebbnek kell lennie az akkor már ismert atom méreténél, és 10-10 m-re becsülték, mivel az elektronok már voltak akkor ismert volt, és meghatározták a tömegüket és a töltésüket, akkor a későbbi atommagnak nevezett szórási központnak az elektronokkal ellentétes töltéssel kellett volna rendelkeznie. Rutherford nem hozta összefüggésbe a töltés mennyiségét az atomszámmal. Erre a következtetésre később került sor. Maga Rutherford pedig azt javasolta, hogy a töltés arányos az atomtömeggel.

A bolygómodell hátránya az volt, hogy nem kompatibilis a klasszikus fizika törvényeivel. Ha az elektronok úgy mozognak az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül, akkor mozgásuk felgyorsul, és ezért a klasszikus elektrodinamika törvényei szerint elektromágneses hullámokat kell kibocsátaniuk, energiát kell veszíteniük és az atommagra esniük. A bolygómodell kidolgozásának következő lépése a Bohr-modell volt, amely a klasszikustól eltérő elektronmozgási törvényeket posztulál. A kvantummechanika teljesen fel tudta oldani az elektrodinamika ellentmondásait.

Wikimédia Alapítvány.

• 2010.
• Eise Eisingi Planetárium

Planetáris fikció

planetáris atommodell- planetinis atomo modelis statusas T terület fizika atitikmenys: engl. bolygó atommodell vok. Planetenmodell des Atoms, n rus. az atom bolygómodellje, f pranc. modèle planétaire de l’atome, m … Fizikos terminų žodynas

Az atom Bohr-modellje- Egy hidrogén-szerű atom Bohr-modellje (Z-magtöltés), ahol egy negatív töltésű elektron egy kis, pozitív töltésű atommagot körülvevő atomi burokban van bezárva... Wikipédia

Modell (tudományban)- Modell (francia modèle, olasz modello, latin modulus mértéke, mérőeszköze, minta, norma), 1) olyan minta, amely szabványként (standard) szolgál sorozatos vagy tömeges sokszorosításhoz (M. autó, M. ruha stb.). ), valamint bármely... ...

Modell- I Modell (Modell) Walter (1891.1.24., Gentin, Kelet-Poroszország, 1945.4.21., Duisburg mellett), német fasiszta tábornok tábornagy (1944). 1909-től a hadseregben, részt vett az I. világháborúban 1914 18. 1940 novemberétől a 3. harckocsi parancsnoka... ... Nagy Szovjet Enciklopédia

ATOMSZERKEZET- (lásd) háromféle elemi részecskéből épül fel (lásd), (lásd) és (lásd), stabil rendszert alkotva. A proton és a neutron az atom részei (lásd), az elektronok alkotják az elektronhéjat. A magban olyan erők hatnak (lásd), amelyek miatt... ... Nagy Politechnikai Enciklopédia

Atom- Ennek a kifejezésnek más jelentése is van, lásd Atom (jelentések). Hélium atom Atom (más görög nyelvből ... Wikipedia

Rutherford Ernest- (1871 1937), angol fizikus, a radioaktivitás tanának és az atom szerkezetének egyik megalapítója, tudományos iskola alapítója, az Orosz Tudományos Akadémia külföldi levelező tagja (1922) és a Szovjetunió Akadémia tiszteletbeli tagja of Sciences (1925). Új-Zélandon született, diploma megszerzése után...... Enciklopédiai szótár

Άτομο

Molekula- Hélium atom Az atom (ógörögül: ἄτομος oszthatatlan) a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója. Az atom egy atommagból és egy környező elektronfelhőből áll. Az atommag pozitív töltésű protonokból és... ... Wikipédia

Testtestek- Hélium atom Az atom (ógörögül: ἄτομος oszthatatlan) a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója. Az atom egy atommagból és egy környező elektronfelhőből áll. Az atommag pozitív töltésű protonokból és... ... Wikipédia

Könyvek

• Állítsa be a táblázatokat. Fizika. 11. évfolyam (15 tábla),. 15 lapos oktatóalbum.

Az atom bolygómodelljét E. Rutherford javasolta 1910-ben. Első tanulmányait az atom szerkezetéről alfa-részecskék segítségével végezte. A szórási kísérleteik eredményei alapján Rutherford azt javasolta, hogy az atom összes pozitív töltése egy parányi atommagban összpontosuljon a központjában. Másrészt a negatív töltésű elektronok eloszlanak a térfogat többi részében.

