Elképzelések kidolgozása az atomkémia fejlesztésével kapcsolatban. Az atommag szerkezetére vonatkozó elképzelések fejlődése. Elemek periódusos rendszere

A fizika egyik ága, amely az atomok belső szerkezetét vizsgálja. Az eredetileg oszthatatlannak hitt atomok összetett rendszerek. Hatalmas proton- és neutronmagjuk van, amely körül az elektronok az üres térben mozognak. Az atomok nagyon kicsik - méretük körülbelül 10-10-10-9 m, az atommag mérete pedig még mindig körülbelül 100 000-szer kisebb (10-15-10-14 m). Ezért az atomok csak közvetve, nagyon nagy nagyítású képen (például egy autoelektronikus kivetítő segítségével) "láthatók". De még ebben az esetben sem lehet részletesen megvizsgálni az atomokat. Belső felépítésükre vonatkozó ismereteink hatalmas mennyiségű kísérleti adaton alapulnak, amelyek közvetve, de meggyőzően a fentiek mellett tanúskodnak.

Az atom szerkezetének fogalma a XX. században gyökeresen megváltozott. új elméleti ötletek és kísérleti adatok hatására. Az atommag belső szerkezetének leírásában még mindig vannak olyan megválaszolatlan kérdések, amelyek intenzív kutatás tárgyát képezik. A következő részek az atom egészére vonatkozó elképzelések fejlődésének történetét írják le; külön cikk foglalkozik a kernel felépítésével ( AZ ATOMMAG SZERKEZETE), mivel ezek a fogalmak nagyrészt egymástól függetlenül alakultak ki. Az atom külső héjainak vizsgálatához szükséges energia viszonylag kicsi, a termikus vagy kémiai energia nagyságrendje szerint. Emiatt az elektronokat kísérletileg jóval az atommag felfedezése előtt fedezték fel.

Az atommag kis méretével nagyon erősen megkötött, így csak az atomok között ható erőknél milliószor intenzívebb erők segítségével lehet elpusztítani és vizsgálni. Az atommag belső szerkezetének megértésében csak a részecskegyorsítók megjelenésével kezdődött a gyors fejlődés. Ez az óriási méretkülönbség és a kötési energia az, ami lehetővé teszi, hogy az atom szerkezetét mint egészet az atommag szerkezetétől elkülönítve tekintsük.

Ahhoz, hogy képet kapjunk egy atom méretéről és az általa elfoglalt üres helyről, vegyük figyelembe azokat az atomokat, amelyek egy 1 mm átmérőjű vízcseppet alkotnak. Ha ezt a cseppet mentálisan a Föld méretűre növeljük, akkor a vízmolekulában lévő hidrogén- és oxigénatomok átmérője 1-2 m. Az egyes atomok tömegének nagy része a magjában koncentrálódik, a amelynek átmérője mindössze 0,01 mm volt ...

Az atommal kapcsolatos legáltalánosabb elképzelések kialakulásának története általában a görög filozófus, Démokritosz (i. e. 460 körül - i.e. 370 körül) idejéből származik, aki sokat gondolkodott a legkisebb részecskéken, amelyekre bármilyen anyag felosztható. . A görög filozófusok egy csoportját, akik úgy vélték, hogy ilyen apró oszthatatlan részecskék léteznek, atomistáknak nevezték. A görög filozófus, Epikurosz (i. e. 342–270) átvette az atomelméletet, és a Kr. e. egyik követője, Lucretius Carus római költő és filozófus „A dolgok természetéről” című költeményében fejtette ki Epikurosz tanításait, aminek köszönhetően megőrizték a jövő nemzedékei számára. Arisztotelész (Kr. e. 384–322), az ókor egyik legnagyobb tudósa, nem fogadta el az atomisztikus elméletet, filozófiáról és tudományról alkotott nézetei később érvényesültek a középkori gondolkodásban. Az atomelmélet csak a reneszánsz legvégén látszott létezni, amikor a tisztán spekulatív filozófiai érvelést felváltotta a kísérlet.

A reneszánsz idején szisztematikus kutatások kezdődtek a ma kémiának és fizikának nevezett területeken, új betekintést hozva magukkal az "oszthatatlan részecskék" természetébe. R. Boyle (1627-1691) és I. Newton (1643-1727) az anyag oszthatatlan részecskéi létezésének gondolatából indult ki. Azonban sem Boyle -nak, sem Newtonnak nem volt szüksége részletes atomelméletre, hogy megmagyarázza a számukra érdekes jelenségeket, és kísérleteik eredményei nem mondtak újat az "atomok" tulajdonságairól.

AZ ATOM SZERKEZETE

Dalton törvényei. Az atomisztikus elmélet első valóban tudományos alátámasztása, amely meggyőzően bizonyította annak a hipotézisnek a racionalitását és egyszerűségét, miszerint minden kémiai elem a legkisebb részecskékből áll, J. Dalton (1766-1844) angol iskolai matematikatanár munkája volt, akinek a cikke. A probléma 1803 -ban jelent meg ...

Dalton tanulmányozta a gázok tulajdonságait, különösen a kémiai vegyület képződésének reakciójába belépett gázok térfogatának arányát, például amikor a víz hidrogénből és oxigénből képződik. Megállapította, hogy a reagált hidrogén és oxigén mennyiségének aránya mindig kis egész számok aránya. Így víz (H 2 O) képződésekor 2,016 g gáznemű hidrogén lép reakcióba 16 g oxigénnel, hidrogén-peroxid (H 2 O 2) képződésekor pedig 32 g gáz halmazállapotú oxigén 2,016 g oxigénnel keveredik. hidrogénből. A két vegyület képződése során azonos hidrogéntömeggel reagáló oxigéntömegek kis számban kapcsolódnak egymáshoz:

Ezen eredmények alapján Dalton megfogalmazta "többszörös arány törvényét". E törvény szerint, ha két elem különböző arányban egyesül, és különböző vegyületeket képez, akkor az egyik elem tömege a második elem azonos mennyiségével kombinálva kis egész számként viszonyul. Dalton második törvénye, "az állandó kapcsolatok törvénye" szerint minden kémiai vegyületben alkotóelemeinek tömegaránya mindig ugyanaz. J. Berzelius (1779-1848) nagy mennyiségű kísérleti adatot gyűjtött össze nemcsak gázokkal, hanem folyadékokkal és szilárd vegyületekkel kapcsolatban is, aki számos vegyület esetében pontos méréseket végzett az elemek reakciójában. Adatai megerősítették a Dalton által megfogalmazott törvényeket, és meggyőzően bizonyították, hogy minden elemnek a legkisebb a tömegegysége.

Dalton atomi posztulátumainak az volt az előnye az ókori görög atomisták absztrakt érvelésével szemben, hogy törvényei lehetővé tették a valós kísérletek eredményeinek magyarázatát és összefüggését, valamint új kísérletek eredményeinek előrejelzését. Feltételezte, hogy 1) ugyanannak az elemnek minden atomja minden tekintetben azonos, különösen tömegük azonos; 2) a különböző elemek atomjai eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek, különösen tömegük nem azonos; 3) egy vegyület, az elemtől eltérően, minden egyes alkotóeleméből meghatározott egész számú atomot tartalmaz; 4) kémiai reakciókban az atomok újraeloszlása megtörténhet, de egyetlen atom sem pusztul el vagy keletkezik újra. (Valójában, mint a 20. század elején kiderült, ezek a posztulátumok nem teljesülnek egészen szigorúan, mivel egyazon elem atomjainak tömege eltérő lehet, például a hidrogénnek három ilyen fajtája van, ezeket izotópoknak nevezzük; ráadásul az atomok radioaktív átalakulásokon mennek keresztül, sőt teljesen összeomolhatnak, de nem a Dalton által figyelembe vett kémiai reakciókban.) E négy posztulátum alapján Dalton atomelmélete a legegyszerűbb magyarázatot adta az állandó és többszörös arányok törvényeire.

Bár a Dalton-törvények minden kémia alapját képezik, nem ezek határozzák meg az atomok tényleges méretét és tömegét. Nem mondanak semmit egy elem vagy vegyület adott tömegében található atomok számáról. Az egyszerű anyagok molekulái túl kicsik ahhoz, hogy külön lehessen őket mérni, ezért az atomok és molekulák tömegének meghatározásához közvetett módszereket kell alkalmazni.

Avogadro száma. 1811-ben A. Avogadro (1776–1856) felállított egy hipotézist, amely nagymértékben leegyszerűsítette annak elemzését, hogyan keletkeznek vegyületek az elemekből, és megállapította az atomok és molekulák közötti különbséget. Elképzelése az volt, hogy azonos térfogatú, azonos hőmérsékletű és nyomású gázok ugyanannyi molekulát tartalmaznak. Erre elvileg utalás található J. Gay-Lussac (1778-1850) korábbi munkájában, aki megállapította, hogy a kémiai reakcióba lépő gáznemű elemek térfogataránya egész számokban van kifejezve, bár eltérő. a Dalton által kapott tömegarányokból. Például 2 liter hidrogéngáz (H 2 molekula) 1 liter oxigéngázzal (O 2 molekulák) egyesülve 1 liter vízgőzt (H 2 O molekulákat) képez.

