MODEL ATOMOWY RUTHERFORDA: HISTORIA, EKSPERYMENTY, POSTULATY - FIZYCZNY - 2025

Model atomowy Rutherforda to opis atomu stworzony przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda (1871-1937), odkrytego w 1911 r., Kiedy jądro atomowe zostało odkryte przez słynne eksperymenty rozpraszania, które wzięły swoją nazwę.

Idea atomu (po grecku „niepodzielny”) jako najmniejszego składnika materii była intelektualną kreacją narodzoną w starożytnej Grecji, około 300 rpne Podobnie jak wiele innych greckich koncepcji, pojęcie atomu zostało opracowane na podstawie logika i argumentacja, ale nie eksperymentowanie.

Model atomowy Rutherforda

Najbardziej znanymi filozofami atomistów byli Demokryt z Abdery (460 - 360 pne), Epikur z Samos (341 - 270 pne) i Tytus Lukrecjusz (98 - 54 pne). Grecy wymyślili cztery różne typy atomów, które odpowiadały czterem elementom, które według nich tworzyły materię: powietrzu, wodzie, ziemi i ogniu.

Później Arystoteles dodał piąty element: eter, z którego powstały gwiazdy, ponieważ pozostałe cztery elementy były czysto ziemskie.

Podboje Aleksandra Wielkiego, którego nauczycielem był Arystoteles, rozszerzyły jego wierzenia na cały świat starożytny, od Hiszpanii po Indie, i tym samym idea atomu przez wieki tworzyła swoje miejsce w świecie nauki.

Atom nie jest już niepodzielny

Poglądy filozofów greckich na temat budowy materii utrzymywały się przez setki lat, dopóki angielski chemik i nauczyciel John Dalton (1776-1844) nie opublikował wyników swoich eksperymentów w 1808 roku.

Dalton zgodził się, że pierwiastki składają się z niezwykle małych cząstek zwanych atomami. Ale poszedł dalej, stwierdzając, że wszystkie atomy tego samego pierwiastka są równe, mają tę samą wielkość, taką samą masę i te same właściwości chemiczne, co powoduje, że pozostają niezmienione podczas reakcji chemicznej.

To pierwszy model atomowy oparty na nauce. Podobnie jak Grecy, Dalton nadal uważał atom za niepodzielny, a zatem pozbawiony struktury. Jednak geniusz Daltona skłonił go do przestrzegania jednej z wielkich zasad zachowania fizyki:

• W reakcjach chemicznych atomy nie są ani tworzone, ani niszczone, zmieniają jedynie swój rozkład.

I ustalił sposób, w jaki związki chemiczne są tworzone przez „złożone atomy” (cząsteczki):

• Kiedy dwa lub więcej atomów różnych pierwiastków łączy się, tworząc ten sam związek, zawsze robią to w określonych i stałych proporcjach masowych.

XIX wiek był wielkim wiekiem elektryczności i magnetyzmu. Kilka lat po publikacjach Daltona wyniki niektórych eksperymentów podają naukowcom wątpliwość co do niepodzielności atomu.

Rurka Crookesa

Rurka Crookesa była urządzeniem zaprojektowanym przez brytyjskiego chemika i meteorologa Williama Crookesa (1832-1919). Eksperyment, który Crookes przeprowadził w 1875 r., Polegał na umieszczeniu w rurze wypełnionej gazem pod niskim ciśnieniem dwóch elektrod, jednej zwanej katodą, a drugiej zwanej anodą.

Poprzez ustalenie różnicy potencjałów między dwiema elektrodami gaz jarzył się kolorem charakterystycznym dla używanego gazu. Fakt ten sugerował, że w atomie istniała jakaś szczególna organizacja i dlatego nie była ona niepodzielna.

Ponadto promieniowanie to wytworzyło słabą fluorescencję na ściance szklanej rurki przed katodą, odcinając cień znaku w kształcie krzyża znajdującego się wewnątrz rury.