Egy kis háttér

Az atomok létezésére vonatkozó első ragyogó sejtést az ókori görög tudós, Démokritosz tette. Azóta az atomok létezésének gondolata, amelyek kombinációja a körülöttünk lévő összes anyagot eredményezi, nem hagyta el a tudomány embereinek képzeletét. Különböző képviselői rendszeresen foglalkoztak vele, de a 19. század elejéig konstrukcióik csak hipotézisek voltak, amelyeket kísérleti adatok nem támasztottak alá.

Végül, 1804-ben, több mint száz évvel az atom bolygómodelljének megjelenése előtt, John Dalton angol tudós bizonyítékokat mutatott be az atom létezésére, és bevezette az atomsúly fogalmát, amely az atom első kvantitatív jellemzője volt. Elődeihez hasonlóan ő is úgy fogta fel az atomokat, mint apró anyagdarabokat, szilárd golyókat, amelyeket még kisebb részecskékre nem lehet szétosztani.

Az elektron felfedezése és az atom első modellje

Majdnem egy évszázad telt el, amikor végül a 19. század végén az angol J. J. Thomson is felfedezte az első szubatomi részecskét, a negatív töltésű elektront. Mivel az atomok elektromosan semlegesek, Thomson úgy gondolta, hogy pozitív töltésű atommagból kell állniuk, amelynek térfogatában az elektronok szétszórtak. Különféle kísérleti eredmények alapján 1898-ban javasolta az atommodelljét, amelyet néha „szilvának a pudingban” is neveztek, mivel az atomot pozitív töltésű folyadékkal töltött gömbként ábrázolta, amelybe elektronok voltak beágyazva, mint a „szilva”. a puding." Egy ilyen gömbmodell sugara körülbelül 10 -8 cm volt. A folyadék összesített pozitív töltése szimmetrikusan és egyenletesen egyensúlyban van az elektronok negatív töltéseivel, ahogy az alábbi ábrán is látható.

Ez a modell kielégítően magyarázta azt a tényt, hogy amikor egy anyagot felmelegítenek, az elkezd fényt bocsátani. Bár ez volt az első kísérlet arra, hogy megértsék, mi is az atom, nem sikerült kielégíteni a későbbi Rutherford és mások által végzett kísérletek eredményeit. Thomson 1911-ben egyetértett abban, hogy modellje egyszerűen nem tudott válaszolni arra, hogyan és miért történik az α-sugarak kísérletileg megfigyelt szóródása. Ezért elhagyták, és az atom fejlettebb bolygómodelljével helyettesítették.

Hogyan épül fel az atom?

Ernest Rutherford magyarázatot adott a radioaktivitás jelenségére, amely Nobel-díjat kapott, de a tudományhoz való legjelentősebb hozzájárulását később tette, amikor megállapította, hogy az atom egy sűrű magból áll, amelyet elektronpályák vesznek körül, ahogyan a Napot is a bolygók keringését.

Az atom bolygómodellje szerint tömegének nagy része egy apró (a teljes atom méretéhez képest) magban koncentrálódik. Az elektronok hihetetlen sebességgel mozognak az atommag körül, de az atomok térfogatának nagy része üres tér.

Az atommag mérete olyan kicsi, hogy átmérője 100 000-szer kisebb, mint egy atomé. Az atommag átmérőjét Rutherford 10 -13 cm-re becsülte, ellentétben az atom méretével - 10 -8 cm-re az atommagon kívül az elektronok nagy sebességgel forognak körülötte, ami centrifugális erőket eredményez, amelyek kiegyenlítik az elektrosztatikusságot. protonok és elektronok közötti vonzási erők.