Egy adott gáztérfogatban a molekulák valódi száma rendkívül nagy, és 1865-ig nem lehetett elfogadható pontossággal meghatározni. Azonban már Avogadro idején durva becslések születtek a gázok kinetikai elmélete alapján. Egy anyag mennyiségének mérésére nagyon kényelmes mértékegység a mól, azaz. annak az anyagnak a mennyisége, amelyben annyi molekula van, mint ahány atom a 0,012 kg leggyakoribb szén -izotópban 12 C. Egy mól ideális gáz normál körülmények között (n.u.), azaz standard hőmérséklet és nyomás, 22,4 liter térfogatot foglal el. Az Avogadro-szám az egy mól anyagban vagy normál körülmények között 22,4 liter gázban lévő molekulák teljes száma. Más módszerek, mint például a radiográfia, megadják Avogadro számát N A 0 értékek pontosabbak, mint a kinetikai elmélet alapján kapott értékek. A jelenleg elfogadott érték 6,0221367X10 23 atom (molekula) egy mólban. Következésképpen 1 liter levegő körülbelül 3 × 10 22 molekula oxigént, nitrogént és egyéb gázokat tartalmaz.

Az Avogadro szám fontos szerepe az atom fizikájában az a tény, hogy lehetővé teszi az atom vagy molekula tömegének és hozzávetőleges méreteinek meghatározását. Mivel a 22,4 liter gázhalmazállapotú H 2 tömege 2,016 × 10–3 kg, az egyik hidrogénatom tömege 1,67 × 10–27 kg. Ha feltételezzük, hogy a szilárd testben az atomok közel helyezkednek el egymáshoz, akkor az Avogadro-szám lehetővé teszi a sugár hozzávetőleges becslését r mondjuk alumínium atomok. Alumínium esetében 1 mol 0,027 kg, sűrűsége 2,7 × 10 3 kg / m 3. Ráadásul van

Ahol r»1,6 × 10 –10 m. Így az Avogadro számának első becslései képet adtak az atomi méretekről.

Az elektron felfedezése. A kémiai vegyületek képződésével kapcsolatos kísérleti adatok megerősítették az "atomi" részecskék létezését, és lehetővé tették az egyes atomok kis méretének és tömegének megítélését. Azonban az atomok valódi szerkezete, beleértve az atomokat alkotó még kisebb részecskék létezését is, tisztázatlan maradt egészen addig, amíg JJ Thomson 1897-ben fel nem fedezte az elektront. Addig az atomot oszthatatlannak tekintették, és a kémiai tulajdonságaik különbségei is voltak. különböző elemekre nem volt magyarázat. Még Thomson felfedezése előtt számos érdekes kísérletet végeztek, amelyek során más kutatók alacsony nyomáson gázzal töltött üvegcsövek elektromos áramát vizsgálták. Az ilyen csövek, amelyeket a német üvegfúvó, G. Geissler (1815–1879) után Geissler-csöveknek neveztek el, aki először kezdte el gyártani őket, fényes fényt bocsátottak ki, amikor egy indukciós tekercs nagyfeszültségű tekercséhez kapcsolták őket. Ezek az elektromos kisülések iránt érdeklődni kezdett W. Crookes (1832-1919), aki megállapította, hogy a csőben a kisülés jellege a nyomás függvényében változik, és a kisülés nagy vákuumban teljesen eltűnik. J. Perrin (1870-1942) későbbi tanulmányai kimutatták, hogy az izzást okozó "katódsugarak" negatív töltésű részecskék, amelyek egyenes vonalban mozognak, de mágneses térrel elterelhetők. A részecskék töltése és tömege azonban ismeretlen maradt, és nem volt világos, hogy minden negatív részecske azonos-e.

Thomson nagy érdeme volt a bizonyíték arra, hogy a katódsugarakat alkotó részecskék azonosak egymással és az anyag részei. ábrán látható speciális kisülőcső használata. 1, Thomson megmérte a katódsugár-részecskék, amelyeket később elektronoknak neveztek, sebességét és töltés/tömeg arányát. Az elektronok kiszabadultak a katódból a csőben lévő nagyfeszültségű kisülés hatására. A rekeszizmokon keresztül Dés E közülük csak azok mentek át, amelyek a cső tengelye mentén repültek.

Rizs. 1. A TÖMEG ARÁNYA. A cső, amelyet J. Thomson angol fizikus használt a katódsugarak töltés/tömeg arányának meghatározására. Ezek a kísérletek az elektron felfedezéséhez vezettek.

Normál módban ezek az elektronok a lumineszcens képernyő közepét érik. (A Thomson-cső volt az első képernyős "katódsugárcső", a televíziós képcső előfutára.) A csőben volt egy pár elektromos kondenzátorlemez is, amelyek feszültség alá helyezve eltéríthetik az elektronokat. Elektromos erő F E a vád szerint eljárva e az elektromos tér oldaláról E, kifejezés adja meg

F E = eE .

Ezenkívül a cső ugyanabban a tartományában egy pár áramtekercs segítségével mágneses mezőt lehetne létrehozni, amely képes az elektronokat ellenkező irányba eltéríteni. Kényszerítés F H a mágneses térből ható H, arányos a térerővel, a részecskesebességgel vés a töltése e :

F H = Hev .

Thomson úgy állította be az elektromos és mágneses teret, hogy az elektronok teljes elhajlása nulla legyen, azaz. az elektronnyaláb visszatért eredeti helyzetébe. Mivel ebben az esetben mindkét erő F Eés F H egyenlőek, az elektronok sebességét a kifejezés adja meg

v = E/H .

Thomson megállapította, hogy ez a sebesség a cső feszültségétől függ. Vés hogy az elektronok mozgási energiája mv 2/2 egyenesen arányos ezzel a feszültséggel, azaz. mv 2 /2 = eV... (Innen ered az "elektron-volt" kifejezés, amely az elektron töltésével egyenlő töltésű részecske által nyert energiára vonatkozik, amikor 1 V-os potenciálkülönbséggel felgyorsítják.) Ha ezt az egyenletet kombináljuk az elektron sebességének kifejezésével, megtalálta a töltés és a tömeg arányát:

Ezek a kísérletek lehetővé tették a hozzáállás meghatározását e /m egy elektronra és megadta a töltés hozzávetőleges értékét e... Pontosan nagyságrendben e R. Milliken mérte meg, aki kísérleteivel elérte, hogy a töltött olajcseppek a levegőben lógjanak a kondenzátor lemezei között. Jelenleg az elektron jellemzői nagy pontossággal ismertek:

Így az elektron tömege sokkal kisebb, mint a hidrogénatom tömege:

Thomson kísérletei azt mutatták, hogy az elektromos kisülésekben lévő elektronok bármilyen anyagból származhatnak. Mivel minden elektron azonos, az elemeknek csak az elektronok számában kell eltérniük. Ezenkívül az elektronok tömegének kis értéke azt jelezte, hogy az atom tömege nem koncentrálódott bennük.

Thomson tömegspektrográf. Hamarosan az atom fennmaradó pozitív töltésű részét is megfigyelték ugyanazon, bár módosított kisülési cső segítségével, amely lehetővé tette az elektron felfedezését. Már az első kisülési csövekkel végzett kísérletek kimutatták, hogy ha a lyukas katódot a cső közepére helyezzük, akkor a pozitív töltésű részecskék áthaladnak a katódban lévő "csatornán", ami a cső ellentétes végén található lumineszcencia képernyőt okoz. az anódtól az izzásig. Ezeket a pozitív "csatornanyalábokat" szintén eltérítette a mágneses tér, de az elektronokkal ellentétes irányban.

Thomson úgy döntött, hogy megméri ezen új sugarak tömegét és töltését, elektromos és mágneses mezőket is felhasználva a részecskék eltérítésére. A pozitív sugarak tanulmányozására szolgáló eszköze, a "tömegspektrográf" vázlatosan látható az 1. ábrán. 2. Eltér az ábrán látható készüléktől. Az 1. ábrán látható, hogy az elektromos és a mágneses tér a részecskéket egymásra merőlegesen téríti el, és ezért a "nulla" elhajlás nem érhető el. A pozitív töltésű atomok az anód és a katód közötti úton egy vagy több elektront veszíthetnek, és emiatt különböző energiákra gyorsulhatnak fel. Az azonos típusú, azonos töltésű és tömegű, de a végsebességek bizonyos szórásával rendelkező atomok ívelt vonalat (a parabola egy szegmensét) rajzolnak egy lumineszcens képernyőre vagy fényképezőlapra. Különböző tömegű atomok jelenlétében a nehezebb (azonos töltésű) atomok gyengébben térnek el a központi tengelytől, mint a könnyebbek. ábrán. A 3. ábra a Thomson tömegspektrográffal kapott parabolák fényképét mutatja. A legkeskenyebb parabola a legnehezebb egyszeresen ionizált atomnak (higanyatomnak) felel meg, amelyből egy elektron kiütődik. A két legszélesebb parabola a hidrogénnek felel meg, az egyik az atomi H +-nak, a másik a molekuláris H 2 +-nak, mindkettő egyedileg ionizált. Egyes esetekben két, három vagy akár négy töltés is elveszik, de az atomi hidrogént soha nem figyelték meg többször ionizálva. Ez a körülmény volt az első jele annak, hogy a hidrogénatomban csak egy elektron van, i.e. ez a legegyszerűbb atom.