Było to tajemnicze promieniowanie znane jako „promienie katodowe”, które wędrowało w linii prostej do anody i było wysoce energetyczne, zdolne do wywoływania efektów mechanicznych i które zostało odchylone w kierunku dodatnio naładowanej płyty lub również przez magnesy.

Odkrycie elektronu

Promieniowanie wewnątrz rury Crookesa nie mogło być falami, ponieważ zawierało ładunek ujemny. Joseph John Thomson (1856 - 1940) znalazł odpowiedź w 1887 r., Kiedy odkrył zależność między ładunkiem a masą tego promieniowania i stwierdził, że jest ona zawsze taka sama: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Niezależnie od gazu zamknięty w rurze lub materiał użyty do wykonania katody.

Thomson nazwał te cząstki cząstkami. Mierząc jego masę w stosunku do ładunku elektrycznego, doszedł do wniosku, że każda cząsteczka jest znacznie mniejsza od atomu. Dlatego zasugerował, że powinny być ich częścią, odkrywając w ten sposób elektron.

Brytyjski naukowiec jako pierwszy naszkicował graficzny model atomu, rysując kulę z wstawionymi punktami, której ze względu na swój kształt nadano przydomek „budyń śliwkowy”. Ale to odkrycie wywołało inne pytania:

• Jeśli materia jest obojętna, a elektron ma ładunek ujemny: gdzie w atomie znajduje się ładunek dodatni, który neutralizuje elektrony?
• Jeśli masa elektronu jest mniejsza niż masa atomu, to z czego składa się reszta atomu?
• Dlaczego otrzymane w ten sposób cząstki zawsze były elektronami, a nigdy innego typu?

Eksperymenty rozpraszania Rutherforda: jądro atomowe i proton

Do 1898 Rutherford zidentyfikował dwa rodzaje promieniowania uranu, które nazwał alfa i beta.

Naturalną radioaktywność odkryła już Marie Curie w 1896 r. Cząsteczki alfa są naładowane dodatnio i są po prostu jądrem helu, ale wtedy pojęcie jądra nie było jeszcze znane. Rutherford miał się dowiedzieć.

Jeden z eksperymentów, które Rutherford przeprowadził w 1911 roku na Uniwersytecie w Manchesterze, z pomocą Hansa Geigera, polegał na bombardowaniu cienkiej złotej folii cząstkami alfa, których ładunek jest dodatni. Wokół złotej folii umieścił fluorescencyjny ekran, który pozwolił im wizualizować skutki bombardowania.

Obserwacje

Badając wpływ na ekran fluorescencyjny, Rutherford i jego asystenci zauważyli, że:

1. Bardzo wysoki procent cząstek alfa przeszedł przez arkusz bez zauważalnego odchylenia.
2. Niektóre zbaczały pod dość stromymi kątami
3. I bardzo niewielu odbijało się przez całą drogę z powrotem

Eksperymenty rozpraszania Rutherforda. Źródło: .

Obserwacje 2 i 3 zaskoczyły badaczy i doprowadziły ich do założenia, że ​​osoba odpowiedzialna za rozpraszanie promieni musi mieć ładunek dodatni, a na podstawie obserwacji numer 1 osoba odpowiedzialna była znacznie mniejsza niż cząstki alfa. .

Sam Rutherford powiedział o tym, że to „… jakbyś wystrzelił 15-calowy pocisk morski w kartkę papieru, a pocisk odbił się i uderzył w ciebie”. Z pewnością nie można tego wytłumaczyć modelem Thompsona.

Analizując swoje wyniki z klasycznego punktu widzenia, Rutherford odkrył istnienie jądra atomowego, w którym skoncentrowany był dodatni ładunek atomu, co nadało mu jego neutralność.

Rutherford kontynuował swoje eksperymenty z rozpraszaniem. W 1918 roku nowym celem dla cząstek alfa były atomy gazowego azotu.

W ten sposób wykrył jądra wodoru i od razu wiedział, że jedynym miejscem, z którego jądra te mogą pochodzić, jest sam azot. Jak to możliwe, że jądra wodoru były częścią azotu?