Rutherford kísérletei

Az atom bolygómodellje 1911-ben jelent meg, a híres aranyfólia-kísérlet után, amely lehetővé tette néhány alapvető információ megszerzését a szerkezetéről. Rutherford útja az atommag felfedezéséhez jó példa a kreativitás tudományban betöltött szerepére. Kutatása 1899-ben kezdődött, amikor felfedezte, hogy egyes elemek pozitív töltésű részecskéket bocsátanak ki, amelyek bármin át tudnak hatolni. Ezeket a részecskéket alfa (α) részecskéknek nevezte (ma már tudjuk, hogy héliummagok voltak). Mint minden jó tudós, Rutherford is kíváncsi volt. Arra volt kíváncsi, hogy az alfa-részecskéket fel lehet-e használni egy atom szerkezetének megismerésére. Rutherford úgy döntött, hogy egy alfa-részecskék sugarát egy nagyon vékony aranyfólia lapra irányítja. Az aranyat azért választotta, mert 0,00004 cm-es vékonyságú lapokat lehetett belőle készíteni. Egy aranyfólia mögé egy képernyőt helyezett el, amely világított, ha alfa-részecskék érte. Alfa részecskék kimutatására használták, miután áthaladtak a fólián. A képernyőn egy kis rés lehetővé tette, hogy az alfa részecskesugár elérje a fóliát, miután elhagyta a forrást. Némelyiknek át kell mennie a fólián, és ugyanabba az irányba kell tovább haladnia, a másik részük pedig visszaverődik a fóliáról, és éles szögben visszaverődik. A kísérleti tervet az alábbi ábrán láthatja.

Mi történt Rutherford kísérletében?

J. J. Thomson atommodellje alapján Rutherford azt feltételezte, hogy az aranyatomok teljes térfogatát kitöltő, folyamatos pozitív töltésű régiók eltérítik vagy elhajlítják az összes alfa-részecske pályáját, amikor áthaladnak a fólián.

Az alfa-részecskék túlnyomó többsége azonban egyenesen áthaladt az aranyfólián, mintha ott sem lett volna. Úgy tűnt, üres téren haladtak át. Csak néhányan térnek le az egyenes útról, ahogy az elején várható volt. Az alábbiakban a megfelelő irányban szétszóródott részecskék számának grafikonja látható a szórási szög függvényében.

Meglepő módon a részecskék elenyésző százaléka úgy pattant vissza a fóliáról, mint egy kosárlabda, amely a palánkról pattan fel. Rutherford rájött, hogy ezek az eltérések az alfa-részecskék és az atom pozitív töltésű összetevői közötti közvetlen ütközések következményei.

A mag kerül a középpontba

A fóliáról visszaverődő alfa-részecskék kis százaléka alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy az atom összes pozitív töltése és szinte teljes tömege egy kis területen koncentrálódik, az atom többi része pedig többnyire üres tér. Rutherford a koncentrált pozitív töltés területét magnak nevezte. Megjósolta, és hamarosan felfedezte, hogy pozitív töltésű részecskéket tartalmaz, amelyeket protonoknak nevezett. Rutherford megjósolta a neutronoknak nevezett semleges atomi részecskék létezését, de nem tudta kimutatni őket. Tanítványa, James Chadwick azonban néhány évvel később felfedezte őket. Az alábbi ábra egy uránatom magjának szerkezetét mutatja.

Az atomok pozitív töltésű nehéz atommagokból állnak, amelyeket negatív töltésű, rendkívül könnyű elektronrészecskék vesznek körül, amelyek körülöttük forognak, és olyan sebességgel, hogy a mechanikus centrifugális erők egyszerűen kiegyenlítik az atommaghoz való elektrosztatikus vonzásukat, és ezzel kapcsolatban állítólag az atom stabilitása biztosított. .

Ennek a modellnek a hátrányai

Rutherford fő ötlete egy kis atommag ötletéhez kapcsolódott. Az elektronpályákra vonatkozó feltevés tiszta hipotézis volt. Nem tudta pontosan, hol és hogyan keringenek az elektronok az atommag körül. Ezért Rutherford bolygómodellje nem magyarázza meg az elektronok eloszlását a pályákon.

Ezenkívül a Rutherford-atom stabilitása csak az elektronok folyamatos mozgásával volt lehetséges a pályán a kinetikai energia elvesztése nélkül. Az elektrodinamikai számítások azonban kimutatták, hogy az elektronok bármilyen görbe vonalú pályán történő mozgása, amelyet a sebességvektor irányának megváltozása és a megfelelő gyorsulás megjelenése kísér, elkerülhetetlenül együtt jár elektromágneses energia kibocsátásával. Ebben az esetben az energiamegmaradás törvénye szerint az elektron mozgási energiáját nagyon gyorsan sugárzásra kell fordítani, és az atommagra kell esnie, ahogy az alábbi ábrán sematikusan látható.

De ez nem történik meg, mivel az atomok stabil képződmények. A tudományra jellemző ellentmondás lépett fel a jelenség modellje és a kísérleti adatok között.