Rizs. 2. TÖMEGSPEKTROGRÁF, amelyet Thomson használ a különböző atomok tömegének relatív értékeinek meghatározására a pozitív sugarak mágneses és elektromos mezőkben való eltérítéséből.

Rizs. 3. TÖMEGSPEKTRÁK, fényképek öt anyag ionizált atomjainak eloszlásával, tömegspektrográfban. Minél nagyobb az atomok tömege, annál kisebb az elhajlás.

Egyéb bizonyítékok az atom bonyolult szerkezetére. Ugyanabban az időben, amikor Thomson és mások katódsugarakkal kísérleteztek, a röntgensugárzás és a radioaktivitás felfedezése további bizonyítékot szolgáltatott az atom összetett szerkezetére. 1895-ben W. Roentgen (1845-1923) véletlenül felfedezett egy titokzatos sugárzást. NS-rays"), amely áthatolt a fekete papíron, amellyel a Crookes csövet becsomagolta, miközben az elektromos kisülés zöld lumineszcens tartományát vizsgálta. NS A sugarak egy kristályos bárium-platina-cianiddal bevont távoli képernyő fényét okozták. Roentgen rájött, hogy a képernyő és a cső közé bekerülő különböző vastagságú anyagok gyengítik a fényt, de nem oltják ki teljesen. Ez rendkívül magas behatolási erőt jelzett NS-sugarak. Roentgen azt is megállapította, hogy ezek a sugarak egyenes vonalban terjednek, és nem térítik el őket elektromos és mágneses mezők. Az ilyen láthatatlan áthatoló sugárzás megjelenése, amikor az elektronok különféle anyagokat bombáztak, teljesen új volt. Ismeretes volt, hogy a Geissler-csövek látható fénye különálló "spektrális vonalakból" áll, amelyek meghatározott hullámhosszúak, és ezért diszkrét frekvenciájú atomok "rezgéseihez" kapcsolódnak. Az új sugárzás lényeges jellemzője, amely megkülönböztette az optikai spektrumoktól, a nagy áthatolóképesség mellett az volt, hogy a szekvenciálisan növekvő elektronszámú elemek optikai spektrumai teljesen eltértek egymástól, míg a spektrumok x A sugarak nagyon kis mértékben változtak elemenként.

Az atom szerkezetével kapcsolatos másik felfedezés az volt, hogy egyes elemek atomjai spontán sugárzást bocsáthatnak ki. Ezt a jelenséget 1896-ban fedezte fel A. Becquerel (1852-1908). Becquerel urán-sók felhasználásával fedezte fel a radioaktivitást, miközben tanulmányozta a sók fény hatására bekövetkező lumineszcenciáját és kapcsolatát az üveg lumineszcenciájával egy röntgencsőben. Az egyik kísérletben egy fekete papírba csomagolt fényképezőlap megfeketedését figyelték meg, amely egy uránsó közelében, teljes sötétségben helyezkedett el. Ez a véletlen felfedezés ösztönözte a természetes radioaktivitás egyéb példáinak intenzív kutatását, és kísérletek felállítását a kibocsátott sugárzás természetének meghatározására. 1898-ban P. Curie (1859-1906) és M. Curie (1867-1934) még két radioaktív elemet fedezett fel - a polóniumot és a rádiumot. E. Rutherford (1871-1937), miután tanulmányozta az uránsugárzás áthatoló erejét, kimutatta, hogy a sugárzásnak két típusa van: a nagyon "lágy" sugárzás, amelyet könnyen elnyel az anyag, és amelyet Rutherford alfa-sugárzásnak nevezett, valamint a jobban átható sugárzás. , amit béta-sugaraknak nevezett. Kiderült, hogy a béta-sugarak azonosak a kisülési csövekben keletkező közönséges elektronokkal, vagy "katódsugarakkal". Mint kiderült, az alfa -sugarak töltése és tömege megegyezik a héliumatomokkal, megfosztva két elektronjuktól. A harmadik típusú sugárzás, az úgynevezett gamma-sugárzás, hasonlónak bizonyult x-sugarakat, de még nagyobb áthatoló képességgel rendelkezett.

Mindezek a felfedezések világosan megmutatták, hogy az atom nem "oszthatatlan". Nem csak kisebb részekből (elektronokból és nehezebb pozitív részecskékből) áll, hanem ezek és más alrészecskék nyilvánvalóan spontán kibocsátódnak a nehéz elemek radioaktív bomlása során. Ráadásul az atomok nemcsak diszkrét frekvenciájú sugárzást bocsátanak ki a látható tartományban, hanem annyira izgatottak is lehetnek, hogy elkezdenek több "kemény" elektromágneses sugárzást kibocsátani, nevezetesen x-sugarak.

Thomson atommodellje. J. Thomson, aki óriási mértékben hozzájárult az atom szerkezetének kísérleti vizsgálatához, olyan modellt keresett, amely megmagyarázza annak összes ismert tulajdonságát. Mivel az atom tömegének túlnyomó része a pozitív töltésű részében koncentrálódik, feltételezte, hogy az atom körülbelül 10-10 m sugarú pozitív töltésű szférikus eloszlás, és a felületén elasztikus elektronok vannak. erők, amelyek lehetővé teszik számukra a rezgést (4. ábra). Az elektronok teljes negatív töltése pontosan kompenzálja a pozitív töltést, így az atom elektromosan semleges. Az elektronok a gömbön vannak, de egyszerű harmonikus rezgéseket tudnak végrehajtani az egyensúlyi helyzet körül. Ilyen rezgések csak bizonyos frekvenciáknál fordulhatnak elő, amelyek megfelelnek a gázkisülési csövekben megfigyelhető keskeny spektrális vonalaknak. Az elektronok meglehetősen könnyen kiüthetők helyzetükből, aminek eredményeként pozitív töltésű "ionok" keletkeznek, amelyekből tömegspektrográffal végzett kísérletek során a "csatornanyalábokat" állítják össze. x-sugarak az elektronok alapvető rezgésének nagyon magas felhangjainak felelnek meg. A radioaktív átalakulásokból származó alfa-részecskék a pozitív szféra részei, egy atom valamilyen energetikai szakadása következtében kiütnek onnan.

Rizs. 4. ATOM, Thomson modellje szerint. Az elektronokat egy pozitív töltésű gömb belsejében rugalmas erők tartják. Azok, amelyek a felszínen vannak, könnyen "kiüthetnek", ionizált atomot hagyva hátra.

Ez a modell azonban számos kifogást emelt. Az egyik oka az volt, hogy az emissziós vonalakat mérõ spektroszkópusok megállapították, hogy ezeknek a vonalaknak a frekvenciái nem egyszerû többszörösei a legalacsonyabb frekvenciának, ahogyan annak a periodikus töltésrezgések esetében lennie kellene. Ehelyett egyre gyakrabban konvergálnak, mintha egy határt céloznának meg. I. Balmernek (1825–1898) már 1885-ben sikerült egy egyszerű empirikus képletet találnia a hidrogénspektrum látható részének vonalainak frekvenciáira:

ahol n- gyakoriság, c- a fény sebessége (3x10 8 m/s), n Egy egész szám és R H- valamilyen állandó tényező. E képlet szerint a hidrogén spektrumvonalainak ebben a sorozatában nem lehetnek hullámhosszú vonalak. l kisebb, mint 364,56 nm (vagy magasabb frekvenciák), ami megfelel a n= Ґ. Így is lett, és ez komoly kifogást jelentett a Thomson-féle atommodell ellen, bár az eltérést megpróbálták a különböző elektronok rugalmas helyreállító erőinek különbségével magyarázni.

A Thomson-féle atommodell alapján rendkívül nehéz volt megmagyarázni a röntgen- vagy gamma-sugárzás atomok általi kibocsátását is.