Rutherford zasugerował następnie, że jądro wodoru, pierwiastek, któremu przypisano już liczbę atomową 1, musi być cząstką podstawową. Nazwał to protonem, co po grecku oznacza pierwszy. Tak więc odkrycia jądra atomowego i protonu są zasługą tego genialnego Nowozelandczyka.

Postulaty modelu atomowego Rutherforda

Nowy model bardzo różnił się od Thompsona. Oto jego postulaty:

• Atom zawiera dodatnio naładowane jądro, które mimo że jest bardzo małe, zawiera prawie całą masę atomu.
• Elektrony krążą wokół jądra atomowego na duże odległości i po orbitach kołowych lub eliptycznych.
• Ładunek netto atomu wynosi zero, ponieważ ładunki elektronów kompensują dodatni ładunek obecny w jądrze.

Obliczenia Rutherforda wskazał na jądrze z kulistego kształtu i odległości tak małe jak 10 ^-15 m, wartość promienia atomowego jest około 100 tysięcy razy większa, ponieważ jądra są stosunkowo daleko od siebie: z rzędu 10 ^-10 m.

Młody Ernest Rutherford. Źródło: Nieznane, opublikowane w 1939 r. W Rutherford: bycie życiem i listami Rt. Lorda Rutherforda O. M

To wyjaśnia, dlaczego większość cząstek alfa przeszła przez arkusz gładko lub miała bardzo małe ugięcie.

Widziany w skali przedmiotów codziennego użytku, atom Rutherforda składałby się z jądra wielkości piłki baseballowej, a promień atomowy wyniósłby około 8 km. Dlatego atom można uznać za pustą przestrzeń.

Dzięki podobieństwu do miniaturowego układu słonecznego stał się znany jako „planetarny model atomu”. Siła przyciągania elektrostatycznego między jądrem a elektronami byłaby analogiczna do przyciągania grawitacyjnego między słońcem a planetami.

Ograniczenia

Były jednak pewne nieporozumienia dotyczące niektórych zaobserwowanych faktów:

• Jeśli przyjmie się ideę, że elektron krąży wokół jądra, zdarza się, że elektron powinien nieprzerwanie emitować promieniowanie, aż zderzy się z jądrem, co w konsekwencji spowoduje zniszczenie atomu w czasie znacznie krótszym niż sekunda. Na szczęście tak się nie dzieje.
• Co więcej, w niektórych przypadkach atom emituje określone częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, gdy zachodzą przejścia między stanem o wyższej energii do stanu o niższej energii i tylko te częstotliwości, a nie inne. Jak wytłumaczyć fakt kwantowania energii?

Pomimo tych ograniczeń, ponieważ obecnie istnieją znacznie bardziej wyrafinowane modele zgodne z zaobserwowanymi faktami, model atomowy Rutherforda jest nadal przydatny dla ucznia, aby mieć pierwsze udane podejście do atomu i jego cząstek składowych.

W tym modelu atomu nie pojawia się neutron, kolejny składnik jądra, którego odkryto dopiero w 1932 roku.

Wkrótce po tym, jak Rutherford zaproponował swój model planetarny, w 1913 roku duński fizyk Niels Bohr zmodyfikował go, aby wyjaśnić, dlaczego atom nie został zniszczony, a my nadal jesteśmy tutaj, aby opowiedzieć tę historię.

Ciekawe artykuły

Model atomowy Schrödingera.

Model atomowy De Brogliego.

Model atomowy Chadwicka.

Model atomowy Heisenberga.

Model atomowy Perrina.

Model atomowy Thomsona.

Model atomowy Diraca Jordana.

Atomowy model Demokryta.

Model atomowy Bohra.

Model atomowy Daltona.

Bibliografia

1. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Uwagi z zajęć dla Katedry Radiobiologii i Ochrony Radiologicznej. Szkoła Zdrowia Publicznego Centralnego Uniwersytetu Wenezueli.