Rutherfordtól Niels Bohrig

A következő nagy előrelépés az atomtörténetben 1913-ban történt, amikor a dán tudós, Niels Bohr közzétette az atom részletesebb modelljének leírását. Pontosabban meghatározta azokat a helyeket, ahol az elektronok elhelyezkedhetnek. Bár a tudósok később kifinomultabb atomterveket dolgoztak ki, az atom Bohr bolygómodellje alapvetően helyes volt, és ennek nagy része ma is elfogadott. Számos hasznos alkalmazása volt, például különféle kémiai elemek tulajdonságainak, sugárzási spektrumának természetének, az atom szerkezetének magyarázatára szolgált. A bolygómodell és a Bohr-modell voltak a legfontosabb mérföldkövek, amelyek a fizikában egy új irány – a mikrovilág fizikája – kialakulását jelezték. Bohr 1922-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat az atomszerkezet megértéséhez való hozzájárulásáért.

Milyen újdonságot hozott Bohr az atommodellben?

Még fiatalemberként Bohr Rutherford angliai laboratóriumában dolgozott. Mivel az elektronok fogalma Rutherford modelljében rosszul volt kidolgozva, Bohr rájuk összpontosított. Ennek eredményeként az atom bolygómodellje jelentősen javult. Bohr posztulátumai, amelyeket az 1913-ban megjelent „Az atomok és molekulák szerkezetéről” című cikkében fogalmazott meg, kijelentik:

1. Az elektronok csak meghatározott távolságra mozoghatnak az atommag körül, amelyet az energiájuk mennyisége határoz meg. Ezeket a rögzített szinteket energiaszinteknek vagy elektronhéjaknak nevezte. Bohr koncentrikus gömböknek képzelte el őket, mindegyik középpontjában egy-egy maggal. Ebben az esetben az alacsonyabb energiájú elektronok alacsonyabb szinten, az atommaghoz közelebb találhatók. A több energiával rendelkezők magasabb szinteken, a magtól távolabb találhatók.

2. Ha egy elektron elnyel egy bizonyos (adott szinthez képest egészen biztos) mennyiségű energiát, akkor a következő, magasabb energiaszintre ugrik. Ezzel szemben, ha ugyanannyi energiát veszít, akkor visszatér eredeti szintjére. Egy elektron azonban nem létezhet két energiaszinten.

Ezt az elképzelést egy rajz illusztrálja.

Az elektronok energiarészei

Bohr atommodellje valójában két különböző ötlet kombinációja: Rutherford atommodellje az atommag körül keringő elektronokkal (lényegében az atom Bohr-Rutherford bolygómodellje), és Max Planck német tudós elképzelése az anyag energiájának kvantálásáról. 1901-ben jelent meg. A kvantum (többes számban: quanta) az a minimális energiamennyiség, amelyet egy anyag elnyelhet vagy kibocsáthat. Ez egyfajta lépés az energia mennyiségének diszkretizálására.

Ha az energiát a vízzel hasonlítjuk össze, és egy pohár formájában akarjuk hozzátenni az anyaghoz, akkor nem önthetjük egyszerűen folyamatos sugárban a vizet. Ehelyett kis mennyiségben is hozzáadhatja, például egy teáskanálnyi mennyiségben. Bohr úgy vélte, hogy ha az elektronok csak meghatározott mennyiségű energiát tudnak elnyelni vagy elveszteni, akkor energiájukat csak a rögzített mennyiségekkel kell megváltoztatniuk. Így csak rögzített energiaszinteket foglalhatnak el az atommag körül, amelyek megfelelnek energiájuk kvantált növekményeinek.

Így a Bohr-modellből egy kvantum-megközelítés nő ki az atom szerkezetének magyarázatára. A bolygómodell és a Bohr-modell egyedülálló lépések voltak a klasszikus fizikától a kvantumfizikáig, amely a mikrovilág fizikájának fő eszköze, beleértve az atomfizikát is.

Az elektronok tömege több ezerszer kisebb, mint az atomok tömege. Mivel az atom egésze semleges, ezért az atom tömegének nagy része a pozitív töltésű részében van.