A Thomson-féle atommodell nehézségeit is az attitűd okozta e/m tömegre töltés az elektronjaikat elvesztett atomok számára ("csatornanyaláb"). A legegyszerűbb atom az egy elektronnal rendelkező hidrogénatom és egy viszonylag nagy tömegű gömb, amely egy pozitív töltést hordoz. Sokkal korábban, 1815-ben W. Praut azt javasolta, hogy minden nehezebb atom hidrogénatomból álljon, és érthető lenne, ha egy atom tömege az elektronok számával arányosan nőne. A mérések azonban kimutatták, hogy a töltés és a tömeg aránya nem azonos a különböző elemeknél. Például egy neonatom tömege körülbelül 20-szorosa a hidrogénatom tömegének, míg a töltése csak 10 egységnyi pozitív töltés (a neonatomnak 10 elektronja van). Mintha a pozitív töltés változó tömegű lenne, vagy tényleg 20 elektron lenne, de ebből 10 a gömb belsejében volt.

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html

1) Anyagdarabok.
Démokritosz úgy vélte, hogy ennek vagy annak az anyagnak a tulajdonságait az alak, a tömeg stb., az azt alkotó atomok jellemzői határozzák meg: a tűz atomjai élesek, ezért a tűz égni képes, szilárd anyagokban durva. , ezért szilárdan tapadnak egymáshoz, vízben simaak, ezért folyni képes. Démokritosz szerint még az emberi lélek is atomokból áll.
2) "Puding héjjal" (Thomson modellje).
J. J. Thomson azt javasolta, hogy tekintsünk egy atomot pozitív töltésű testnek, amelyben elektronok vannak. Ez a modell nem magyarázza meg az atom sugárzásának soros természetét.
3) Atom, mint a Szaturnusz. 1904 év. Hentara Nagaoka. Egy kis pozitív mag, amely körül elektronok keringnek a pályákon.
4) Az atom bolygómodellje. 1911 év. Ernest Rutherford kísérletsorozat elvégzése után arra a következtetésre jutott, hogy az atom inkább egyfajta bolygórendszer, vagyis az elektronok az atom közepén elhelyezkedő, pozitív töltésű nehéz atommag körül mozognak. Az atomok stabilitásának magyarázatára Niels Bohrnak olyan posztulátumokat kellett bevezetnie, amelyek abból a tényből fakadtak, hogy az atomban lévő elektron bizonyos speciális energiaállapotokban nem sugárzik ki. Bohr posztulátumai azt mutatták, hogy a klasszikus mechanika nem alkalmazható az atom leírására.

Rutherford tapasztalata

Ernest Rutherford a vékony anyagrétegeken áthaladó a-részecskék szóródásáról. Ezekben a kísérletekben egy keskeny gerenda α -a radioaktív anyag által kibocsátott részecskéket vékony aranyfóliára irányították. A fólia mögé egy képernyőt helyeztek el, amely gyors részecskék hatására világítani tudott. Kiderült, hogy a legtöbb α -részecskék a fólián való áthaladás után eltérnek az egyenes vonalú terjedéstől, azaz szórványok és néhány α - a részecskéket általában visszadobják. Szórás α -részecskék Rutherford azzal magyarázta, hogy pozitív töltés nem egyenletesen oszlik el egy 10-10 m sugarú gömbben, amint azt korábban feltételeztük, hanem az atom központi részében - az atommagban - koncentrálódik. Amikor elhaladunk a mag közelében α - egy pozitív töltésű részecskét taszítanak belőle, és amikor az atommagba ütközik, az ellenkező irányba lökődik. Így viselkednek az azonos töltésű részecskék, ezért van egy központi pozitív töltésű része az atomnak, amelyben az atom jelentős tömege koncentrálódik. A számítások azt mutatták, hogy a kísérletek magyarázatához az atommag sugarát körülbelül 10-15 μ-nak kell venni. .

Rutherford atommodellje

Az atom Rutherford-féle szerkezeti modelljének lényege a következő: az atom középpontjában egy pozitív töltésű atommag található, amelyben az összes tömeg koncentrálódik, az atommag körül nagy távolságra, körpályán keringenek az elektronok. (mint a Nap körüli bolygók). Az atommag töltése egybeesik a kémiai elem számával a periódusos rendszerben.

Az atom szerkezetének bolygómodellje Rutherford szerint nem tudott megmagyarázni számos ismert tényt:

töltéssel rendelkező elektronnak a Coulomb-vonzóerők hatására az atommagra kell esnie, az atom pedig stabil rendszer; körpályán haladva, az atommaghoz közeledve az atomban lévő elektronnak minden lehetséges frekvenciájú elektromágneses hullámot kell kibocsátania, azaz a kibocsátott fénynek folytonos spektrumúnak kell lennie, de a gyakorlatban ez másképp alakul:

az atomok elektronjai vonalspektrumú fényt bocsátanak ki. Niels Bohr dán fizikus volt az első, aki megpróbálta feloldani az atom felépítésének planetáris magmodelljének ellentmondásait.

Bohr posztulátumai

Bohr elméletét két posztulátumra alapozta. Az első posztulátum: egy atomi rendszer csak speciális stacionárius vagy kvantumállapotban lehet, amelyek mindegyikének megvan a maga energiája; álló állapotban az atom nem sugároz.

Ez azt jelenti, hogy egy elektron (például hidrogénatomban) több jól körülhatárolt pályán lehet. Az elektron minden pályája egy jól meghatározott energiának felel meg.

A második posztulátum: az egyik álló állapotból a másikba való átmenet során elektromágneses sugárzás kvantumát bocsátanak ki vagy abszorbeálnak. A foton energiája egyenlő egy atom energiáinak különbségével két állapotú: hv = E m -Ε n; h= 6,62 10 -34 J s, ahol h - Planck állandó.

Amikor egy elektron egy közeli pályáról egy távolabbi pályára mozog, az atomi rendszer energiakvantumot nyel el. Amikor az elektron egy távolabbi pályájáról a maghoz képest közeli pályára halad, az atomrendszer egy kvantum energiát bocsát ki.

Bohr elmélete lehetővé tette a vonalspektrumok létezésének magyarázatát.

A 19. század végéig a legtöbb tudós úgy tekintett az atomra, mint egy elem felbonthatatlan és oszthatatlan részecskéje - az anyag "végcsomópontja". Azt is hitték, hogy az atomok megváltoztathatatlanok: egy adott elem atomja semmilyen körülmények között nem alakulhat át más elem atomjává.

A 19. század végét és a 20. század elejét a fizika és a kémia új felfedezései jellemzik, amelyek megváltoztatták az atomról, mint változatlan részecskeról alkotott nézetet, tanúbizonyságot téve az atomok összetett összetételéről és egymásba való átalakulásuk lehetőségéről.

Ide tartozik mindenekelőtt az elektron felfedezése Thomson angol fizikus 1897-ben, valamint a radioaktivitás felfedezése és tanulmányozása a 19. század 90-es éveinek végén. A. Becquerel, Maria és Pierre Curie, E. Rutherford.

A huszadik század eleje körül. számos jelenség (izzótestek sugárzása, fotoelektromos hatás, atomspektrumok) vizsgálata arra a következtetésre jutott, hogy az energia eloszlása és továbbítása, elnyelése és kibocsátása nem folyamatosan, hanem diszkréten, külön részekben - kvantumokban - történik. A mikrorészecskék rendszerének energiája is csak bizonyos értékeket vehet fel, amelyek a kvantumok többszörösei.

A kvantumenergia feltételezését először M. Planck (1900) fejezte ki. Az E kvantum energiája arányos a ν sugárzási frekvenciával:

ahol h Planck-állandó (6,626 10 -34 Js), ν =, s a fénysebesség,  a hullámhossz.

1905-ben A. Einstein megjósolta, hogy minden sugárzás energiakvantumok, úgynevezett fotonok fluxusa. Einstein elméletéből következik, hogy a fénynek kettős természete van.

1911-ben Rutherford javasolta az atom nukleáris bolygómodelljét, amely egy nehéz magból áll, amely körül az elektronok egy pályán mozognak, mint a Naprendszer bolygói. Azonban, amint az elektromágneses tér elmélete mutatja, az elektronoknak ebben az esetben spirálisan kell mozogniuk, folyamatosan energiát bocsátva ki, és az atommagra esni.

N. Bohr dán tudós Rutherford modelljét és Planck elméletét felhasználva javasolta a hidrogénatom szerkezetének első kvantummodelljét (1913), amely szerint az elektronok nem tetszőlegesen, hanem csak megengedett pályákon mozognak az atommag körül. az elektronnak bizonyos energiái vannak. Amikor egy elektron az egyik pályáról a másikra mozog, az atom kvantumok formájában nyeli el vagy bocsát ki energiát. Bohr elmélete lehetővé tette az elektronok energiájának kiszámítását, az elektronok egyik szintről a másikra való átmenete során kibocsátott energiakvantumok értékét. Nemcsak az atomi spektrumok fizikai természetét magyarázta el az elektronok egyik álló pályáról másikra való átmenetének eredményeként, hanem először lehetővé tette a spektrumok kiszámítását is. A legegyszerűbb atom, a hidrogénatom spektrumának Bohr által végzett számítása briliáns eredményeket hozott: a spektrumvonalak számított helyzete a spektrum látható részén egybeesett a spektrumban elfoglalt tényleges elhelyezkedésükkel. De Bohr elmélete nem tudta megmagyarázni az elektron viselkedését a mágneses térben, és az összes atomi spektrumvonal alkalmatlannak bizonyult sokelektronos atomok számára. Felmerült az igény egy új atommodellre, amely a mikrovilág felfedezésein alapul.

2.3. A hidrogénatom kvantummechanikai modellje. A kvantummechanika kezdeti fogalmai

1924-ben. Louis de Broglie (Franciaország) azt javasolta, hogy az elektront, mint más mikrorészecskéket, hullám-részecske kettősség jellemzi. De Broglie egy egyenletet javasolt, amely összeköti egy elektron vagy bármely más részecske hullámhosszát (λ) a tömeggel (m) és a sebességgel (v):

Az anyagrészecskék hullámait de Broglie anyaghullámoknak nevezi. Minden részecskére vagy testre jellemzőek, de az egyenletből következően a makrotesteknél a hullámhossz olyan kicsi, hogy jelenleg nem érzékelhető. Tehát egy 1000 kg tömegű, 108 km / h (30 m / s) sebességgel mozgó test esetén λ = 2,21 10 -38 m.

De Broglie hipotézisét kísérletileg megerősítette az elektronáramlás diffrakciós és interferenciahatásainak felfedezése. Jelenleg az elektronok, neutronok, protonok áramlásának diffrakcióját széles körben használják anyagok szerkezetének tanulmányozására.

W. Heisenberg (Németország) 1927-ben feltételezte a bizonytalanság elvét, amely szerint egy szubatomi részecske (mikrorészecske) helyzete és impulzusa elvileg soha nem határozható meg abszolút pontossággal. E tulajdonságok közül egyszerre csak egy határozható meg. E. Schrödinger (Ausztria) 1926-ban matematikai leírást készített egy elektron viselkedéséről az atomban. Lényege abban rejlik, hogy az elektronok mozgását egy atomban hullámegyenlet írja le, az elektron helyét pedig valószínűségi elvek alapján határozzák meg. Az atomszerkezet modern kvantummechanikai elméletének alapját képező Schrödinger-egyenlet (a legegyszerűbb esetben):

ahol h Planck-állandó, m a részecske tömege, U a potenciális energia; Е - teljes energia x, y, z - koordináták; ψ a hullámfüggvény.

Az elektron állapotának jellemzéséhez különösen fontos a ψ hullámfüggvény. Négyzetének, a ψ 2-nek van egy bizonyos fizikai jelentése. A ψ 2 dv mennyiség azt fejezi ki, hogy mekkora valószínűséggel találunk elektront az atommagot körülvevő dv tértérfogatban. Jelenleg az egyenletnek csak a hidrogénre és a He +, Li 2 + hidrogénszerű részecskékre van pontos megoldása, azaz. egyelektronos részecskékre. Ennek az egyenletnek a megoldása nehéz, és meghaladja a tanfolyam kereteit.

Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger munkái alapozták meg a kvantummechanikát, amely a mikrorészecskék mozgását és kölcsönhatását vizsgálja. Alapja a kvantumenergia fogalma, a mikrorészecskék mozgásának hullámtermészete és a mikroobjektumok leírásának valószínűségi (statisztikai) módszere.

Küldje el a jó munkát a tudásbázis egyszerű. Használja az alábbi űrlapot

Diákok, végzős hallgatók, fiatal tudósok, akik a tudásbázist tanulmányaikban és munkájukban használják, nagyon hálásak lesznek Önnek.

közzétett http://www.allbest.ru/

SZÖVETSÉGI ÁLLAMI KÖLTSÉGVETÉSI OKTATÁSI INTÉZMÉNY SZAKMAI FELSŐOKTATÁSI INTÉZMÉNY

„UFA ÁLLAMI ÁLLAMI ÁLLAMI ÁLLAMI ÁLLAMI MŰSZAKI EGYETEM”

Fizika Tanszék

ESSZÉ

Téma absztrakt: "Az atommag szerkezetére vonatkozó elképzelések fejlődése"

TELJESÍTETTE: ST. GR. BTE 13-01 A.A. ABDRAKHMANOV

ELLENŐRIZTE: A. A. E. KURAMSHINA TANÁR

UFA 2014

Bevezetés

Fő rész

Bohr posztulátumai

Az atommag szerkezete

Rutherford kísérletei

Következtetés

Bevezetés

Az eredetileg oszthatatlannak hitt atomok összetett rendszerek. Hatalmas proton- és neutronmagjuk van, amely körül az elektronok az üres térben mozognak. Az atomok nagyon kicsik - méretük körülbelül 10-10-10-9 m, és az atommag mérete még mindig körülbelül 100 000-szer kisebb (10-15-10-14 m). Ezért az atomok csak közvetve, nagyon nagy nagyítású képen (például egy autoelektronikus kivetítő segítségével) "láthatók". De még ebben az esetben sem lehet részletesen megvizsgálni az atomokat. Belső felépítésükre vonatkozó ismereteink hatalmas mennyiségű kísérleti adaton alapulnak, amelyek közvetve, de meggyőzően a fentiek mellett tanúskodnak.

Az atom szerkezetének fogalma a XX. században gyökeresen megváltozott. új elméleti ötletek és kísérleti adatok hatására. Az atommag belső szerkezetének leírásában még mindig vannak olyan megválaszolatlan kérdések, amelyek intenzív kutatás tárgyát képezik. A következő részek az atom egészére vonatkozó elképzelések fejlődésének történetét írják le; külön cikket (ATOMIC NUCLEUS STRUCTURE) szentelünk az atommag szerkezetének, mivel ezek a fogalmak nagyrészt egymástól függetlenül alakultak ki. Az atom külső héjainak vizsgálatához szükséges energia viszonylag kicsi, a termikus vagy kémiai energia nagyságrendje szerint. Emiatt az elektronokat kísérletileg jóval az atommag felfedezése előtt fedezték fel.

Ahhoz, hogy képet kapjunk egy atom méretéről és az általa elfoglalt üres helyről, vegyük figyelembe azokat az atomokat, amelyek egy 1 mm átmérőjű vízcseppet alkotnak. Ha ezt a cseppet gondolatban a Föld méretére növeli, akkor a vízmolekulában lévő hidrogén- és oxigénatomok átmérője 1-2 m. Minden atom tömegének fő része a magjában koncentrálódik, a amelynek átmérője mindössze 0,01 mm volt ...

Fő rész

Az atomok szerkezetére vonatkozó elképzelések fejlődése

Az atom összetett szerkezetének felfedezése a modern fizika kialakulásának legfontosabb állomása. Az atom szerkezetének kvantitatív elméletének megalkotása során, amely lehetővé tette az atomi rendszerek magyarázatát, új elképzelések születtek a mikrorészecskék tulajdonságairól, amelyeket a kvantummechanika ír le.

Az atomoknak mint anyagok oszthatatlan apró részecskéinek fogalma, amint azt fentebb megjegyeztük, az ókorban keletkezett (Démokritosz, Epikurosz, Lucretius). A középkorban az atomelmélet materialista lévén nem kapott elismerést. A 18. század elejére. az atomista elmélet egyre népszerűbb. Ekkor már megjelentek A. Lavoisier francia kémikus (1743-1794), a nagy orosz tudós, M.V. Lomonoszov és az angol kémikus és fizikus D. Dalton (1766-1844) bebizonyította az atomok létezésének valóságát. Ekkor azonban fel sem merült az atomok belső szerkezetének kérdése, mivel az atomokat oszthatatlannak tekintették.

A kiváló orosz kémikus D.I. Mengyelejev, aki 1869-ben dolgozta ki az elemek periódusos rendszerét, amelyben először vetették fel tudományos alapon az atomok egyedi természetének kérdését. A XIX. század második felében. kísérletileg bebizonyosodott, hogy az elektron bármely anyag egyik fő része. Ezek a következtetések, valamint számos kísérleti adat arra a tényre vezettek, hogy a XX. komolyan felmerült az atom szerkezetének kérdése.

Az összes kémiai elem közötti szabályos kapcsolat megléte, amelyet Mengyelejev periodikus rendszere egyértelműen kifejez, arra utal, hogy minden atom szerkezete egy közös tulajdonságon alapul: mindegyik szoros kapcsolatban áll egymással.

A XIX. Század végéig azonban. a kémiában az a metafizikai meggyőződés érvényesült, hogy az atom az egyszerű anyag legkisebb részecskéje, az anyag oszthatóságának utolsó határa. Valamennyi kémiai átalakulás során csak a molekulák pusztulnak el és keletkeznek újra, míg az atomok változatlanok maradnak, és nem oszthatók fel kisebb részekre.

Az atom szerkezetére vonatkozó különféle feltételezéseket sokáig semmilyen kísérleti adat nem erősítette meg. Csak a XIX. Század végén. olyan felfedezéseket tettek, amelyek megmutatták az atom szerkezetének összetettségét és annak lehetőségét, hogy egyes atomok bizonyos körülmények között átalakulhatnak másokká. E felfedezések alapján rohamos fejlődésnek indult az atom szerkezetének elmélete.