A pozitív töltés és így a tömeg atomon belüli eloszlásának kísérleti vizsgálatához Rutherford 1906-ban javasolta az atom szondázását. α -részecskék Ezek a részecskék a rádium és néhány más elem bomlásából származnak. Tömegük körülbelül 8000-szer akkora, mint egy elektron tömege, pozitív töltésük pedig nagyságrendileg megegyezik az elektrontöltés kétszeresével. Ezek nem mások, mint teljesen ionizált hélium atomok. Sebesség α - a részecskék nagyon nagyok: a fénysebesség 1/15-e.

Rutherford ezekkel a részecskékkel bombázta a nehéz elemek atomjait. Az elektronok alacsony tömegük miatt nem tudják észrevehetően megváltoztatni pályájukat α -részecskék, ahogy egy több tíz grammos kavics sem képes észrevehetően megváltoztatni a sebességét egy autóval való ütközéskor. Szórás (a mozgás irányának változása) α -részecskéket csak az atom pozitív töltésű része okozhat. Így szórással α -részecskék képesek meghatározni a pozitív töltés és tömeg eloszlásának jellegét az atomon belül.

Radioaktív hatóanyagot, például rádiumot helyeztek egy ólomhengerbe (1), amely mentén keskeny csatornát fúrtak. Konty α -a csatornából a részecskék a vizsgált anyagból (arany, réz stb.) készült vékony fóliára 2 hullottak. Szórás után α -részecskék hullottak egy cink-szulfiddal bevont áttetsző szitára 3. Az egyes részecskék ütközését a képernyővel egy fényvillanás (szcintilláció) kísérte, amely a 4. mikroszkópon keresztül volt megfigyelhető. A teljes eszközt egy edénybe helyezték, amelyből a levegőt evakuálták.

Jó vákuummal a készülék belsejében és fólia hiányában a képernyőn egy vékony sugár okozta szcintillációkból álló világos kör jelent meg. α -részecskék De amikor fóliát helyeztek a gerenda útjába, α - a szórás miatt a részecskék egy nagyobb területű körben oszlottak el a képernyőn. A kísérleti elrendezés módosításával Rutherford megpróbálta kimutatni az eltérést α -részecskék nagy szögben. Egészen váratlanul kiderült, hogy kevés α -részecskék (kb. kétezerből egy) 90°-nál nagyobb szögben elhajlottak. Rutherford később elismerte ezt, miután kísérletet javasolt tanítványainak a szóródás megfigyelésére α -részecskék nagy szögben, ő maga nem hitt a pozitív eredményben. „Majdnem olyan hihetetlen – mondta Rutherford –, mintha egy 15 hüvelykes lövedéket lőnél egy selyempapírra, és a lövedék visszajött, és eltalált volna. Valójában ezt az eredményt nem lehetett megjósolni Thomson modellje alapján. Ha az atomon belül eloszlik, a pozitív töltés nem képes elég erős elektromos mezőt létrehozni ahhoz, hogy az alfa-részecskét visszadobja. A maximális taszítóerőt a Coulomb-törvény határozza meg:

ahol q α a töltés α -részecskék; q az atom pozitív töltése; r a sugara; k - arányossági együttható. Az egyenletesen töltött golyó elektromos térereje a labda felületén a legnagyobb, és a középponthoz közeledve nullára csökken. Ezért minél kisebb az r sugár, annál nagyobb a taszítóerő α -részecskék.

Az atommag méretének meghatározása. Rutherford rájött α -a részecskét csak akkor lehetne visszadobni, ha az atom pozitív töltése és tömege a tér egy nagyon kis tartományában koncentrálódna. Így jutott el Rutherford az atommag ötletéhez - egy kis testhez, amelyben az atom szinte teljes tömege és összes pozitív töltése koncentrálódik.

Az atom bolygómodellje, vagy Rutherford modell, az atom szerkezetének történeti modellje, amelyet Ernest Rutherford javasolt egy alfa-részecskeszórási kísérlet eredményeként. E modell szerint az atom egy kis pozitív töltésű magból áll, amelyben az atom szinte teljes tömege koncentrálódik, amely körül elektronok mozognak, ahogy a bolygók is a Nap körül mozognak. Az atom bolygómodellje megfelel az atom szerkezetére vonatkozó modern elképzeléseknek, figyelembe véve azt a tényt, hogy az elektronok mozgása kvantum jellegű, és nem írják le a klasszikus mechanika törvényei. Történelmileg Rutherford bolygómodellje váltotta fel Joseph John Thomson "szilvapuding modelljét", amely azt feltételezte, hogy a negatív töltésű elektronok pozitív töltésű atomban helyezkednek el.