Az atomok összetett szerkezetének első közvetett megerősítését a katódsugarak tanulmányozásakor kapták, amelyek nagyon ritka gázok elektromos kisülése során keletkeznek. Ezen sugarak tulajdonságainak tanulmányozása arra a következtetésre vezetett, hogy apró részecskékből álló áram, amelyek negatív elektromos töltést hordoznak, és fénysebességhez közeli sebességgel repülnek. Speciális módszerekkel meg lehetett határozni a katódrészecskék tömegét és töltésük nagyságát, kideríteni, hogy ezek nem függnek a csőben maradó gáz természetétől, illetve attól, hogy az elektródák milyen anyagból készülnek. vagy más kísérleti körülmények között. Ráadásul a katódrészecskék csak töltött állapotban ismertek, töltéseiktől megfosztva nem lehet elektromosan semleges részecskéket alakítani: az elektromos töltés a természetük lényege. Ezeket az elektronoknak nevezett részecskéket 1897 -ben fedezte fel J. Thomson angol fizikus.

Az atom szerkezetének vizsgálata gyakorlatilag 1897-1898-ban kezdődött, miután a katódsugarak elektronáramként való jellege véglegesen megállapításra került, és meghatározták a töltés nagyságát és az elektron tömegét. Thomson javasolta az atom első modelljét, amely az atomot pozitív elektromos töltésű anyagcsomóként mutatja be, amelyben annyi elektron van elhelyezve, ami elektromosan semleges entitássá változtatja. Ebben a modellben azt feltételezték, hogy a külső hatások hatására az elektronok oszcillálhatnak, azaz gyorsított sebességgel mozoghatnak. Úgy tűnik, hogy ez lehetővé tette az anyagatomok fénykibocsátásával és a radioaktív anyagok atomjainak gamma-sugárzásával kapcsolatos kérdések megválaszolását.

A Thomson-féle atommodell nem feltételezi az atomon belüli pozitív töltésű részecskéket. De hogyan magyarázható a pozitív töltésű alfa-részecskék radioaktív anyagok általi kibocsátása? A Thomson-féle atommodell más kérdésekre sem adott választ.

1911-ben E. Rutherford angol fizikus, miközben az alfa-részecskék mozgását tanulmányozta gázokban és más anyagokban, felfedezte az atom pozitív töltésű részét. További alaposabb vizsgálatok kimutatták, hogy amikor egy párhuzamos sugárnyaláb gázrétegeken vagy vékony fémlemezen halad át, akkor már nem párhuzamos sugarak jönnek ki, hanem némileg eltérnek egymástól: az alfa részecskék szétszóródnak, vagyis eltérnek a eredeti út. Az elhajlási szögek kicsik, de mindig van kis számú részecske (körülbelül egy a több ezerből), amelyek nagyon erősen elhajlanak. Néhány részecskét visszadobnak, mintha áthatolhatatlan akadályba ütköznének az úton. Ezek nem elektronok - tömegük sokkal kisebb, mint az alfa -részecskék tömege. Elhajlás léphet fel pozitív részecskékkel való ütközéskor, amelyek tömege azonos nagyságrendű az alfa részecskék tömegével. Ezen megfontolások alapján Rutherford a következő sémát javasolta az atom szerkezetére.

Az atom közepén egy pozitív töltésű atommag található, amely körül az elektronok különböző pályákon keringenek. A forgásukból adódó centrifugális erőt az atommag és az elektronok közötti vonzás egyensúlyozza ki, aminek következtében azok bizonyos távolságra maradnak az atommagtól. Mivel az elektron tömege elhanyagolható, ezért az atom szinte teljes tömege a magjában koncentrálódik. Az atommag és az elektronok, amelyeknek száma viszonylag kicsi, az atomrendszer által elfoglalt teljes térnek csak jelentéktelen részét teszik ki.

A Rutherford által javasolt atomi szerkezet séma, vagy ahogy általában mondani szokás, az atom bolygómodellje könnyen megmagyarázza az alfa-részecskék elhajlásának jelenségeit. Az atommag és az elektronok méretei ugyanis rendkívül kicsik az egész atom méretéhez képest, amit az atommagtól legtávolabbi elektronok pályája határoz meg, így a legtöbb alfa-részecske észrevehető elhajlás nélkül halad át az atomokon. Csak azokban az esetekben, amikor az alfa részecske nagyon közel kerül az atommaghoz, az elektromos taszítás hatására hirtelen letér az eredeti útjáról. Így az alfa-részecskék szóródásának vizsgálata alapozta meg az atom magelméletét.

Bohr posztulátumai

Az atom bolygómodellje lehetővé tette az alfa -részecskék szóródásával kapcsolatos kísérletek eredményeinek magyarázatát, azonban alapvető nehézségek merültek fel az atomok stabilitásának alátámasztásában.

Az első kísérletet Niels Bohr tette 1913-ban egy minőségileg új - kvantum - elmélet megalkotására az atomról. Célul tűzte ki, hogy egyetlen egésszé kapcsolja össze a vonalspektrumok empirikus törvényeit, az atom Rutherford-féle magmodelljét, valamint a fénykibocsátás és a fényelnyelés kvantumtermészetét. Bohr Rutherford nukleáris modelljére alapozta elméletét. Azt javasolta, hogy az elektronok körpályán mozogjanak az atommag körül. A körmozgásnak állandó sebesség mellett is van gyorsulása. A töltés ilyen felgyorsult mozgása egyenértékű a váltakozó árammal, amely váltakozó elektromágneses teret hoz létre a térben. Ennek a mezőnek a létrehozásához energiára van szükség. A mező energiája az elektron és az atommag Coulomb kölcsönhatásának energiája révén jöhet létre. Ennek eredményeként az elektronnak spirálisan kell mozognia, és az atommagra kell esnie. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy az atomok nagyon stabil képződmények. Ebből következik, hogy a klasszikus elektrodinamika Maxwell-egyenleten alapuló eredményei nem alkalmazhatók az atomon belüli folyamatokra. Új mintákat kell találni. Bohr az atomról alkotott elméletét a következő posztulátumokra alapozta.

Első posztulátum Bóra (posztulátum helyhez kötött Államok): v atom létezik helyhez kötött (nem változó val vel idő) Államok, v melyik ő nem kibocsát energia. Helyhez kötött Államok atom megfelelnek helyhez kötött pályák, tovább melyik mozognak elektronok. Forgalom elektronok tovább helyhez kötött pályák nem kíséri sugárzás elektromágneses hullámok.

Ez a posztulátum ellentmond a klasszikus elméletnek. Az atom álló állapotában a körpályán mozgó elektronnak rendelkeznie kell a szögimpulzus diszkrét kvantumértékeivel.

Második posztulátum Bóra (szabály frekvenciák): nál nél átmenet elektron val vel egy helyhez kötött pályák tovább egy másik kibocsátott (elnyelt) egy foton val vel energia

egyenlő különbségek energiák az illető helyhez kötött Államok (En és Em - illetőleg energia helyhez kötött Államok atom előtt és után sugárzás/abszorpció).

Egy elektron átmenete egy m számú stacionárius pályáról egy számozott stacionárius pályára n egy atom energiájú állapotból való átmenetének felel meg Em En energiájú állapotba (1. ábra).

Rizs. 1 Bohr posztulátumainak magyarázatához

Amikor En> Em, foton bocsát ki (egy atom átmenete egy nagyobb energiájú állapotból egy alacsonyabb energiájú állapotba, azaz egy elektron átmenete az atommagtól távolabbi pályáról egy közelebbi pályára), amikor En< Еm - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

kvantumátmeneteket és meghatározza az atom vonalspektrumát.

Bohr elmélete remekül magyarázta a hidrogén kísérletileg megfigyelt vonalspektrumát.

A hidrogénatom elméletének sikereit a klasszikus mechanika alapvető rendelkezéseinek feladása árán szerezték meg, amelyek több mint 200 éve kétségtelenül érvényesek. Ezért nagy jelentőséggel bírt a Bohr-féle posztulátumok érvényességének közvetlen kísérleti bizonyítása, különösen az első - a stacionárius állapotok létezéséről. A második posztulátum az energiamegmaradási törvény és a fotonok létezésének hipotézise következményeként fogható fel.

D. Frank és G. Hertz német fizikusok, akik az elektronok ütközését gázatomokkal a potenciál késleltetési módszerével tanulmányozták (1913), kísérletileg megerősítették az álló állapotok létezését és az atomenergia-értékek diszkrétségét.

Annak ellenére, hogy a Bohr-féle koncepció kétségtelenül sikeres volt a hidrogénatommal kapcsolatban, amelyhez a spektrum kvantitatív elméletét is meg lehet alkotni, a következő hidrogénatomra, a héliumra nem lehetett hasonló elméletet alkotni. Bohr ötletei. Bohr elmélete csak kvalitatív (bár nagyon fontos) következtetések levonását tette lehetővé a héliumatommal és az összetettebb atomokkal kapcsolatban. Meglehetősen önkényesnek bizonyult az a koncepció, hogy bizonyos pályák mentén az elektron mozog egy Bohr-atomban. Valójában az elektronok mozgásának egy atomban nincs sok köze a bolygók keringési mozgásához.

Jelenleg a kvantummechanika segítségével számos kérdésre válaszolhat bármely elem atomjának szerkezetével és tulajdonságaival kapcsolatban.

atommag bór mengyelejev

Az atommag szerkezete

Nukleon szint

Körülbelül 20 évvel azután, hogy Rutherford "látta" a magját egy atom belsejében, egy neutront fedeztek fel - egy részecske minden tulajdonságában megegyezik a hidrogénatom magjával - egy proton, de csak elektromos töltés nélkül. A neutron rendkívül kényelmesnek bizonyult az atommagok belsejének vizsgálatára. Mivel elektromosan semleges, a mag elektromos mezője nem taszítja el - ennek megfelelően még a lassú neutronok is szabadon megközelíthetik az atommagot olyan távolságokon, amelyeken a nukleáris erők elkezdenek megnyilvánulni. A neutron felfedezése után a mikrovilág fizikája ugrásszerűen haladt előre.

Nem sokkal a neutron felfedezése után két elméleti fizikus - a német Werner Heisenberg és a szovjet Dmitrij Ivanenko - feltételezte, hogy az atommag neutronokból és protonokból áll. Az atommag szerkezetének modern megértése ezen alapul.

A protonokat és a neutronokat a nukleon szó egyesíti. A protonok olyan elemi részecskék, amelyek a legkönnyebb kémiai elem - hidrogén - atommagjai. Az atommagban lévő protonok száma megegyezik az elem sorszámával a periódusos rendszerben, és Z-vel jelöljük (a neutronok száma - N). A proton pozitív elektromos töltése abszolút értékben egyenlő az elemi elektromos töltéssel. Körülbelül 1836 -szor nehezebb, mint egy elektron. Egy proton két Q = + 2/3 töltésű i-kvarkból és egy Q = - 1/3 értékű d-kvarkból áll, amelyeket a gluonmező köt össze. 10-15 m nagyságrendű véges méretei vannak, bár nem ábrázolható tömör golyóként, inkább egy elmosódott határvonalú felhőre hasonlít, amely felbukkanó és megsemmisülő virtuális részecskékből áll.

A neutron elektromos töltése 0, tömege körülbelül 940 MeV. Egy neutron egy u-kvarkból és két d-kvarkból áll. Ez a részecske csak stabil atommagok összetételében stabil, a szabad neutron elektronná, protonná és elektron antineutrínóvá bomlik. A neutron felezési ideje (az az idő, amely alatt az eredeti neutronszám fele lebomlik) körülbelül 12 perc. Egy szabad formájú anyagban a neutronok még rövidebb ideig léteznek az atommagok általi erős abszorpciójuk miatt. A protonhoz hasonlóan a neutron is minden típusú kölcsönhatásban részt vesz, így az elektromágnesesben is: általános semlegességgel, összetett belső szerkezete miatt elektromos áramok léteznek benne.

Az atommagban a nukleonokat különleges erők kötik - nukleáris. Egyik jellemzőjük a kis hatótávolságú hatás: 10-15 m nagyságrendű és kisebb távolságban minden más erőt meghaladnak, aminek következtében a nukleonok nem szóródnak szét a hasonló töltésű protonok elektrosztatikus taszítása hatására. . Nagy távolságokon a nukleáris erők nagyon gyorsan nullára csökkennek.

A nukleáris erők hatásmechanizmusa ugyanazon az elven alapul, mint az elektromágnesesé - a kölcsönhatásban lévő tárgyak virtuális részecskékkel való cseréjén.

A virtuális részecskék a kvantumelméletben olyan részecskék, amelyek ugyanazzal a kvantumszámmal (spin, elektromos és barion töltések, stb.) Rendelkeznek, mint a megfelelő valós részecskék, de amelyekre az energia, a lendület és a tömeg közötti szokásos kapcsolat nem érvényes.

Rutherford kísérletei

A mágneses térben a radioaktív sugárzás fluxusa 3 komponensre bomlik: alfa-, béta- és gamma-sugarakra.

A radioaktivitás jelensége az atom bonyolult szerkezetéről tanúskodott

Rutherford alfa-szórási tapasztalata

1911 - E. Rutherford kísérletet állít fel az alfa-részecskék szórására. Az alfa-részecskék sugarát vékony aranyfólián vezették át.

Az aranyat nagyon műanyagnak választották, amelyből majdnem egy atomréteg vastagságú fóliát lehet előállítani.

Egyes alfa-részecskék átjutottak a fólián, elmosódást okozva a képernyőn, míg más alfa-részecskék nyomait az oldalsó képernyőkön rögzítették.

A tapasztalatok azt mutatják, hogy egy atom pozitív töltése nagyon kis térfogatban - a magban - koncentrálódik, és nagy rések vannak az atommagok között.

Rutherford kimutatta, hogy Thomson modellje ellentmond a kísérleteinek.

Következtetés

Összefoglalva, arra a következtetésre jutunk, hogy a Rutherford - Bohr fogalma már az abszolút igazság részecskéi, bár a fizika további fejlődése sok hibát tárt fel ebben a fogalomban. Az abszolút helyes tudásból még többet tartalmaz az atom kvantummechanikai elmélete.

Az atom bonyolult szerkezetének felfedezése a fizika legnagyobb eseményévé vált, mivel a klasszikus fizika elképzelései az atomokról mint az anyag szilárd és oszthatatlan szerkezeti egységeiről cáfoltak.

A felhasznált források listája

1. Fizika mindenkinek / L. Cooper - "The World" 1974

2. Fizikusok / Khramov Yu.A. - "Tudomány" 1983

3. Fizika -9.11 / Peryshkin A.V. - "Túzok" 2004

4.P.S. Kudrjavcev. "Fizikatörténeti tanfolyam" Moszkva 1982.

5. M.P. Bronstein. "Atomok és elektronok" M. 1980.

6. Internetes források.

7.http://www.rcio.rsu.ru/.

Közzétéve az Allbest.ru oldalon

...

Hasonló dokumentumok

Az atomizmus eszméinek tudománytörténeti fejlődésének elemzése. Az elemi részecskék és a fizikai vákuum szerepe az atom szerkezetében. A modern atomizmuselmélet lényege. Az atom kvantummodelljének elemzése. Pierre Gassendi a "molekula" fogalmának bevezetése. A Compton-effektus felfedezése.

teszt, hozzáadva 2013.01.15

Az atom dinamikus szerkezete a térben fogalmának tanulmányozása. Az atom és az atommag szerkezetének tanulmányozása. A testek mozgásának dinamikájának leírása a potenciális szférák valós terében. Kvantumrészecskék szabad térbeli spirális mozgásának elemzése.

absztrakt hozzáadva: 2013.05.29

Rutherford bolygómodellje az atomról. Az atommag összetétele és jellemzői. A mag tömege és kötési energiája. A nukleonok kötési energiája az atommagban. Kölcsönhatás töltött részecskék között. A nagy hadronütköztető. Az elemi részecskefizika elméletének rendelkezései.

szakdolgozat, hozzáadva 2015.04.25

A felfedezések története az atommag szerkezete területén. A Bohr előtti atommodellek. Az atommag felfedezése. Bora atom. A mag felosztása. Az atommag proton-neutron modellje. Mesterséges radioaktivitás. Az atommagok szerkezete és legfontosabb tulajdonságai.

absztrakt, hozzáadva: 2003.08.05

Az atom szerkezetének modelljei. Az atompályák formái. Az atom energiaszintjei. Atompálya, mint egy atommag körüli régió, amelyben a legnagyobb valószínűséggel elektron található. A proton, a neutron és az elektron fogalma. Az atom szerkezetének planetáris modelljének lényege.

bemutató hozzáadva: 2013.09.12

Az atomrészek raktárai: atommag, protonok, neutronok és elektronika. Az atom bolygómodellje vagy Rutherford modellje. Kerovana és a nem vágott lantsyugov nukleáris reakció. A nukleáris vibuhu megértése nagy mennyiségű hő és energiacsere folyamataként.

bemutató hozzáadva: 2012.05.21

Az atom összetett szerkezetének felfedezése a modern fizika kialakulásának legfontosabb állomása. Az atomi rendszereket magyarázó atomi szerkezet kvantitatív elméletének megalkotása során elképzelések születtek a mikrorészecskék kvantummechanika által leírt tulajdonságairól.

absztrakt, hozzáadva: 2009.01.05

Az atomisztikus elmélet keletkezésének és fejlődésének története. Platón és Arisztotelész elképzelései az anyag folytonosságáról. A hő korpuszkuláris kinetikai elmélete, a radioaktivitás felfedezése. A Nagaoka atom korai bolygómodellje. Az elektrontöltés meghatározása.

előadás hozzáadva 2013.08.28

Az atomok szerkezetére vonatkozó elképzelések fejlődése Ernest Rutherford és Niels Bohr modelljei példáján. Állópályák és energiaszintek. Vonalkibocsátási és abszorpciós spektrumok eredetének magyarázata. N. Bohr elméletének előnyei és hátrányai.

absztrakt hozzáadva: 2014.11.19

Az atom szerkezetének tanulmányozásának szakaszai Thomson, Rutherford, Bohr. Kísérleteik sémái és az eredmények értelmezése. Az atom Rutherford bolygómodellje. Bohr kvantumposztulátumai. Az álló állapotból a gerjesztett állapotba való átmenet sémái és fordítva.

Az "atom" fogalmát az ókorban ismerték, és az ókori görög filozófusok a környező világ szerkezetére vonatkozó elképzelések leírására használták, így Leukipposz (Kr. E. 500-200) azt állította, hogy a világ a legkisebb részecskékből és ürességből áll, és Demokritosz Ezeket a részecskéket atomoknak nevezték, és úgy gondolták, hogy örökké léteznek, és képesek mozogni. Az ókori filozófusok elképzelései szerint az atomok olyan kicsik voltak, hogy nem lehetett őket megmérni, az alak és a külső különbség pedig tulajdonságokat ad bizonyos testeknek. Például a vasatomoknak "fogakkal" kell rendelkezniük ahhoz, hogy egymáshoz kapcsolódjanak és szilárd anyagot alkossanak, míg a vízatomoknak ezzel szemben simának és gördülőnek kell lenniük ahhoz, hogy folyékonyságot biztosítsanak a víznek. Az első feltételezést az atomok egymással való önálló kölcsönhatásra való képességéről Epikurosz tette.

M.V. Lomonoszov, az anyag szerkezetének két szakaszát különböztette meg: elemeket (atomokat, megértésünk szerint) és korpuszkulákat (molekulákat). Lomonoszov azzal érvelt, hogy az egyszerű anyagok egy típusú atomokból állnak, az összetett anyagok pedig különböző atomokból.

Az atom-molekuláris elmélet J. Daltonnak köszönhetően kapott világszerte elismerést, aki az ókori görög filozófusokkal ellentétben csak kísérleti adatokra támaszkodott kijelentései megfogalmazásakor. J. Dalton bemutatta az atom egyik legfontosabb jellemzőjét - az atomtömeget, amelynek relatív értékeit számos elemre megállapították. De felfedezései ellenére az atomot oszthatatlannak tekintették.

Kísérleti bizonyítékok kézhezvétele után (XIX. század vége - XX. század eleje) az atom szerkezetének összetettsége: a fotoelektromos hatás felfedezése (elektromos töltéshordozók kibocsátása a fémek felületéről, amikor megvilágítják őket), katód (az áramlás áramlása). negatív töltésű részecskék - elektronok, katóddal és anóddal rendelkező csőben, valamint röntgensugárzás (erős elektromágneses sugárzás kibocsátása anyagok által, a látható fényhez hasonló, de nagyobb frekvenciájú, amikor a katódsugarak hatnak ezekre az anyagokra ), radioaktivitás (egy elem spontán átalakulása a másikba, amelyben elektronok, pozitív töltésű és egyéb részecskék kibocsátása, valamint röntgensugárzás történik) azt találták, hogy az atom negatív és pozitív töltésű részecskékből áll, amelyek interakcióba lépnek egymással. Ezek a felfedezések lendületet adtak az atomszerkezet első modelljeinek megalkotásához.

Az atom egyik első modelljét W. Thomson fejlesztette ki (1902) W. Thomson szerint az atom egy csomó pozitív töltésű anyag, az elektronok egyenletesen oszlanak el belül, a hidrogénatom pedig egy pozitív töltésű golyó elektron belül (1a. ábra). Ezt a modellt J. Thomson (1904) finomította (1b. ábra). Ugyanebben az évben H. Nagaoka japán fizikus egy "szaturnuszi modellt" javasolt az atom szerkezetére, feltételezve, hogy az atom hasonló a Szaturnusz bolygóhoz - a központban egy gyűrűkkel körülvett atommag található, amelyek mentén az elektronok mozognak. 1c).

Egy másik modellt Philip von Lenard német fizikus javasolt, amely szerint az atom rendkívül kicsi semleges részecskékből áll (ennek eredményeként az atom nagy része üreg), amelyek mindegyike elektromos dublett (1d. ábra).

Rizs. 1. Az atom szerkezetének modelljei: a - W. Thomson; b - J. Thomson; c - H. Nagaoka; F. Lenard úr

A részecskékkel végzett kísérletek után 1911-ben. Rutherford javasolta az ún bolygómodell az atom felépítése, hasonlóan a Naprendszer szerkezetéhez (az atom közepén egy kis pozitív töltésű mag, amely szinte az atom teljes tömegét tartalmazza, körülötte az elektronok keringenek). A bolygómodellt továbbfejlesztették N. Bohr, A. Sommerfeld és mások munkáiban.

Az atom szerkezetének modern modellje a kvantummechanika ismeretein alapul, amelynek fő tézise az, hogy a mikrorészecskék hullám jellegűek, a hullámok pedig a részecskék tulajdonságai. A kvantummechanika az atommag körüli elektron megtalálásának valószínűségét veszi figyelembe. Az atommag körüli teret, amelyben a legnagyobb valószínűséggel az elektron található, orbitálisnak nevezzük.

Izotópok

Az izotópok olyan atomok, amelyek azonos nukleáris töltéssel rendelkeznek, de különböző tömegűek. Az ilyen atomok gyakorlatilag az elektronhéj szerkezetével azonosak, és ugyanahhoz az elemhez tartoznak. A különböző elemek természetes vegyületeinek vizsgálata azt mutatja, hogy a periódusos rendszer legtöbb elemében stabil izotópok léteznek. A periódusos rendszer összes eleménél a természetben előforduló izotópok száma eléri a 280-at.

Az izotópia legszembetűnőbb példája a hidrogén izotópjai - hidrogén, deutérium és trícium. A hidrogén és a deutérium megtalálható a természetben. A tríciumot mesterségesen állítják elő.

Az instabil izotópokat, azaz ha képesek spontán bomlani, radioaktív izotópoknak nevezzük. Megtalálhatók bizonyos elemek természetes vegyületeiben is.

Az atommag összetétele. Nukleáris reakciók

Az atommag számos elemi részecskét tartalmaz, amelyek közül a legfontosabbak a proton (p) és a neutron (n). A proton tömege 1,0073 amu, töltése +1, míg a neutron elektromosan semleges (töltés 0), tömege 1,0087 amu.

Az atommag felépítésének proton-neutron elmélete (DD Ivanenko, EN Gapon, 1932) szerint az összes atom magja, a hidrogén kivételével, Z protonból és (AZ) neutronból áll (Z az elem sorszáma , A a tömegszám). Az elektronok száma megegyezik a protonok számával.

ahol N a neutronok száma.

Az atommag tulajdonságait az összetétele határozza meg (p és n számok). Tehát például az oxigénatomban 16 8 O 8 proton és 16-8 = 8 neutron található, amelyet röviden 8p, 8n-nek írunk.

Az atommagok belsejében p és n (bizonyos feltételek mellett) egymásba alakulhatnak át:

ahol e + egy pozitron (elemi részecske, amelynek tömege egyenlő egy m elektron tömegével és töltése +1), u pedig neutrínók és antineutrínók, nulla tömegű és töltésű elemi részecskék, amelyek csak abban különböznek spin.

A magreakciók az atommagok átalakulásai az elemi részecskékkel vagy egymással való kölcsönhatás következtében. A magreakciók egyenleteinek felírásakor figyelembe kell venni a tömeg- és töltésmegmaradás törvényeit. Például: 27 13 Al + 4 2 He = 30 14 Si + 1 1 H.

A nukleáris reakciók sajátossága, hogy hatalmas mennyiségű energia szabadul fel a keletkező részecskék vagy sugárzás kinetikus energiája formájában.

Feladatok:

1. Határozza meg a protonok, neutronok és elektronok számát az S, Se, Al, Ru atomokban!

2. Fejezze be a nukleáris reakciókat: 14 7 N + 4 2 He =; 12 6 C + 1 0 n =.

Válaszok:

1.S: Z = 16, A = 32, tehát 16p, 16e, 32-16 = 16n

Se: Z = 34, A = 79, tehát 34p, 34e, 79-34 = 45n

Al: Z = 13, A = 27, ezért 13p, 13e, 27-13 = 14n

Ru: Z = 44, A = 101, ezért 44p, 44e, 101-44 = 57n

2,14 7 N + 4 2 He = 17 8 O + 1 1 H

12 6 C + 1 0 n = 9 4 Legyen + 4 2 He